臧利國，王星宇，趙又群，尹榮棟，林 棻，趙振東

內(nèi)支撐安全輪胎零壓工況力學(xué)特性

臧利國1,2，王星宇1，趙又群2，尹榮棟1，林 棻2，趙振東1

（1.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，南京 211167；2. 南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

安全輪胎零壓力學(xué)特性是提升輪胎續(xù)駛性能、實現(xiàn)車輛爆胎穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)。為研究內(nèi)支撐安全輪胎的零壓力學(xué)特性，通過零壓工況負(fù)荷特性、側(cè)向力學(xué)特性及接地特性試驗，研究了不同負(fù)荷作用下內(nèi)支撐安全輪胎的徑向剛度、側(cè)向剛度及接地特征參數(shù)的變化規(guī)律，并與額定胎壓工況進(jìn)行了對比。研究表明內(nèi)支撐安全輪胎失壓后，徑向剛度表現(xiàn)為分段近似線性，在負(fù)荷小于負(fù)荷6 000 N時，其平均徑向剛度較額定胎壓工況降低了84.76%，在負(fù)荷大于拐點負(fù)荷時，其平均徑向剛度較額定胎壓工況增加283.34%；內(nèi)支撐安全輪胎在無明顯側(cè)滑區(qū)側(cè)向力與側(cè)向位移近似為線性，零壓側(cè)向剛度較額定胎壓工況增大9.92%，最大側(cè)向附著力降低24.41%；當(dāng)負(fù)荷達(dá)到一定數(shù)值時接地印痕面積基本保持不變，在胎肩和胎冠中心區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，胎面翹曲嚴(yán)重，接地壓力分布均勻性變差。研究結(jié)果為掌握零壓工況下內(nèi)支撐安全輪胎的力學(xué)特性，進(jìn)行車輛爆胎穩(wěn)定性控制提供理論基礎(chǔ)和參考。

車輛；力學(xué)特性；安全輪胎；內(nèi)支撐；零壓

0 引 言

為解決充氣輪胎的爆胎、刺扎、免備胎等問題，安全輪胎技術(shù)成為輪胎研發(fā)領(lǐng)域的重要課題[1-3]。內(nèi)支撐安全輪胎（Inserts Supporting Run-Flat Tire，ISRFT）是一種典型的基于充氣輪胎結(jié)構(gòu)的安全輪胎，它通過在輪輞上安裝輔助支撐體，再配備輪胎壓力檢測裝置共同組成內(nèi)支撐安全輪胎系統(tǒng)。由于該類型安全輪胎大多基于普通輪輞設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、零壓承載能力好等優(yōu)點，是一種極具發(fā)展前景的新型安全輪胎。采用傳統(tǒng)輔助內(nèi)支撐體的安全輪胎已經(jīng)在軍用越野車輛上得到了裝車應(yīng)用，輪胎泄氣后在不同路面和車速組合下可繼續(xù)行駛30 km[4]。

隨著車輛使用性能的提高，對內(nèi)支撐安全輪胎性能也提出了更高的要求。傳統(tǒng)輔助內(nèi)支撐體多采用金屬、橡膠等質(zhì)量較大的材料，造成了輪胎質(zhì)量大，零壓續(xù)駛生熱快、易脫圈碾胎、胎肩龜裂等問題，不能滿足車輛大負(fù)荷、高機(jī)動、長距離的行駛要求[5]。

此外，研究輪胎零壓力學(xué)特性建立爆胎模型，是對車輛進(jìn)行爆胎穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)[6-9]。由于在爆胎過程中輪胎壓力下降很快，測試整個過程中輪胎性能變化難度很大，因此一般通過測試輪胎爆胎前后的性能，將爆胎過程性能變化進(jìn)行線性化處理，進(jìn)而獲取輪胎爆胎過程的性能變化信息[10]。國內(nèi)外學(xué)者對輪胎爆胎后的性能進(jìn)行了大量理論和試驗研究。Wang等[11-13]利用改進(jìn)的三步控制器建立新的非線性控制方法，對低胎壓、零壓工況下的縱滑特性、側(cè)偏特性、側(cè)傾特性、徑向剛度、滾動阻力等性能進(jìn)行了分析，并通過仿真試驗證明，該方法實現(xiàn)了線性化和解耦控制，參數(shù)可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)確定，保證了跟蹤誤差的良好分離性能，能夠有效地處理爆胎后道路車輛的控制問題。除了通過研究輪胎爆胎提高車輛行駛穩(wěn)定性之外，隨著電動汽車的發(fā)展，Lu 等[14]提出采用車輪轉(zhuǎn)矩和垂直負(fù)荷協(xié)調(diào)分配控制進(jìn)行電動輪車輛的爆胎穩(wěn)定性控制。上述研究為掌握輪胎爆胎后的性能及進(jìn)行汽車爆胎穩(wěn)定性控制奠定了基礎(chǔ)，但已有研究大多針對傳統(tǒng)充氣輪胎，缺少對安全輪胎的相關(guān)研究。

內(nèi)支撐安全輪胎作為一種典型結(jié)構(gòu)的安全輪胎，其零壓力學(xué)特性是決定車輛續(xù)駛能力及爆胎穩(wěn)定的基礎(chǔ)。在零壓續(xù)駛工況下，支撐體與氣密層橡膠直接滑動接觸，與傳統(tǒng)充氣輪胎爆胎后的力學(xué)特性存在顯著的差異性。目前對內(nèi)支撐安全輪胎的零壓性能研究大多集中在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及性能上，對安全輪胎整體零壓工況性能研究較少[15]。

因此，為了提高內(nèi)支撐安全輪胎的零壓續(xù)駛能力，為爆胎穩(wěn)定性控制提供研究基礎(chǔ)，必須對輪胎零壓力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。本文通過零壓工況下的輪胎負(fù)荷特性、側(cè)向力學(xué)特性及接地特性試驗，研究輪胎力學(xué)特性參數(shù)在不同負(fù)荷下的變化規(guī)律。

1 安全輪胎結(jié)構(gòu)及續(xù)駛失效分析

從美國固特異輪胎公司最早介入安全輪胎技術(shù)研究，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，安全輪胎技術(shù)主要采用改進(jìn)充氣輪胎和采用非充氣結(jié)構(gòu)2條技術(shù)路線[16]。由于受材料、工藝、可靠性等技術(shù)的限制，非充氣輪胎目前應(yīng)用還不多，且主要應(yīng)用于低速、輕載的移動車輛[10]。

作為一種典型的充氣式安全輪胎，內(nèi)支撐安全輪胎在輪輞和輪胎組成的胎腔內(nèi)安裝輔助支撐體結(jié)構(gòu)。在正常行駛狀態(tài)下，輔助支撐體結(jié)構(gòu)不參與工作，輪胎特性和普通充氣輪胎基本一樣；當(dāng)輪胎爆胎或泄氣時，輔助支撐體支撐整車質(zhì)量，實現(xiàn)續(xù)駛功能。在零壓續(xù)駛工況下，輪胎緊箍于輪輞防止脫離，保證汽車在一定的速度范圍內(nèi)安全行駛。由于該類型安全輪胎具有結(jié)構(gòu)簡單、零壓承載能力強(qiáng)等優(yōu)點，國內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)及輪胎公司對其研究一直十分活躍。

法國米其林公司的胎唇垂直錨泊系統(tǒng)是一種典型的基于特制輪輞的內(nèi)支撐式防爆輪胎，德國大陸公司的CWS（Continental Wheel System，）其組成包括補(bǔ)強(qiáng)撓性胎圈、鋼絲補(bǔ)強(qiáng)橡膠支撐環(huán)（Conti Supporting Ring，CSR）、特制輪輞和輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）[17]。意大利倍耐力公司的整體組合膨脹泡沫輪胎是一種整體組合膨脹泡沫內(nèi)支撐輪胎，其基本結(jié)構(gòu)是在胎腔內(nèi)預(yù)置經(jīng)特殊工藝制成的丁基橡膠泡沫環(huán)[18-19]。以上都屬于內(nèi)支撐安全輪胎的典型結(jié)構(gòu)。圖1為課題組在某型越野車的零壓續(xù)駛試驗中得到的失效安全輪胎。

圖1 零壓續(xù)駛失效的內(nèi)支撐安全輪胎

由圖1可知，內(nèi)支撐安全輪胎的失效形式主要表現(xiàn)為胎肩與胎冠的斷裂、胎側(cè)的撕裂、輪胎與內(nèi)支撐體直接接觸區(qū)內(nèi)橡膠的磨損。內(nèi)支撐安全輪胎零壓續(xù)駛工況的力學(xué)特性比標(biāo)準(zhǔn)氣壓下更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為胎體大撓度變形顯著，胎面、地面和內(nèi)支撐體接觸復(fù)雜等，此外還具有顯著的力場與溫度場耦合特征[5]。因此，通過試驗研究內(nèi)支撐安全輪胎的零壓力學(xué)特性，可簡化研究過程、排除不確定性因素干擾，是掌握其零壓滾動機(jī)理的重要方法。

2 力學(xué)特性試驗

2.1 試驗設(shè)備與方法

內(nèi)支撐安全輪胎的零壓力學(xué)特性試驗在自主開發(fā)的輪胎力學(xué)特性試驗臺上進(jìn)行。輪胎力學(xué)特性試驗臺主要包括加載定位裝置、模擬地面平臺、力/位移傳感測試裝置、PLC控制柜等部件，如圖2a所示。內(nèi)支撐安全輪胎零壓負(fù)荷下的變形如圖2b所示。

通過設(shè)置輪胎力學(xué)特性試驗臺的加載模式和初始參數(shù)，可滿足分別或同時對不同姿態(tài)角下的輪胎施加垂直和水平力。試驗臺通過力傳感器實時采集負(fù)荷大小，通過光柵尺位移傳感器測量試驗中輪胎的下沉量和側(cè)向偏移量。PLC控制柜可實時采集加載過程中力和位移的變化情況，繪制力/位移變化關(guān)系曲線，并存儲試驗數(shù)據(jù)。模擬地面平臺通過沿輪胎軸向布置的導(dǎo)軌安裝在試驗臺底座上，在模擬地面平臺上放置采集接地印痕的壓感紙即可進(jìn)行不同負(fù)荷下的輪胎接地特性試驗。

圖2 輪胎力學(xué)特性試驗臺

為保證試驗數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，要確保輪胎力學(xué)特性試驗臺徑向加載方向與模擬地面平臺角度值為90°，徑向/側(cè)向力加載裝置能夠使負(fù)荷精確到滿量程的±1.0%。試驗前需對輪胎和設(shè)備進(jìn)行檢查，并清理輪胎表面的碎屑或其他污染物，避免影響接地印痕采集。將輪胎安裝到試驗臺架上進(jìn)行定位，在試驗開始前輪胎應(yīng)處于復(fù)位狀態(tài)（與地面脫離）。本試驗中所用內(nèi)支撐安全輪胎的規(guī)格型號為37×12.5R16.5，該型號輪胎額定胎壓為350 kPa，額定負(fù)荷為12 250 N，最大負(fù)荷為17 150 N，名義斷面寬度為317 mm。試驗前使用胎壓表測量胎壓。試驗條件和步驟參考輪胎相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法[20-21]。

將負(fù)荷特性、側(cè)向力學(xué)特性的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，計算相應(yīng)方向負(fù)荷作用下輪胎負(fù)荷與變形之間的關(guān)系，即可得到徑向剛度和側(cè)向剛度。

2.2 力學(xué)特性試驗

2.2.1 負(fù)荷特性試驗

輪胎力學(xué)特性中最基礎(chǔ)的就是負(fù)荷特性，其主要影響輪胎的剛度參數(shù)。在實際行駛過程中由于受多種因素的影響，輪胎剛度會發(fā)生變化，且具有各向異性的特征[22-23]。為了便于研究，往往采用靜態(tài)負(fù)荷特性試驗來近似獲取實際行駛中的輪胎剛度。根據(jù)試驗方案和操作方法，在零壓工況下對內(nèi)支撐安全輪胎進(jìn)行多組不同垂向載荷的負(fù)荷特性試驗。分析試驗結(jié)果可知，不同垂向載荷的輪胎負(fù)荷特性曲線具有相似性，故取近似半承載7 350 N和額定負(fù)載12 250 N的2種典型工況進(jìn)行分析。

2.2.2 側(cè)向力學(xué)特性試驗

汽車爆胎后輪胎側(cè)偏角和側(cè)偏剛度發(fā)生變化，產(chǎn)生附加的橫擺力矩，最終造成汽車側(cè)向失穩(wěn)，不當(dāng)?shù)鸟{駛操作甚至?xí)斐蓢?yán)重的側(cè)翻事故[6,10]。研究輪胎爆胎后的側(cè)向力學(xué)特性，是汽車爆胎穩(wěn)定性控制的重要組成部分。在爆胎工況下獲取動態(tài)的側(cè)向力學(xué)特性存在極大的危險性，為簡化研究采用靜態(tài)側(cè)向加載的方式分析內(nèi)支撐安全輪胎零壓側(cè)向力學(xué)特性。

設(shè)置輪胎力學(xué)特性試驗臺的加載模式為垂直和水平同時加載，并設(shè)定輪胎初始定位參數(shù)。為研究內(nèi)支撐安全輪胎在額定負(fù)荷范圍內(nèi)及超載負(fù)荷下的側(cè)向力學(xué)特性，以近似半承載的7 350 N為初始負(fù)荷，對其施加4組不同的等差垂向負(fù)荷，通過加載氣缸對模擬地面平臺施加側(cè)向力，可得到不同負(fù)荷作用下的輪胎側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線。

2.2.3 接地特性試驗

輪胎接地特性對抓地力、汽車的穩(wěn)定性控制等具有重要的意義[24-25]。相較于額定胎壓下的輪胎，在零壓續(xù)駛工況下內(nèi)支撐安全輪胎接地行為發(fā)生了較大的變化。除了胎面和地面之間的滾動變接觸，還增加了內(nèi)支撐體與輪胎內(nèi)側(cè)的滑動變接觸，且輪胎胎冠的承載區(qū)域也發(fā)生了改變。采用傳統(tǒng)輪胎理論模型已難以進(jìn)行內(nèi)支撐安全輪胎零壓接地特性的研究，因此進(jìn)行零壓接地試驗成為開展相關(guān)研究的重要途經(jīng)。

對內(nèi)支撐安全輪胎進(jìn)行零壓負(fù)荷特性試驗時，在模擬地面平臺上放置采集接地印痕的壓感紙即可得到相應(yīng)負(fù)荷下的接地印痕，壓感紙顏色的深淺可定性描述接地區(qū)域內(nèi)輪胎法向壓力的大小。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑向剛度

3.1.1 試驗結(jié)果

零壓工況下內(nèi)支撐安全輪胎下沉量與負(fù)荷關(guān)系曲線如圖3a所示。由圖可以看出，內(nèi)支撐安全輪胎2次不同的加載過程中下沉量與負(fù)荷變化關(guān)系曲線具有較好的一致性，說明輪胎負(fù)荷特性試驗可重復(fù)性、穩(wěn)定性較好。

內(nèi)支撐安全輪胎的下沉量與負(fù)荷變化關(guān)系曲線具有明顯的分段特性，曲線拐點負(fù)荷約為6 000 N。當(dāng)負(fù)荷小于6 000 N時，隨著負(fù)荷的增加，輪胎下沉量變大，兩者近似于線性關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷大于6 000 N時，隨著負(fù)荷的增加，輪胎下沉量增速明顯變緩，直至12 250 N的負(fù)荷范圍內(nèi)，下沉量變動范圍較小。在試驗過程中觀測可知，在0～6 000 N的負(fù)荷范圍內(nèi)，內(nèi)支撐安全輪胎主要依靠胎側(cè)的結(jié)構(gòu)性承載，當(dāng)大于6 000 N時，內(nèi)支撐體與輪胎內(nèi)側(cè)橡膠逐漸接觸，此時安全輪胎主要依靠內(nèi)支撐體承載。內(nèi)支撐體和胎側(cè)的剛度差異，是內(nèi)支撐安全輪胎的下沉量與負(fù)荷關(guān)系表現(xiàn)為分段特性的根本原因。

圖3 不同工況的下沉量與負(fù)荷關(guān)系曲線

為對比研究內(nèi)支撐安全輪胎在失壓后零壓負(fù)荷特性的變化規(guī)律，采用同樣的試驗方法在額定胎壓350 kPa工況下，進(jìn)行額定負(fù)荷加載試驗，得到額定胎壓工況下的下沉量與負(fù)荷關(guān)系曲線如圖3b所示。由圖可知，在額定胎壓工況下，隨著垂向負(fù)荷的增加，內(nèi)支撐安全輪胎的下沉量逐漸增加，且下沉量與負(fù)荷變化關(guān)系曲線近似為線性。在額定胎壓工況下，內(nèi)支撐體未參與承載的整個額定負(fù)荷范圍內(nèi)，輪胎負(fù)荷與下沉量表現(xiàn)為近似的線性關(guān)系，與零壓工況下小于6 000 N的負(fù)荷特性具有相似性。

3.1.2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

以6 000 N為拐點，分別計算內(nèi)支撐安全輪胎的下沉量與負(fù)荷變化關(guān)系曲線的分段試驗數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，其中小于6 000 N的曲線段相關(guān)系數(shù)和校正決定系數(shù)分別為0.979和0.954，大于6 000 N的曲線段相關(guān)系數(shù)和校正決定系數(shù)分別為0.993和0.984。由計算結(jié)果可知2個曲線段的相關(guān)系數(shù)和校正決定系數(shù)都接近于1，內(nèi)支撐安全輪胎零壓負(fù)荷特性曲線表現(xiàn)為分段近似為線性，其中負(fù)荷大于6 000 N的曲線段具有更好的擬合優(yōu)度。采用同樣的數(shù)據(jù)處理方法，計算得到內(nèi)支撐安全輪胎額定胎壓工況下的試驗擬合參數(shù)，相關(guān)系數(shù)和校正決定系數(shù)分別為0.999和0.999，具有較好的線性擬合優(yōu)度，且比任何一段零壓負(fù)荷特性曲線都具有較優(yōu)的線性擬合優(yōu)度。分析結(jié)果表明，由于零壓工況下內(nèi)支撐體與輪胎內(nèi)側(cè)橡膠接觸受力、胎側(cè)的大撓度變形等因素，較額定胎壓工況下的負(fù)荷特性，內(nèi)支撐安全輪胎零壓負(fù)荷特性表現(xiàn)為顯著的分段特性和更多的非線性特征。

除了相關(guān)系數(shù)和校正決定系數(shù)，基于線性回歸法還可計算出在零壓工況下2個分段區(qū)間的輪胎平均徑向剛度，其中小于6 000 N的曲線段為平均徑向剛度為59.17 N/mm，大于6 000 N的曲線段為平均徑向剛度為1 488.68 N/mm。同樣可計算出額定胎壓工況下內(nèi)支撐安全輪胎的平均徑向剛度為388.34 N/mm。

由上述計算結(jié)果分析可知，在零壓工況下，內(nèi)支撐體參與承載后（對應(yīng)于圖3a大于6 000 N的負(fù)荷范圍），內(nèi)支撐安全輪胎平均徑向剛度顯著增大，增大至內(nèi)支撐體參與承載前輪胎平均徑向剛度的25.16倍，同時較額定胎壓工況下的輪胎平均徑向剛度增加283.34%；當(dāng)內(nèi)支撐安全輪胎由額定胎壓變化至零壓時，因輪胎失壓造成滾動半徑減小的同時，輪胎徑向剛度也顯著降低，降幅達(dá)84.76%。通常情況下，內(nèi)支撐安全輪胎的承載大于胎側(cè)的結(jié)構(gòu)性承載限值，因此在零壓續(xù)駛工況下，內(nèi)支撐安全輪胎的徑向剛度顯著增大是造成整車平順性惡化的重要因素。

3.2 側(cè)向剛度

3.2.1 試驗結(jié)果

零壓工況不同負(fù)荷作用下的輪胎側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線，如圖4a所示。由圖可以看出，當(dāng)側(cè)向力小于2 000 N時，4組不同的輪胎側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線具有較好的一致性，說明輪胎側(cè)向力學(xué)特性試驗可重復(fù)性較好，且輪胎力學(xué)特性試驗臺具有良好的穩(wěn)定性。

根據(jù)試驗結(jié)果將側(cè)向位移量變動較小的曲線段，定義為無明顯側(cè)滑區(qū)。當(dāng)側(cè)向力增加到某一數(shù)值，即在側(cè)向位移急劇變大的拐點處，輪胎將發(fā)生明顯的側(cè)滑，將該點之后的曲線段定義為明顯側(cè)滑區(qū)；將無明顯側(cè)滑區(qū)和側(cè)滑拐點之間曲線段定義為側(cè)滑過渡區(qū)。在側(cè)滑過渡區(qū)內(nèi)，隨著側(cè)向負(fù)荷的增加，側(cè)向滑移逐漸增大。

此外，對比不同組的輪胎側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線，可知隨著垂向負(fù)荷的增大，輪胎發(fā)生明顯側(cè)滑的側(cè)向力也相應(yīng)增大；在零壓工況額定負(fù)荷作用下輪胎發(fā)生明顯側(cè)滑的側(cè)向力約為4 800 N。在額定負(fù)荷12 250 N時，輪胎與地面達(dá)到最佳附著條件，發(fā)生明顯側(cè)滑對應(yīng)的側(cè)向力也達(dá)到最大值，即在此負(fù)荷下輪胎具有較好的附著性能，側(cè)向承載能力較強(qiáng)。當(dāng)超過額定負(fù)荷時，胎面變形嚴(yán)重，與地面附著變差，因此相應(yīng)的側(cè)向承載力也減小。該規(guī)律與額定氣壓下輪胎與地面的附著規(guī)律具有相似性，這也是輪胎長期超載使用容易局部磨損的原因之一[24]。

采用同樣的試驗方法在額定胎壓、額定垂向負(fù)荷的工況下，進(jìn)行側(cè)向加載試驗，得到側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線如圖4b所示。由圖可知，在額定胎壓工況下，隨著側(cè)向力的增加，內(nèi)支撐安全輪胎的側(cè)向位移逐漸增加，且兩者變化關(guān)系曲線近似為線性。

圖4 不同工況的側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線

3.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)內(nèi)支撐安全輪胎側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線圖4a可知，在無明顯側(cè)滑區(qū)，側(cè)向力與側(cè)向位移關(guān)系曲線近似為線性關(guān)系，在側(cè)滑過渡區(qū)和明顯側(cè)滑區(qū)則表現(xiàn)為非線性特性。對內(nèi)支撐安全輪胎零壓側(cè)向力學(xué)特性曲線無明顯側(cè)滑區(qū)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，計算相關(guān)系數(shù)和校正決定系數(shù)分別為0.983和0.964。對額定胎壓工況下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，計算相關(guān)系數(shù)和校正決定系數(shù)分別為0.998和0.997，較零壓工況下的參數(shù)進(jìn)行對比，額定胎壓工況下輪胎的側(cè)向力學(xué)特性具有更好的線性擬合優(yōu)度。

基于線性回歸法計算出在零壓工況額定負(fù)荷作用下，無明顯側(cè)滑區(qū)的輪胎平均側(cè)向剛度為182.53 N/mm。采用同樣的方法，可計算出圖4b在額定胎壓額定垂向負(fù)荷作用下輪胎的平均側(cè)向剛度為166.06 N/mm。當(dāng)內(nèi)支撐安全輪胎由額定胎壓變化至零壓時，因輪胎失壓造成側(cè)向剛度增大，增幅9.92%。

此外對比在額定垂向負(fù)荷12 250 N作用下，額定胎壓和零壓2種工況下發(fā)生明顯側(cè)滑的側(cè)向力的大小，其中如圖4b所示額定胎壓工況的側(cè)向力約為6 350 N，零壓工況的側(cè)向力約為4 800 N。由此可知，輪胎因失壓造成側(cè)向剛度增大的同時，側(cè)向附著力卻顯著降低，降幅達(dá)24.41%。輪胎發(fā)生爆胎后側(cè)向附著力顯著降低，這也是爆胎車輛容易發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)的重要原因之一。

3.3 接地特征參數(shù)

3.3.1 試驗結(jié)果

內(nèi)支撐安全輪胎不同垂向負(fù)荷下的接地印痕如圖5所示。由圖可知，在不同負(fù)荷下內(nèi)支撐安全輪胎的接地印痕整體輪廓較為類似，其形狀均近似為矩形。隨著負(fù)載的增加，接地印痕的長度和寬度變化不明顯。由圖中壓感紙顏色的深淺分布可知，內(nèi)支撐安全輪胎胎面接地區(qū)域中兩側(cè)胎肩處印痕顏色較其周圍更深，呈現(xiàn)條狀分布，且整個接地區(qū)域內(nèi)，存在明顯的折皺現(xiàn)象。由上述負(fù)荷特性試驗結(jié)果可知，如圖3a所示在徑向負(fù)荷大于6 000 N時，內(nèi)支撐體與輪胎內(nèi)側(cè)橡膠已經(jīng)接觸，除了內(nèi)支撐體的支撐作用外，胎側(cè)也承擔(dān)了部分徑向負(fù)荷，且此時胎側(cè)的變形已達(dá)到最大值。對比4組不同負(fù)荷下的接地印痕可知，隨著負(fù)荷的增加，與內(nèi)支撐接觸區(qū)域的胎冠接地印痕逐漸變深，即內(nèi)支撐承擔(dān)的輪胎負(fù)荷逐漸增大，成為承載的主要結(jié)構(gòu)。

注：X軸為接地印痕的縱向，即輪胎滾動行駛的方向；Y軸為接地印痕的切向，即垂直于輪胎滾動行駛的方向；W為接地印痕寬度，mm；L為接地印痕長度，mm。

此外由試驗中壓感紙的皺曲變形也可看出，在接地區(qū)域內(nèi)安全輪胎除了法向作用力外，還存在復(fù)雜的切向力和縱向力。

3.3.2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)零壓工況下內(nèi)支撐安全輪胎的接地印痕確定邊界，并計算相應(yīng)的接地壓力分布參數(shù)如表1所示。

注：=·，mm2;=/，kPa。

Note:=·, mm2;, kPa.

由表1可知在零壓工況內(nèi)支撐安全輪胎不同負(fù)荷下的接地印痕寬度基本保持不變，當(dāng)負(fù)荷增大至9 800 N以后，接地印痕長度、寬度以及接地面積均維持不變，這一點與輪胎額定胎壓工況下表現(xiàn)出明顯的差異性。在額定胎壓工況，隨著負(fù)荷的增加，輪胎接地印痕沿寬度和長度方向有不同程度的擴(kuò)展，接地面積逐漸變大，接地印跡的形狀近似為橢圓，隨著負(fù)荷的增加，接地印跡中間部分為矩形，兩端部分是弧形[21]。

隨著負(fù)荷的增加，平均接地壓力逐漸增大。根據(jù)上述零壓接地印痕分布可知，隨著負(fù)荷的增加，整個接地區(qū)域內(nèi)壓力分布的均勻性變差，尤其是在胎肩和胎冠中心區(qū)域會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。這是造成圖1所示胎肩與胎冠的斷裂、輪胎與內(nèi)支撐體直接接觸區(qū)橡膠的磨損等失效形式的主要原因。

為了進(jìn)一步分析內(nèi)支撐安全輪胎零壓接地特性，以負(fù)荷為9 800 N時接地印痕圖為例，分析接地印痕分布特征，如圖6所示。由圖可知，在內(nèi)支撐安全輪胎兩側(cè)胎肩處接地印痕顏色較深，表明胎肩是重要的承載結(jié)構(gòu)。此外，內(nèi)支撐體與輪胎內(nèi)側(cè)接觸成為零壓工況下胎面的主要承載區(qū)域。沿接地印痕的縱向分布邊界可清晰觀測到胎面的切向滑移，接地印痕也存在明顯的折皺現(xiàn)象，其中接地印痕中間位置切向滑移量最大，即此時輪胎胎面已經(jīng)發(fā)生翹曲現(xiàn)象，接地區(qū)域內(nèi)壓力分布的均勻性變差。

由研究可知，較額定胎壓工況內(nèi)支撐安全輪胎的零壓胎面翹曲更為顯著，接地區(qū)域內(nèi)壓力分布的均勻性變差。這也是車輛爆胎之后導(dǎo)致輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力改變，進(jìn)一步引起快速失效的原因。

4 結(jié) 論

1）內(nèi)支撐安全輪胎的零壓負(fù)荷特性具有顯著的分段線性特征，曲線拐點負(fù)荷對應(yīng)內(nèi)支撐體與輪胎內(nèi)側(cè)接觸時的負(fù)荷。在負(fù)荷小于拐點負(fù)荷6 000 N時，輪胎主要依靠胎側(cè)承載，其徑向剛度較額定胎壓工況減小84.76%；當(dāng)負(fù)荷大于6 000 N時，輪胎主要依靠內(nèi)支撐體承載，其徑向剛度較額定胎壓工況增加283.34%。

2）內(nèi)支撐安全輪胎的零壓側(cè)向力學(xué)特性由無明顯側(cè)滑區(qū)、過渡區(qū)和明顯側(cè)滑區(qū)組成。在無明顯側(cè)滑區(qū)，側(cè)向力與側(cè)向位移近似為線性，其他區(qū)段具有顯著的非線性特征。在額定負(fù)荷范圍內(nèi)，隨著負(fù)荷的增大發(fā)生明顯側(cè)滑的側(cè)向力增大，側(cè)向力最大值約為4 800 N，超過額定負(fù)荷輪胎側(cè)向附著性能變差。在無明顯側(cè)滑區(qū)內(nèi)支撐安全輪胎的零壓側(cè)向剛度較額定胎壓工況增大9.92%，最大側(cè)向附著力降低24.41%。

3）內(nèi)支撐安全輪胎的零壓接地印痕形狀近似為矩形，當(dāng)負(fù)荷增大至9 800 N，接地印痕形狀維持不變；兩側(cè)胎肩、內(nèi)支撐體接觸的胎冠中心成為輪胎的主要承載區(qū)，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，胎面翹曲嚴(yán)重，接地壓力分布均勻性變差。

本研究主要從內(nèi)支撐安全輪胎的零壓負(fù)荷特性、側(cè)向剛度特性和接地特性3個方面進(jìn)行了試驗研究和分析，未考慮輪胎的縱向滑動及縱向剛度。在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步對縱向剛度及多方向耦合剛度進(jìn)行探討，并研究力學(xué)特性變化對輪胎失效的影響機(jī)理。

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Mechanical characteristics of inserts supporting run-flat tire under zero-pressure conditions

Zang Liguo1,2, Wang Xingyu1, Zhao Youqun2, Yin Rongdong1, Lin Fen2, Zhao Zhendong1

(1.School of Automotive and Rail Transit, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China;2. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Mechanical characteristics of run-flat tire under zero-pressure conditions are the basis of improving the driving performance of tire and realizing the stability control of vehicle blowout. Insert supporting run flat tire (ISRFT) is a typical safety tire based on pneumatic tire structure. As this type of safety tire has the advantages of simple structure, convenient disassembly and good zero pressure bearing capacity, it has become a new type of safety tire with great development prospect. With the improvement of vehicle performance, the performance of insert supporting run flat tire is also put forward higher requirements. The traditional insert structure is made of heavy materials such as metal and rubber, which has the problems of heat generation, shoulder cracking and so on. It can not meet the requirements of heavy load, high mobility and long-distance driving. Mechanical characteristics of inserts supporting run-flat tire is investigated in order to improve driving performance under zero pressure. Based on the tests of zero pressure load characteristics, lateral mechanical characteristics and tire grounding characteristics, the law of mechanical characteristics parameters of inserts supporting run-flat tire under different loads was studied. The mechanical characteristics parameters under zero pressure and rated tire pressure were comparatively analyzed. In addition, combined with the damage form of zero pressure driving failure, the mechanical characteristics of tire were analyzed. The results showed that the radial stiffness of the inserts supporting run-flat tire was approximately linear after the pressure loss, and the radial stiffness increased significantly after the insert takes part in the load-bearing. When there was no obvious sideslip, the lateral stiffness increases and the lateral adhesion decreases. When the load reached a certain value, the area of the tire's grounding footprint basically remained unchanged. In the center of shoulder and crown of tire, stress concentration appeared. At this time, the tread warpage was serious, and the uniformity of the ground pressure distribution was poor. When the load was less than 6 000 N, the tire mainly depended on the structural load of the sidewall, and its radial stiffness was 84.76% lower than that under the rated tire pressure condition. When the load was more than 6 000 N, the tire mainly depended on the insert, and the radial stiffness of the tire increased significantly, which was 283.34% higher than that under the rated tire pressure condition. The lateral stiffness characteristic curve consisted of the zone without obvious side slip, transition zone and obvious slip zone under zero pressure. In the region without obvious side slip, the relationship between lateral force and lateral displacement was approximately linear, while in the region of transition and obvious side slip, it was nonlinear. The average lateral stiffness of the tire without obvious sideslip area was 9.92% higher than that of the tire with rated tire pressure. The warpage of tire tread and the variation of uniformity of ground pressure distribution were more significant than those under rated tire pressure condition. When the load increases to 9 800 N, the length, width and area of the grounding footprint remained unchanged. The shoulder on both sides and the crown corresponding to the contact of the insert became the main bearing area of the tire.

vehicle; mechanical characteristics; run-flat tire; inserts supporting; zero-pressure

臧利國，王星宇，趙又群，等. 內(nèi)支撐安全輪胎零壓工況力學(xué)特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(15)：80-86.doi10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.010 http://www.tcsae.org

Zang Liguo, Wang Xingyu, Zhao Youqun, et al. Mechanical characteristics of inserts supporting run-flat tire under zero-pressure conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 80-86. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.010 http://www.tcsae.org

2020-02-13

2020-06-28

國家自然科學(xué)基金（51605215）；中國博士后科學(xué)基金（2018M630593，2019T120450）；江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”（蘇教師2019[3]號）；南京工程學(xué)院科研基金項目（CKJA201906）

臧利國，博士，副教授，主要從事車輛安全輪胎理論與技術(shù)研究。Email：zangliguo1102503@nuaa.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.010

U461.6

A

1002-6819(2020)-15-0080-07