[01341915]车辆多元体结构冬季轮胎冰雪路面摩擦特性及抗滑机理研究

本课题来源于黑龙江省自然科学基金面上项目（E2015025）。高抗滑性是冬季轮胎安全使用的重要性能,冰雪路面轮胎橡胶的摩擦特性及抗滑机理是目前的研究热点。现有研究主要是通过胎面材料改性及胎面花纹设计技术来提高轮胎冰雪路面的起动性、制动性及侧滑性,但是无论采用哪种技术,冬季轮胎在使用过程中,还经常会出现如车轮起动牵引力不足打滑或空转、制动距离过大、转弯侧滑及方向跑偏严重等一些问题,引发交通拥堵甚至交通事故。当然除了一些驾驶操纵行为以外,究其根本原因是轮胎胎面采用单一均质橡胶复合材料,其不能很好地协调冬季轮胎的多工况行驶性要求（如非冰雪路面和冰雪路面的差异、制动抗滑与起动性能提高对轮胎要求的差异、加速性和防侧滑性提高对轮胎要求的差异等）,轮胎起动牵引性能、制动性能及防侧滑性能之间不均衡,为了提高轮胎综合行驶性能,即在冰雪路面能够充分发挥其起动性能、制动性能及防侧滑性能,仅仅依靠改变单一均质胎面的配方和花纹结构是很难实现的,因为单一均质胎面胶的材料不能同时在起动、制动及侧滑运动状态时充分发挥其最佳性能,势必会造成某些运动状态失常。 为此,本课题通过胎面胶的各种物理机械力学性能的测试,建立胎面摩擦特性与胎面胶材料性能的相关性,指导优化设计不同功能的胎面胶单元体;依据已建立的摩擦特性和胎面材料性能之间的相关性,优化设计并分别制备在冰雪路面下有利于提高起动性、制动性及防测滑性的胎面胶单元体;采用人工神经网络中的BP算法,优化组合了有利于冰雪路面胎面起动、制动及防侧滑性能的多元体胎面结构,确定了胎面多元体的材料属性、几何形状、分布比例等;借鉴翻新轮胎的结构模型组成原理及轮胎平衡轮廓理论,构建了多元体轮胎的计算机几何模型、接触模型、有限元分析模型,进行了承载-变形、承载-接地、承载-应力、振动模态等数值模拟分析和试验测试研究,获得了多元体轮胎的承载力学特性,并与新轮胎进行对比分析;探讨了橡胶的摩擦特性、冰雪的摩擦特性、轮胎-冰雪路面的摩擦特性等,建立和优化了一套适用于提高冬季轮胎抗滑问题的、由基本理论、数学及力学模型构成的多元体橡胶复合材料高抗滑理论体系,已完成的研究成果及创新能够为汽车冬季高抗滑轮胎的研究奠定理论基础,将会推动冬季轮胎的应用性和安全使用性进一步发展,研究成果对于提高冰雪路面上轮胎的综合行驶性能和汽车行驶安全问题具有重要意义,对本学科的发展能够作出一定的贡献。研制的多元体抗滑轮胎,可有效提高冰雪路面轮胎的起动、制动和防侧滑等综合性能,未来经过生产工艺的进一步完善可以进行产品化,其应用前景、经济效益和社会效益是不可估量的。 同时,车辆轮胎与冰雪路面的相互摩擦是一个复杂的三重非线性问题,对于冰雪路面的轮胎摩擦特性及冬季轮胎的抗滑理论,还有很多问题需要深入研究解决,要进一步建立更接近实际的冰雪路面的轮胎摩擦力学模型;本研究所构建的仿真及试验平台还需要针对其他多种型号的轮胎进行进一步验证,轮胎与冰雪路面摩擦问题的研究是一个系统、庞大的工程,未来需要更多的研究经费投入保证研究成果的进一步完善。