应莲花，刘 松，葛华辉，董玉德

（合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009）

近年来，汽车正在从奢侈品向生活必需品转变，汽车需求量也在快速增长，汽车工业已经成为推动我国经济发展的重要行业，轮胎行业也随着汽车工业的发展得到了快速增长。轮胎作为汽车的重要零部件之一，人们越来越重视轮胎在汽车性能优化中所起的作用。轮胎的安全性能分析在轮胎研究中尤为重要，近年来，许多学者在这一领域不断努力开拓，取得巨大进展[1]。

轮胎与地面接触使得汽车能在道路上安全行驶，当轮胎与地面分离时，车辆就会丧失操控性和制动性，从而导致车祸的发生。下雨天开车时，路面上留有积水，且随着车速的不断提高，水不能及时被排出，轮胎胎面与路面之间将会形成水膜，此时动压力与轮胎的载荷相平衡，轮胎将会漂浮在水膜上，与地面处于不接触状态，从而导致汽车的制动性能完全丧失，这种现象被称之为轮胎滑水现象[2]。

轮胎花纹可以提高轮胎在湿滑路面上行驶的安全性，水主要向两侧排出，因此为了向两侧短距离排水并因此提高轮胎的临界滑水速度，需要有短横向沟的纵向花纹。本研究通过ABAQUS CEL方法建立具有12种不同花纹的轮胎有限元模型，并进行轮胎滑水仿真分析，比较不同花纹对轮胎滑水性能的影响。

1 轮胎滑水仿真模型的建立

轮胎滑水三区域如图1所示[3]，在c区域，轮胎与路面完全接触，水能够顺畅地通过轮胎排走，轮胎与地面正常摩擦。在b区域，有大量水通过轮胎两侧流散，但仍有一部分水膜留在轮胎上面，此时轮胎与路面处于不完全接触状态。在a区域，水流散不开，完全覆盖在轮胎上面，其动压力将汽车完全托起来，轮胎离开地面并与地面完全不接触。

图1 轮胎滑水三区域示意

1.1 轮胎模型

轮胎滑水仿真模型主要包括四部分：轮胎模型、路面模型、空气模型和水模型[4]。轮胎的三维模型在SolidWorks中建立，共12种，分别为4种不同的横沟花纹（圆周分布50个横沟的弯折横沟花纹和直横沟花纹、圆周分布25个横沟的弯折横沟花纹和斜花纹，编号为a1—a4）、4种不同的纵沟花纹（纵向3条无弯折沟槽花纹、纵向3条有弯折沟槽花纹、纵向5条无弯折沟槽花纹和纵向3条无弯折阶梯花纹，编号为b1—b4）以及4种不同的混合花纹（无弯折纵横不连接50条横沟、有弯折纵横不连接50条横沟、无弯折纵横连接25条斜横沟以及无弯折纵横连接50条横沟，编号为c1—c4）。每组4种不同花纹的总沟槽体积大致相同，选用轮胎规格为195/60R14，施加载荷3430 N，如图2—4所示。然后将这些三维模型导入ABAQUS软件中生成有限元模型。

图2 4种横沟花纹轮胎

图3 4种纵沟花纹轮胎

图4 4种混合花纹轮胎

1.2 湿滑路面有限元模型

本研究所用模型为“轮胎滚动模型”，即轮胎在很长的湿滑路面上既滚动也平动，而水在整个路面上覆盖着，水流和路面都保持不变。这种模型更符合实际情况[5]，能够反映轮胎在湿滑路面上的滚动和滑动情况，并且能够反映轮胎在湿滑路面上滚动后留下的痕迹，适于轮胎滚动仿真及轮胎滚动后留下痕迹的研究[6]。

建立1条长2000 mm、宽300 mm的刚性路面，在路面上覆盖长、宽与路面相同，厚度为10 mm的水膜层，由于水流只能在空气层所包含区域内流动，因此同时在水膜层上定义1层厚度为50 mm的空气层以利于轮胎排水时有足够的散射空间[7]。进行网格划分后得到湿滑路面的有限元模型，如图5所示。

图5 湿滑路面滑水仿真模型

2 结果与讨论

本次仿真分析中，轮胎的平动速度都是从16 m·s-1提高到33 m·s-1，滚动速度则从54 rad·s-1变化到111 rad·s-1。

2.1 4种横沟花纹轮胎

4种横沟花纹轮胎的滑水痕迹对比如图6所示，Z向位移-速度曲线对比如图7所示。

图6 4种横沟花纹轮胎滑水痕迹对比

从图7可以看出，斜花纹的滑水性能最好，因为其具有导水性能，可以将前方的积水导至后方，次之为圆周分布25个横沟的弯折横沟花纹，再次之为圆周分布50个横沟的弯折横沟花纹。对比可知，在沟槽总体积相同的情况下，减小横向花纹沟数量、增大单个花纹沟体积可以优化轮胎的滑水性能。滑水性能最差的是无弯折圆周分布50个横沟的横沟花纹，原因是其花纹沟的总体积最小。可见在进行轮胎设计时，可以采用带有倾斜的横向沟槽花纹，并且在沟槽总体积相同的情况下，减小花纹沟数量，增大单个花纹沟体积，以优化轮胎的滑水性能。

图7 4种横沟花纹轮胎Z向位移-速度曲线对比

2.2 4种纵沟花纹轮胎

4种纵沟花纹轮胎的滑水痕迹对比如图8所示，Z向位移-速度曲线对比如图9所示。

图8 4种纵沟花纹轮胎滑水痕迹对比

图9 4种纵沟花纹轮胎Z向位移-速度曲线对比

从图9可以看出，滑水性能最好的是纵向3条无弯折沟槽花纹和纵向3条无弯折阶梯花纹，这两者的差别不大，即阶梯的影响不大，次之是纵向5条无弯折沟槽花纹，可见与横向花纹相同，在沟槽总体积相同的情况下，减小花纹沟数量、增大单个花纹沟体积可以很好地优化轮胎的滑水性能。滑水性能最差的是纵向3条有弯折沟槽花纹，原因是有弯折的3条纵沟花纹对水有很大的阻力。因此对于纵沟花纹的设计来说，在沟槽总体积相同的情况下，可以减小花纹沟数量、增大单个花纹沟体积，以优化轮胎的滑水性能，并且有无弯折及弯折的大小对纵沟花纹滑水性能有很大的影响。

2.3 4种混合花纹轮胎

4种混合花纹轮胎的滑水痕迹对比如图10所示，Z向位移-速度曲线对比如图11所示。

图10 4种混合花纹轮胎滑水痕迹对比

图11 4种混合花纹轮胎Z向位移-速度曲线对比

从图11可以看出，无弯折纵横连接25条斜横沟花纹排水性能最好，因为在沟槽总体积相同的情况下，其单个花纹沟体积最大，而且具有斜横向花纹，导水性能很好。无弯折纵横不连接50条横沟花纹与无弯折纵横连接50条横沟花纹的滑水性能大致相同，无弯折纵横连接50条横沟稍好，因此可以考虑使纵横花纹连接以增强排水性。滑水性能最差的是有弯折纵横不连接50条横沟花纹，原因是纵向花纹担任排水职责，有弯折的纵向花纹对水的阻力很大，因此其滑水性能最差。可见，在进行混合花纹轮胎设计时，可以考虑纵沟无弯折，横沟为斜横沟，且纵横相连的花纹。

3 结论

由轮胎滑水仿真结果可以得出下述结论。

（1）在进行横向沟槽胎面花纹轮胎设计时，采用带有倾斜的横向沟槽花纹有利于轮胎排水，并且横向花纹沟数量对轮胎滑水性能影响不大，其花纹沟体积对轮胎的滑水性能有显著影响，增大单个花纹沟体积有利于提升轮胎滑水性能。

（2）对于纵向沟槽胎面花纹轮胎的设计来说，本次仿真纵沟条数越多，滑水性能越好，可见纵沟总体积对轮胎滑水性能有较大影响，并且无弯折花纹沟轮胎比有弯折花纹沟轮胎的滑水性能好。

（3）在进行混合花纹轮胎设计时，纵沟为无弯折花纹沟，横沟为斜横沟，且纵横相连的花纹对轮胎滑水性能有较为明显的优化作用。