基于轮胎胎面花纹形状的优化设计研究

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1、1问题的重述1.1问题背景轮胎，作为交通工具与陆地接触的唯一媒介。一开始是用木头、铁等材料制成，世界上第一个空心轮子是1845年英国人罗伯特•汤姆逊发明，他提出将压缩空气充入弹性囊，以缓和运动吋的振动与冲击。直到1908年至1912年间，才首次出现能够提高使用性能的轮胎花纹，从而开拓了轮胎胎面花纹的历史。最原始的胎面花纹其实很简单,仅仅只有一些直线的楞花。经历一百多年的发展，由于路面情况、车速、载重等各方面条件一直在不断变化，轮胎花纹也随Z变得越来越复杂多样。轮胎花纹直接与路而相互作用，在有限的接触面积下，轮胎花纹对交通工具的性能起到了至关重要

2、的作用。轮胎花纹不仅是轮胎外观漂亮与否的决定因素，更关系到是否能够充分发挥轮胎的操纵性、制动/驱动性、滚动阻力、磨耗、水滑和噪声等特性。轮胎技术一直不断地改进与提高，但众多新技术的出现都莫过于1948年法国米曲林公司首创的了午线结构轮胎，这种轮胎由于使用寿命和使用性能的显著捉高，特别是在行驶屮可以节省燃料，I何被誉为轮胎工业的革命。轮胎花纹主要由花纹沟、花纹块及节距等构成，设计出合理的轮胎花纹形状，在这个油价飞涨的吋代是节约了资源，提高交通工具的性能，确保形式安全的重要手段。1.2需要解决的问题根据题目要求及其实际生活屮的应用需求，轮胎胎而花纹

3、作为轮胎与地而接触的唯一部件，轮胎的使用性能在很大程度上取决于花纹设计，一种合理的花纹可以使轮胎性能有很大提高。轮胎的滚动阻力、对地的抓力、抗滑水能力、直线行驶稳定性及噪声与轮胎花纹设计冇直接关系。因此，轮胎花纹的设计和优化创新受到十分关注。从而得知以下问题需耍进行貝体研究：问题1：根据花纹结构设计和布局对轮胎胎而花纹的滑水性能的影响进行深入分析。问题2：根据轮胎花纹对胎面压力、胎面垂直变形的影响，深入剖析胎面花纹对潮湿路面胎面单元附着性能的作用机理。问题3：根据花纹块和花纹槽对轮胎花纹噪声的影响，设计花纹噪声耦合模型并具体分析。问题4：根据以

4、上几个问题的研究结果，在车辆情况、路而情况和使用需求给定的情况下，对如何得出轮胎的最优花纹设计方案的分析。1.3符号说明Vp行驶速度P轮胎内气压比驱动力F(滚动阻力前轮滚动阻力Fa后轮滚动阻力F.破路阻力，设试验吋轮胎在水平路面上等速行驶F.空气阻力DP挂钩牵引力x2驱动轮上的切向反力E附着力(p附着系数Z2张动轮滑向反力f滚动阻力系数G从动轮的法向反力最优组合时的误差fe误差自由度ff-显著与不显著因素交互作用的自由度之和fG不显著因素与不显著交互作用的偏差平方和之和N试验总次数f显著因素与显著交互作用的自由度Z和£误差平方和M修正后的准正弦

5、波波长的块的分离函数If胎痕长度pss花纹椚发声准正弦波函数psb花纹块发声准止弦波函数w花纹块发声时域波PQ花纹槽的发声时域波N准正弦波波长调整后的修正槽分离函数P(t)胎面的花纹噪声时域波人块的合成系数A槽的合成系数T釆样周期N采样点数H做）轮胎花纹噪声的频谱/o花纹噪声的基频pe(t)气柱共鸣噪声m时域左移点数e测点在水平方向上与轮胎前进方向的夹角P测点在垂直方向上与前进方向的夹角1・4模型假设1・假设轮胎花纹对称性一致，制作轮胎的橡胶材料一定。2.假设交通工具保持匀速直线行驶，不考虑极低的摩擦热。3.假设交通工具的轮胎质量一致。4.假设

6、轮胎初始状态均无磨损，冃磨损后轮胎各部分磨损程度一致。5.假设不考虑轮胎的侧向磨损。6.假设轮胎的材料、半径都相同。7•假设交通工具型号、质量一致。8.假设路面路面粗糙度、湿度一致且道路平整。9.假设只考虑常见的花纹类型，其他形式各异的花纹种别均可归于常见类别。2问题的具体分析对于不同的轮胎花纹设计方案及和关性能特性的影响，主要基于轮胎的花纹作用，简而言之，轮胎花纹的主耍作用就是增加胎面与路面间的摩擦力，以防止车轮打滑。轮胎花纹提高了胎面接地弹性，在胎面和路面间切向力的作用下，花纹块能产生较人的切向弹性变形。有研究表明，产生胎面和路而间磨擦力的

7、因素述包括有这两面间的粘着作用，分子引力作用以及路面小尺雨微凸休对胎面貌一新微切削作用等，但起主要作用的仍是花纹块的弹性变形和花纹型式和花纹深度。并对收集到与该类问题的关键有用数据,以及对数据进行转变、筛选。针对问题1：依据轮胎胎面花纹对轮胎滑水性能的影响，以及汽——液二相流数值模型对轮胎滑水性能进行分析，采用VOF(VolumeofFluid)方法捕获水流自由液而运动特征，并通过胎面动水压力预测轮胎的滑水速度。可知合理设计花纹结构、控制花纹变形和改善花纹沟内部流体运动特性成为协同提升轮胎花纹沟滑水性能的一个重要的技术突破方向。针对问题2：以平

8、均流量方程为基础，假设车辆在覆盖着水膜的路面上完全制动，此时胎而单兀的滑动速度即为车辆行驶的线速度。分析了路面和胎面单元综合粗糙度和胎面单元在垂直方向