胎面橡胶摩擦机理及复杂工况下轮胎侧偏特性研究

发布时间：2017-09-14 19:28

  本文关键词：胎面橡胶摩擦机理及复杂工况下轮胎侧偏特性研究

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【摘要】：轮胎力学特性对车辆行驶稳定性、平顺性以及安全性等均有重大影响。而轮胎-路面摩擦特性是研究轮胎力学特性的关键,复杂环境工况和行驶工况下,不同速度、路面及环境因素等条件下轮胎力学特性的变化都与摩擦特性密切相关。由于橡胶摩擦特性研究为交叉学科,包含了橡胶物理特性材料学、路面特征统计学、接触理论以及工程力学等等,诸多的因素使得橡胶摩擦机理的研究一直是当前轮胎工程界与学术界的难点,亦是亟需解决、极具有挑战性的课题。然而,目前典型的轮胎模型尚只能表达单一环境工况(如单一路面、单一速度等),针对复杂环境和行驶工况下的轮胎力学特性的研究和建模还很不充分。主要体现在以下因素:(1)复杂工况因素颇多,包含了汽车行驶时的路面条件、气候等环境因素和承载、行驶速度等客观条件;(2)试验测试的客观因素,如试验难度大、周期长、成本高,完全考虑各种影响因素的轮胎试验几乎是做不到的;(3)轮胎力学特性研究为交叉学科,受材料学、摩擦学等影响,这些因素均加大了轮胎力学特性深入研究的难度。因此研究胎面橡胶的摩擦机理,并建立考虑轮胎滚动速度及路面等复杂因素影响、具有表达精度高、参数物理意义明确,并具有合理预测能力的轮胎模型,具有重要的理论和现实意义。因此本文利用分形几何与接触力学等理论,研究胎面橡胶摩擦机理,并结合柔性胎体离散胎面建模理论和半经验建模方法,针对不同速度、路面等复杂工况轮胎力学特性进行相关理论和试验研究。主要研究内容如下:首先,研究橡胶摩擦机理,建立胎面橡胶微观解析摩擦模型。将橡胶的摩擦分别从滞后摩擦和粘性摩擦两部分进行剖析,利用橡胶变形中能量守恒以及分子的表面能相关机理,分析研究了粘性、滞后摩擦产生机理,建立了简化的摩擦模型,并研究了滞后、粘性摩擦与橡胶复合模量等的关系;在此基础上,利用Persson接触理论,进一步建立了胎面橡胶微观解析的一般摩擦理论模型,该模型中,包括橡胶的超弹性、粘弹性、时温转换等物理参数以及路面的功率谱、分形理论等因素;最后,进行了相关试验研究与理论模型验证,该模型中各参数具有明确的物理意义,便于准确把握橡胶摩擦力学特性的宏观规律,对湿滑、冷冰路面同样具有较好的表达效果,为后文分析轮胎不同速度、路面等因素下的复杂工况轮胎力学特性分析提供基础。其次,建立了考虑微观橡胶摩擦特性和胎体弹性的复杂工况下轮胎侧偏精细理论模型。重点从轮胎路面接触印迹内摩擦应力分布的机理上来分析讨论印迹内复杂的胎体胎面的应力应变、滑移速度、摩擦等分布情况,及对不同速度、路面等因素下轮胎力学差异的影响分析。根据轮胎刷子接触印迹内变形机理,建立了简化的理论模型,实现了其力学特性解析表达,结果表明简化的理论模型在不同速度、路面等复杂工况下的力学表达有所欠缺。基于此,本文建立了考虑橡胶摩擦特性、胎体弹性的稳态精细理论刷子模型,分析讨论了印迹内复杂的胎体胎面的应力、应变、滑移速度、摩擦等分布情况,针对印迹内的分析,解释并剖析了几种典型复杂工况下轮胎力学特性的诸多现象,结果表明该考虑了接触印迹内摩擦特性的精细理论模型能够表达不同速度、路面及冰面不同温度等复杂因素对轮胎关键力学特性的影响。然后,以理论模型为基础,建立了能够反映车辆复杂运行工况的Uni Tire实用半经验模型。基于前文所以建立的考虑摩擦分布的理论基础上,引入等效压力分布与平均摩擦系数概念,证明了考虑一般摩擦特性的轮胎模型具有与常摩擦系数时相同的无量纲形式,从而保证了Uni Tire半经验模型中理论框架的正确性;推导并证明了其同样具有高阶理论边界条件。建立了考虑微观解析摩擦模型的不同复杂工况下Uni Tire扩展模型,并通过台架测试获取的试验数据对所建立的扩展模型进行验证,结果显示模型具有很好的表达能力和精度。最后,分析Uni Tire复杂工况预测能力以及轮胎试验设备研究。首先分析实现复杂工况轮胎力学特性预测的必要前提条件,然后详细介绍了复杂工况的预测流程,并从两部分进行了轮胎力学复杂工况的预测,包含可以和难以试验获取的复杂工况预测。结果表明以理论模型为框架的Uni Tire复杂工况的半经验模型具有良好的力学延展性和预测能力,在大幅度降低试验工作量的同时,依然具有较高的预测精度,另外可以实现台架难以获取的、但实际中经常遇到的复杂工况下轮胎力学特性的预测表达,具有重要的工程意义。其次,分析了国内外轮胎台架的情况,阐述目前使用较多的A字架结构复合姿态运动耦合的现象,基于此采用了新型六自由度结构,该结构没有复合姿态运动耦合,并且具有较高的姿态控制精度。另外,本文探索性分析了高速轮胎试验台的核心技术,对钢带的主、被动跑偏进行了相关机理分析,以及相关规律研究,并初步应用于实际中,获得了较好的控制结果。为该具有国际前沿的科学技术设备进行了一定的理论和实践探索,为获取更准确的轮胎力学特性提供了试验物质条件。本文主要创新点如下:(1)系统深入揭示了橡胶滞后、粘性摩擦的微观机理,提出了能够表达复杂因素影响的胎面橡胶微观解析摩擦模型;(2)建立了考虑接触印迹内摩擦分布的复杂工况下轮胎精细的理论模型,从机理角度解释并剖析了轮胎在不同速度、路面等复杂工况下力学差异性的原因;(3)建立了满足高阶理论边界条件的变摩擦系数下Uni Tire无量纲理论扩展模型,完善了Uni Tire半经验模型在复杂工况下的高精度表达和预测能力。
【关键词】：橡胶摩擦 复杂工况 轮胎模型 摩擦分布 预测 轮胎台架
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.341
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-20
• 第1章 绪论20-34
• 1.1 研究背景与课题的提出20-22
• 1.2 相关研究现状22-31
• 1.2.1 轮胎侧偏力学特性22-25
• 1.2.2 橡胶路面摩擦机理研究现状25-29
• 1.2.3 橡胶摩擦在复杂工况下的应用状况29-30
• 1.2.4 存在的问题分析30-31
• 1.3 论文研究内容与技术路线31-34
• 第2章 胎面橡胶微观解析摩擦模型与试验研究34-70
• 2.1 橡胶摩擦建模基础34-41
• 2.1.1 橡胶的物理特性34-35
• 2.1.2 橡胶的粘弹性35-36
• 2.1.3 橡胶的时温等效原理36-37
• 2.1.4 路面表面形貌、分形理论及功率谱密度函数37-41
• 2.2 橡胶摩擦的组成与机理简析41-46
• 2.2.1 橡胶的滞后摩擦机理简析43-44
• 2.2.2 橡胶的粘性摩擦机理简析44-46
• 2.3 基于Persson接触理论的滞后与粘性摩擦解析模型46-61
• 2.3.1 接触理论46-49
• 2.3.2 基于Persson接触理论的摩擦解析模型建立49-52
• 2.3.3 理论解析模型仿真及分析52-56
• 2.3.4 微观解析模型在潮湿路面应用分析56-57
• 2.3.5 微观解析模型在冰路面的应用分析57-61
• 2.4 胎面橡胶摩擦试验与理论解析摩擦模型表达能力分析61-68
• 2.4.1 台架介绍61-62
• 2.4.2 台架试验及处理方法62-65
• 2.4.3 试验结果分析65-68
• 2.5 本章小结68-70
• 第3章 考虑橡胶理论摩擦的复杂工况下轮胎侧偏精细理论模型70-102
• 3.1 概述70-71
• 3.2 轮胎建模基础及简化刷子模型71-79
• 3.2.1 轮胎坐标系及轮胎的输入与输出71-73
• 3.2.2 轮胎接地印迹内压力分布73-75
• 3.2.3 简化的刷子模型分析75-77
• 3.2.4 复杂工况下轮胎力学差异性分析77-79
• 3.3 考虑橡胶理论摩擦与胎体弹性的轮胎精细理论模型79-87
• 3.3.1 接触区域关键因素79-80
• 3.3.2 刷毛滑动过程及滑移速度分析80-81
• 3.3.3 考虑胎体弹性的刷毛滑移速度分析81-83
• 3.3.4 考虑摩擦分布的精细理论解析模型83-86
• 3.3.5 模型的求解流程86-87
• 3.4 几种典型复杂工况的仿真及特性分析87-100
• 3.4.1 印迹内胎体胎面单元变形、滑移速度及摩擦系数分析88-90
• 3.4.2 不同行驶速度下轮胎力学特性分析90-93
• 3.4.3 不同干燥路面下轮胎力学特性分析93-96
• 3.4.4 冰面不同温度下轮胎力学特性分析96-98
• 3.4.5 胎面胶单元摩擦与轮胎摩擦分析98-100
• 3.5 本章小结100-102
• 第4章 考虑橡胶理论摩擦UniTire复杂工况高精度半经验模型102-132
• 4.1 概述102-103
• 4.2 UniTire模型介绍103-105
• 4.2.1 UniTire建模思想103
• 4.2.2 UniTire半经验模型基本方程介绍103-105
• 4.3 UniTire模型理论框架的推广105-114
• 4.3.1 非定常摩擦系数下UniTire侧偏简化理论模型106-108
• 4.3.2 高阶理论边界条件108-113
• 4.3.3 满足高阶理论边界条件的UniTire半经验模型分析113-114
• 4.4 复杂工况下轮胎UniTire半经验模型114-128
• 4.4.1 所采用的试验数据114-115
• 4.4.2 侧向力半经验模型115-123
• 4.4.3 回正力矩半经验模型123-128
• 4.5 扩展UniTire模型表达精度分析128-129
• 4.6 本章小结129-132
• 第5章 UniTire复杂工况预测能力及轮胎试验设备研究132-168
• 5.1 概述132-133
• 5.2 复杂工况下轮胎力学特性预测133-145
• 5.2.1 复杂工况预测的基础133-136
• 5.2.2 预测方法及流程图136-137
• 5.2.3 复杂工况的预测分类137-138
• 5.2.4 可以试验获取的复杂工况预测138-141
• 5.2.5 难以试验获取的复杂工况预测141-143
• 5.2.6 预测结果总结分析143-145
• 5.3 轮胎试验台关键技术研究145-166
• 5.3.1 台架的运动学分析及运动耦合现象147-152
• 5.3.2 新型六自由度台架的姿态控制及精度152-156
• 5.3.3 高速轮胎台钢带纠偏回正的理论研究及应用探索156-164
• 5.3.4 复杂工况的一些室内试验内容164-166
• 5.4 结论166-168
• 第6章 全文总结与展望168-172
• 6.1 全文总结168-170
• 6.2 本文创新点170
• 6.3 研究展望170-172
• 参考文献172-181
• 攻读学位期间取得的科研成果181-183
• 发表的学术论文与专利181
• 参加的科研工作181-183
• 致谢183-184

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本文编号：851903