基于轴头六分力的轮胎接地界面动态耦合性态研究

Tire contact interface is the only interface where tire wear happens. The study for contact interface is always the hot research content in academic and engineering fields. The description for tire contact interface characteristics based on axle six-component force can properly reflect the influence of vehicle dynamic characteristics on tire-road contact frictional pair. From the view of tribology and surface interface science, the key factors of the contact interface characteristics are defined as the contact interface geometry, the eccentric distance for contact rolling resistance and the distribution of the contact pressure. Considering both above, a new theoretical model is built to describe the dynamic and coupling characteristics of contact interface based on six-component force in this project. The model is verified by the experiment, in which wheel transducers for six-component force and TireScanTM system for tire contact interface dynamic feature are used. The influence of six-component force on characteristics of contact interface is demonstrated. The effects of key factors of the contact interface characteristics on tire wear are analyzed. The methodology is explored for tire wear reduction based on statistics, combining Monte-carlo method with simulated annealing algorithm. The results will provide a solution for 3D mathemetical modeling to describe the dynamic and coupling characteristics on contact interface of viscoelastic rolling objects. Meanwhile, new methodology will hopefully be raised on wear reduction of viscoelastic rolling objects.

轮胎接地界面是胎面磨损的发生界面，对轮胎接地界面相关问题的研究一直是学术界和工程界的研究热点。由轴头六分力表征轮胎接地界面性态，能够很好的反映车辆系统动态特性对胎面-路面摩擦副的作用。课题从摩擦学和表面界面科学的角度出发，定义描述接地界面性态的关键指标为轮胎接地印迹"面"形状、接地滚动阻力偏心距及接地压力分布曲线形态，建立了一种新的基于轴头六分力的轮胎接地界面动态耦合性态模型。本项目基于轴头六分力，数学表征轮胎接地界面动态耦合性态的关键指标，将六分力测力仪和轮胎接地性态测试系统相结合进行实验验证，阐明轴头六分力对轮胎接地界面性态的影响，揭示接地界面关键指标对轮胎磨损的影响规律，探索从统计学角度将蒙特卡洛方法和模拟退火优化算法相结合应用于轮胎磨损控制的方法。研究将有望在理论上提出一种一类黏弹性滚动体接触界面动态耦合性态三维数学描述的方法，并为这类黏弹性滚动体的磨损控制提供一种新的思路。

轮胎磨损是动态长期的过程，是不可避免的，但磨损的微小减少也会大大延长轮胎使用寿命，因此轮胎磨损相关问题一直是学术界和工程界的研究热点。轮胎与地面的接触区域是胎面磨损的发生界面，其接地性态对轮胎磨损都起到了非常关键的作用。课题定义描述接地界面性态的关键指标为轮胎接地印迹长度、滚动阻力偏心距及接地压力分布非对称指数，建立了两种基于轴头六分力的轮胎接地界面动态耦合模型，阐明了轮胎参数、轴头六分力对接地性态指标的定量关系，继而讨论了接地性态指标对胎面磨损的影响规律。主要成果如下：.建立了一种基于轴头六分力的轮胎接地界面动态耦合理论模型，可以通过输入轮胎轴头六分力获得轮胎的接地性态，并进行了实验修正和验证。.基于有限元方法给出了一种基于轴头六分力的轮胎三维接地性态的经验拟合公式。经验拟合公式可以通过较少的试验参数，获得轮胎三维接地性态。.垂向载荷、滚动速度、胎侧阻尼的增大会使接地性态指数和轮胎磨损分别增大，随着充气压力、带束层有效抗弯刚度的增大，将导致接地性态指数和轮胎磨损减小；随着带束层有效密度（轮胎质量）、带束层径向弹性常数（轮胎径向刚度）的增大，滚动阻力偏心距和接地压力非对称指数增大，轮胎磨损量减小；当三个接地关键指标变化趋势一致时（同时增或减），轮胎磨损趋势与其相同。.利用粒子群优化算法，基于接地性态参数以胎面磨损最小化为目标对轮胎进行了减磨优化。通过优化轮胎的物理结构参数，使轮胎平均磨损量由原胎的5.594mm下降到3.761mm，优化程度达到32.76%，发现优化过程中侧壁径向弹簧弹性常数、带束层径向弹簧参数、带束层有效抗弯刚度减小，带束层有效密度增大；最大接地压力与滚动阻力矩变化最剧烈，是影响轮胎磨损量的最主要因素，而接地长度则变化不明显，接地压力非对称性指数的跳跃性较大，对轮胎磨损量影响的规律性较弱。.设计和试制了轮胎多功能试验平台，可以完成包括轮胎三向静刚度测试、轮胎磨损试验以及轮胎滑移率实验等测试。.研究分别从理论和经验角度提出了两种轮胎接触界面动态耦合性态三维数学描述的表征方法，建立了接地性态与轮胎磨损的关系，一定程度上缩减了描述轮胎磨损的耦合参数，丰富了轮胎磨损建模方法，为轮胎磨损控制提供一种新的思路，可以为轮胎的减磨增寿提供借鉴，有较好的理论和潜在应用价值。