一种橡胶磨耗量的表征方法技术

针对现有的橡胶磨耗分析方法没有考虑温度和摩擦能的影响，分析结构准确度不能满足实际应用的上述问题，本发明专利技术提供一种橡胶磨耗量的表征方法，步骤一：利用磨耗试验机进行橡胶的磨耗测试，构建橡胶磨耗的有限元模型，计算摩擦能，实验数据回归分析得到磨耗的摩擦能函数AE＝CEE

【技术实现步骤摘要】
一种橡胶磨耗量的表征方法
本专利技术属于橡胶制品设计分析
，涉及橡胶制品磨耗的本构关系、磨耗量的计算评价方法，尤其涉及橡胶主要制品轮胎的磨耗计算和优化方法。
技术介绍
轮胎是汽车的唯一接地部件，轮胎与地面的摩擦作用和力的传递提供了汽车运动所需各项力和力矩，汽车行驶过程中必然造成轮胎磨耗。轮胎的摩擦与磨耗影响了轮胎的寿命，同时影响着车辆行驶的安全性操控性、经济性及噪声等特性。因而成为汽车轮胎行业工程技术人员和相关专家学者的研究热点问题。轮胎是由橡胶和骨架材料钢丝/纤维多部件组成的结构体，轮胎的磨耗主要指与地面接触胎面胶的磨损。由于橡胶及其主要制品轮胎具有黏弹性、大变形、非线性特征，材料性能与应变、温度、频率，老化时间又强相关，其磨耗是一个相当复杂的过程。而轮胎的磨耗在橡胶磨耗的基础上同时还要考虑结构设计及其耐久性、路况等其它综合因素，则进一步加剧了研究的复杂性。尽管国内外学者对橡胶摩擦磨耗机理做了较多的研究，已获取了一些有价值的研究成果，然而这些成果大多是基于不同试验条件或不同的角度来展开的研究，更多的是停留在试验层面的研究，都有一定局限性，目前仍然缺乏系统的理论共识。主要表现在：(1)橡胶与磨面的摩擦接触是黏附、滑动二种状态并存，但没有适用的摩擦系数综合表达式。负荷、滑移速度、温度对橡胶磨耗综合影响及表征仍然是一大难题，对橡胶热力耦合磨耗的研究与表征还缺乏系统的理论成果。(2)橡胶材料的磨损率随着温度升高而增大已形成共识，但很少有实验来测试和描述磨耗对温度的依赖关系。橡胶轮在磨损运行过程中的温升，一方面来自于橡胶与接触面的摩擦生热，摩擦能只有极少的部分用于橡胶的磨蚀，摩擦能的耗散导致接触区域和橡胶轮自身的温升，国内外学者对此进行了较多研究，另一方面来自于橡胶轮自身滞后损失生热，对于轮胎来讲后者更为重要。因此，基于目前的研究理论，建立磨耗对角度、负荷、速度、温度多变量的综合表达式是十分困难的。目前的橡胶磨耗量表征方法，没有考虑温度和摩擦能的影响，其分析结果的准确度不能满足实际应用要求。
技术实现思路
针对现有的橡胶磨耗分析方法没有考虑温度和摩擦能的影响，分析结构准确度不能满足实际应用的上述问题，本专利技术提供一种橡胶磨耗量表征方法，通过对负荷、角度与磨耗的关系集中采用摩擦能来表征，根据WLF方程对温度、速度与磨耗量的影响集中采用温度来表征，建立了磨耗量(下文有时称磨损质量)与温度、摩擦能变量的综合表达式。本专利技术是对橡胶磨耗机理研究的一次创新，具有重要的科学价值。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种橡胶磨耗量的表征方法，包括以下步骤：步骤一：利用磨耗试验机进行橡胶的磨耗测试，构建橡胶磨耗的有限元模型，计算摩擦能，实验数据回归分析得到磨耗的摩擦能函数AE＝CEEm式中，AE为磨损质量，CE为材料常数，E为摩擦能，m为幂指数；步骤二：利用变温磨耗测试装置进行橡胶的变温磨耗测试，实验数据拟合得到表达橡胶磨耗与温度之间的关系的二次多项式AT＝aT2+bT+C式中，AT为磨损质量，T为橡胶轮温度，a、b、c为系数；步骤三：引入中间变量，令常温T0、恒定速度V0下的参考磨耗量为A0，E0为其对应的摩擦能，对步骤一及步骤二的公式进行整合和公式推导得到A＝CmEm(a1T2+a2T+a3)式中，A为磨损质量，Cm，a1、a2、a3为常数，其数值与橡胶材料配方和使用工况相关。进一步的，所述步骤一利用磨耗试验机进行橡胶的磨耗测试的具体方法为：采用LAT100磨耗试验机，对橡胶轮设定一定角度和负载，转盘带动橡胶轮按设定速度转动，红外扫描和测力传感器可以测试橡胶轮的纵向力、侧向力和表面温度，通过橡胶轮磨耗前后的质量差获得磨耗量。进一步的，所述步骤一构建橡胶磨耗的有限元模型的具体方法为：基于ABAQUS建立胶轮磨耗有限元模型，橡胶本构模型为线弹性，单元类型为CAX4R，每一截面单元数829，共74个截面，单元总数61346个，接触面砂轮盘为刚体，与胶轮的摩擦系数为0.40，磨损盘以角速度ω转动，带动胶轮旋转，负荷施加在胶轮中心。进一步的，所述步骤一摩擦能由以下方法得到：由模拟计算得到橡胶轮与磨损盘接触面内每个接触单元在平面内的纵向和横向两个剪切力分量，其表达式为式中，τ为剪切力，τeq＝μp，τeq为摩擦应力，μ为摩擦系数，P为接触法向力；为切向滑移速度；每个单元摩擦能的计算公式则表达为橡胶轮每旋转一周总的摩擦能的计算公式为式中，wi为接地各个单元的摩擦能，L为橡胶轮的周长，n为某一时刻接地单元的总数量；S＝0.5πφ2δ，Φ、δ、S分别为橡胶轮的直径、厚度、接地面积。进一步的，所述步骤二利用变温磨耗测试装置进行橡胶的变温磨耗测试的具体方法为：在胶轮上附加热电阻丝对橡胶轮进行加热，热电偶测量橡胶轮的加热温度并由温控仪表控制加热温度；在磨耗机上设置自动撒砂装置，减少人工撒砂带来的误差；磨耗橡胶条试样和胶轮采用低温硫化粘贴，以防止高温下胶料与支撑胶轮的滑脱。进一步的，所述步骤三公式推导过程为：令常温T0、恒定速度V0下的参考磨耗量为A0，E0为其对应的摩擦能，步骤一磨耗量对摩擦能的关系表达式写为式中，Arel为参考磨损质量；同理，步骤二磨耗量与温度关系的相对表达式写为式中，Krel为参考系数,AT、AT0分别是温度为T、T0时的磨损质量；考虑温度影响的橡胶磨耗模型表达式为A＝ArelKrel＝CmEm(a1T2+a2T+a3)将上式写成有限元节点的形式，则用于轮胎有限元力学分析的磨耗热力耦合模型表示为Aij＝＝CmEijm(a1Tij2+a2Tij+a3)式中，Aij、Eij、Tij分别为各个单元节点的磨耗量、摩擦能和温度，i、j为单元节点编号，i、j＝1,2,3……；m为幂指数，Cm，a1、a2、a3为常数，其数值与橡胶材料配方和使用工况相关。本专利技术是采用实际使用的轮胎胎面橡胶，对胎面橡胶磨耗热力学行为进行深入的试验与理论研究，主要创新性体现在：(1)利用磨耗试验，经过大量的实验测试及数据回归分析，研究磨耗与摩擦能的关系，得到了磨耗与摩擦能存在幂函数关系。对磨耗试验机进行了多工况的磨耗试验，用有限元模拟计算了不同工况的摩擦能，拟合并得到了磨耗对摩擦能的幂函数关系式及幂指数和关系常数。(2)将胶轮温控加热装置和自动撒砂装置与现有的阿克隆磨耗试验机组合，组装成变温磨耗测试装置，使测试更接近轮胎实际运行的状态，研究了温度对橡胶磨耗的影响规律，确立了温度对磨耗影响关系表达式。(3)高温下的磨耗可以用温度和摩擦能两个变量来集中表征，得到了含有温度及摩擦能变量的橡胶磨耗量计算方法。橡胶是粘弹性材料和热敏感材料，滞后生热导致材料各项性能发生很大变化，橡胶制品特别是主要制品轮胎存在魔三角问题，即磨耗、滚动阻力、湿滑三者存在矛盾，改善某一性能往往导致其它二项性能的劣化，这也是行业的国际难题，本专利技术对橡胶材料配方设计者综合考虑轮胎性能，提高耐磨性具有重要的指导作用。本专利技术含有温度及摩擦能变量的橡胶磨耗量表征方法，对轮胎结构设计具有十分重要的工程价值。轮胎接地压力分布及滑移导致摩擦能分布的差异，进而引起偏磨、异磨及总体不耐磨现象，轮胎的温度高不仅会导致滚动阻力和车辆油耗的增大，同时会导致磨耗的大幅增加，本专利技术的初衷就是用于磨耗的仿真分析，轮胎接地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种橡胶磨耗量的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用磨耗试验机进行橡胶的磨耗测试，构建橡胶磨耗的有限元模型，计算摩擦能，实验数据回归分析得到磨耗的摩擦能函数AE＝CEEm式中，AE为磨损质量，CE为材料常数，E为摩擦能，m为幂指数；步骤二：利用变温磨耗测试装置进行橡胶的变温磨耗测试，实验数据拟合得到表达橡胶磨耗与温度之间的关系的二次多项式AT＝aT2+bT+C式中，AT为磨损质量，T为橡胶轮温度，a、b、c为系数；步骤三：引入中间变量，令常温T0、恒定速度V0下的参考磨耗量为A0，E0为其对应的摩擦能，对步骤一及步骤二的公式进行整合和公式推导得到A＝CmEm(a1T2+a2T+a3)式中，A为磨损质量，Cm，a1、a2、a3为常数，其数值与橡胶材料配方和使用工况相关。

【技术特征摘要】
1.一种橡胶磨耗量的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用磨耗试验机进行橡胶的磨耗测试，构建橡胶磨耗的有限元模型，计算摩擦能，实验数据回归分析得到磨耗的摩擦能函数AE＝CEEm式中，AE为磨损质量，CE为材料常数，E为摩擦能，m为幂指数；步骤二：利用变温磨耗测试装置进行橡胶的变温磨耗测试，实验数据拟合得到表达橡胶磨耗与温度之间的关系的二次多项式AT＝aT2+bT+C式中，AT为磨损质量，T为橡胶轮温度，a、b、c为系数；步骤三：引入中间变量，令常温T0、恒定速度V0下的参考磨耗量为A0，E0为其对应的摩擦能，对步骤一及步骤二的公式进行整合和公式推导得到A＝CmEm(a1T2+a2T+a3)式中，A为磨损质量，Cm，a1、a2、a3为常数，其数值与橡胶材料配方和使用工况相关。2.根据权利要求1所述的橡胶磨耗量的表征方法，其特征在于，所述步骤一利用磨耗试验机进行橡胶的磨耗测试的具体方法为：采用LAT100磨耗试验机，对橡胶轮设定一定角度和负载，转盘带动橡胶轮按设定速度转动，红外扫描和测力传感器可以测试橡胶轮的纵向力、侧向力和表面温度，通过橡胶轮磨耗前后的质量差获得磨耗量。3.根据权利要求1所述的橡胶磨耗量的表征方法，其特征在于，所述步骤一构建橡胶磨耗的有限元模型的具体方法为：基于ABAQUS建立胶轮磨耗有限元模型，橡胶本构模型为线弹性，单元类型为CAX4R，每一截面单元数829，共74个截面，单元总数61346个，接触面砂轮盘为刚体，与胶轮的摩擦系数为0.40，磨损盘以角速度ω转动，带动胶轮旋转，负荷施加在胶轮中心。4.根据权利要求3所述的橡胶磨耗量的表征方法，其特征在于，所述步骤一摩擦能由以下方法得到：由模拟计算得到橡胶轮与磨损盘接触...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹海山，马连湘，王泽鹏，宋国君，宋君萍，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37