一种提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法及轮胎与流程

1.本发明属于轮胎设计领域，尤其涉及一种提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法及轮胎。


背景技术：

2.当车辆高速通过积水路面时，如果轮胎不能将积水及时排出，路面与轮胎间产生的动水压力将使二者逐渐脱离接触而使轮胎浮在水膜上，从而使轮胎接地力丧失，导致制动和操控性能失灵，进而严重威胁行车安全。据统计雨水路面所造成的交通事故致死率较高，因此，提高轮胎的抗水漂性能至关重要。
3.目前，提升轮胎抗水漂性能是通过改变花纹沟体积来实现的，由于轮胎性能间矛盾的存在，通常情况下某一性能的提升是以牺牲其他性能为代价的。相关研究表明，通过增加花纹沟体积提升1％的排水速度，会增加约2.4％的噪声，降低0.6％的操控性，增加0.4％的滚动阻力以及降低0.3％的磨损和干抓地性能。可见，传统的通过改变花纹沟体积提升轮胎抗水漂性能将会导致其他性能的降低。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述技术问题，提出一种不改变花纹沟体积的前提下提升轮胎抗水漂性能及降低轮胎噪音的轮胎花纹结构及轮胎。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，对主沟沟壁断面参数设置调整步骤，具体为，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，通过对主沟倒角角度和曲率半径调整建立花纹主沟断面倾斜结构设计模型，采用计算流体动力学方法对上述建立的各模型进行排水性分析。
7.在其中一些实施例中，对主沟底部沟槽参数设置调整步骤，具体为，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，通过调整主沟沟底的沟槽倾角、沟槽高度、顺流向沟槽间距等沟槽相关参数建立花纹主沟沟底沟槽结构设计模型，采用计算流体动力学方法对上述建立的各模型进行排水性分析。
8.在其中一些实施例中，对主沟沟壁断面主沟底部沟槽参数组合设置调整的步骤，具体为，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，对主沟倒角角度和曲率半径调整建立花纹主沟断面倾斜结构设计模型，然后在上述模型基础上调整主沟沟底的沟槽倾角、沟槽高度、顺流向沟槽间距等沟槽相关参数，得到轮胎花纹结构模型，采用计算流体动力学方法对上述建立的各模型进行排水性分析
9.在其中一些实施例中，花纹主沟底部曲率半径为2mm～5mm。
10.在其中一些实施例中，主沟倒角为倒圆角设计，其角度范围为10
°
～15
°
，其曲率半径范围为1.5mm～4.5mm。
11.在其中一些实施例中，沟槽倾角的取值范围为15
°
～60
°
，沟槽高度的取值范围为
0.2mm～0.6mm，顺流向沟槽间距的取值范围为1mm～10mm。
12.在其中一些实施例中，沟槽倾角为60
°
，沟槽高度为0.2mm，顺流向沟槽间距为10mm。
13.另一方面，本发明提供了一种轮胎，包括胎面，胎面上设置上述任一设计方法得到的轮胎花纹结构。
14.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
15.本发明通过对花纹纵沟沟壁进行倾斜设计，对花纹主沟沟壁进行倒角设计，在花纹沟侧壁和底部布置沟槽，能够降低流动阻力从而提升轮胎花纹的排水性能，且不会降低轮胎的其他性能。而且，倒圆角设计比切角设计降低流动阻力效果更好；将花纹主沟壁进行倒圆角设计和沟底布置沟槽设计组合降阻效果最好，降阻值接近于花纹主沟壁进行倒圆角设计降阻值与花纹沟底部布置沟槽设计降阻值的求和。
附图说明
16.图1为本发明实施例所提供的模型1主沟断面示意图；
17.图2为本发明实施例所提供的模型2倒切角设计主沟断面示意图；
18.图3为本发明实施例所提供的模型3倒圆角设计主沟断面示意图；
19.图4为本发明实施例所提供的模型1光滑主沟沟底断面结构示意图；
20.图5为本发明实施例所提供的模型4带有沟槽主沟沟底断面结构示意图；
21.图6为实施例1和对比例1噪音对比分析图。
具体实施方式
22.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.由于轮胎纵向花纹沟起主要排水作用，因此本发明以纵向花纹主沟为例，提出一种在不改变花纹沟体积的情况下，提升花纹沟排水能力、即提升抗水漂性能的设计方法，提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法包括轮胎花纹主沟壁断面结构设计步骤、轮胎花纹主沟底部沟槽设计步骤以及轮胎花纹主沟壁切角与花纹沟底沟沟槽组合设计步骤。
24.轮胎花纹主沟沟壁断面结构设计包括以下步骤：建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，通过对倒角角度和曲率半径调整建立花纹主沟断面倾斜结构设计模型，其中，花纹主沟沟底曲率半径为2mm～5mm，倒角为倒圆角设计，其角度范围为10
°
～15
°
，其曲率半径范围为1.5mm～4.5mm。采用计算流体动力学(computational fluid dynamics，cfd)方法对上述建立的各模型进行排水性即抗水漂性能分析。为充分反映滚动轮胎接地区花纹沟及胎肩轮廓的变形特征，在进行轮胎滑水cfd分析前，以轮胎有限元分析为基础，在abaqus中采用移动路面的方式实现轮胎滚动状态的有限元分析，提取接地区变形后的轮胎轮廓形状，以接地变形后的单个纵向花纹沟作为cfd分析对象。
25.下面结合具体的模型设计对轮胎花纹主沟沟壁断面结构设计步骤进行说明，建立轮胎花纹主沟模型，将主沟侧壁倾斜设置，与垂直轮胎胎面法线之间呈锐角，得到花纹主沟
断面倾斜结构设计的模型1；改变主沟侧壁与轮胎胎面直接连接关系，在二者连接处设置倒切角，得到花纹主沟断面倾斜倒切角设计的模型2；进一步改变主沟侧壁与轮胎胎面通过切角的连接关系，在二者连接处设置圆滑的倒圆角结构，得到花纹主沟断面倾斜倒圆角设计的模型3，当然，进一步，还可以通过改变倒角的角度、倒圆角的曲率半径得到其他模型，在此不再一一举例说明。
26.参考图1-图3，为了保证花纹沟体积不变，主沟壁倾斜设计两模型的花纹沟深与原模型的沟深稍小一点，由于花纹沟深度变化过大会影响操控、滚阻等其它性能，为了保证三个模型沟深相近，模型1设计沟壁断面倾斜角度即倒角为θ1＝10
°
，r1＝3mm，模型2设计沟壁倒切角相关参数θ2＝10
°
，l’1＝1.0mm，l’2＝2.0mm，r2＝3mm，模型3设计沟壁倒圆角相关参数θ3＝10
°
，l’3＝1.0mm，l’4＝2.0mm，r3＝3mm，r4＝3mm。
27.建立好模型后，采用计算流体动力学(computational fluid dynamics，cfd)方法对上述模型进行排水性分析，得到表1。具体根据以下判定标准：减阻率大于0，表明沟壁断面结构设计模型具有减阻效果，反之，减阻率小于0，表明沟壁断面结构设计模型不具有减阻效果，并且绝对值越大表明减阻或增阻效果越明显。其中，r、r’表示减阻率，cn1、cn2、cn3分别表示模型1、模型2和模型3的壁面阻力系数，fn1、fn2、fn3分别表示模型1、模型2和模型3表面的流动阻力，ρ表示流体密度；v表示来流速度；s表示垂直于来流方向的投影面积，相关计算公式为：
[0028][0029][0030]
表1不同速度下阻力及减阻率对比
[0031][0032][0033]
轮胎花纹主沟底部沟槽设计包括以下步骤：建立轮胎花纹主沟模型，通过调整沟槽倾角、沟槽高度、顺流向沟槽间距等沟槽相关参数建立花纹主沟断面结构设计模型，采用计算流体动力学(computational fluid dynamics，cfd)方法对上述建立的各模型进行排水性即抗水漂性能分析。上述设计步骤中，通过设置不同的主沟沟底沟槽倾斜角度β(
°
)、沟槽高度h(mm)、顺流向沟槽间距b(mm)等沟槽参数得到模型4。
[0034]
下面通过一个具体的例子来详细说明，参照表2所示参数，将每个因素选择4个水平，将模型1与模型4系列进行正交试验，得到表3所示试验结果。
[0035]
表2正交试验因素水平表
[0036][0037]
表3试验结果表
[0038][0039][0040]
根据表3的试验结果，建立极差分析表4，其中，分别表示第j列中不同水平所对应的试验结果的平均值，rj表示极差，通过rj的大小可以判断各因素对沟槽表面减阻效果影响的主次顺序。由表3可知，3个因素对沟槽表面减阻效果的影响主次因素为沟槽倾角＞沟槽高度＞顺流向沟槽间距其中沟槽倾角为沟槽所在平面与轮胎胎面轴向夹角，其取值范围为15
°
～60
°
，沟槽高度取值范围为0.2mm～0.6mm，顺流向沟槽间距取值范围为1mm～10mm。通过比较tij(1≤i≤4)的大小，可以确定各因素的最优水平，从表4中可以看出，当沟槽高度h＝0.2mm，沟槽倾角β＝60
°
，顺流向沟槽间距为b＝10mm，分别为各因素的最优值，减阻效果最优。
[0041]
表4试验结果极差分析表
[0042][0043]
与光滑主沟沟底断面倾斜结构设计的模型1相比，模型4中花纹主沟侧壁与沟底布置沟槽的断面结构设计能降低流动阻力，且当沟槽高度h＝0.2mm，沟槽倾角β＝60
°
，顺流向沟槽间距为b＝10mm时，减阻效果最优。
[0044]
提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法可采用轮胎花纹主沟壁切角与花纹沟底沟沟槽组合设计步骤，具体包括建立轮胎花纹主沟模型，通过对主沟沟壁进行倾斜倒角设计，对主沟沟壁和沟底进行布置沟槽设计，建立组合设计模型，进行排水性分析。上述设计步骤中，将花纹主沟断面倾斜倒圆角，且主沟沟底沟壁设置沟槽得到模型5，对花纹主沟断面倾斜、光滑主沟沟底结构设计的模型1与模型5进行不同速度下阻力及减阻率对比，结果如表5所示：
[0045]
表5模型1和模型5在不同速度下阻力及减阻率对比
[0046][0047]
由上表可以看出，在花纹沟体积不变的前提下，在花纹沟壁进行切角和沟底沟槽的断面设计能够降低流动阻力；随轮胎滚动速度的增加减阻率减小。
[0048]
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计，下面将以215/60r17规格制造工艺完全相同的光面胎为基础，结合具体实施例进行描述。
[0049]
实施例1：
[0050]
选择215/60r17规格的光面胎，在上述轮胎上雕刻4条主沟，其中主沟断面结构按照以下参数雕刻设计：
[0051]
参照附图3，主沟沟深h3＝7.3mm，主沟沟壁倒圆角角度θ3＝10
°
，尺寸l3’＝1.0mm，l4’＝2.0mm，r4＝3mm，沟槽高度h＝0.2mm，沟槽倾角β＝60
°
，顺流向沟槽间距为b＝10mm。
[0052]
其中，实施例1的主沟深度7.3mm比相同参数下光滑沟底轮胎的主沟深度7.5mm小，使实施例1的花纹沟体积与光滑沟底轮胎的花纹沟体积相同。
[0053]
对比例1：
[0054]
选择与实施例1制造工艺完全相同的215/60r17规格的光面胎，在上述轮胎上雕刻
4条主沟，其中主沟断面结构参数主沟沟深h3＝7.5mm，其他参数与实施例1相同。
[0055]
其中，对比例1主沟深度7.5mm与光滑沟底轮胎的主沟深度7.5mm相同，但对比例1的花纹沟体积变大。
[0056]
对实施例1和对比例1在不同速度下进行阻力及减阻率对比分析，结果如表6所示：
[0057]
表6实施例1和对比例1在不同速度下阻力及减阻率对比
[0058][0059]
由上表可以看出，对比例1比实施例1的降阻效果好
[0060]
按照《噪音测试方法dstc-wi-cps-015》，对实施例1和对比例1进行噪音对比分析，具体方法为，选择215/60r17规格制造工艺完全相同的光面胎，在轮胎a上雕刻4条主沟，主沟断面结构按照实施例1雕刻设计，在轮胎b上按照对比例1进行雕刻花纹主沟，然后轮胎a和轮胎b在半消音室进行噪音测试，测试结果如图6所示，可知对比例1与实施例1相比，噪音相对较大。
[0061]
根据iso28580标准测试，选择215/60r17规格制造工艺完全相同的光面胎，在轮胎c上雕刻4条主沟，主沟断面结构按照实施例1雕刻设计，在轮胎d上按照对比例1进行雕刻花纹主沟，然后轮胎c和轮胎d在速度80km/h、载荷5566.4n条件下进行滚阻测试，得到轮胎c的滚阻为7.74n/kn，轮胎d的滚阻为7.85n/kn，即对比例1与实施例1相比，滚阻增大。
[0062]
通过上述对实施例1和对比例1在降阻、噪音、滚阻等方面对比分析可以看出，虽然对比例1比实施例1降阻效果稍好，但是对噪音和滚阻其它性能产生了不利的影响，而实施例1结构既能满足提升抗水漂性能又能保证噪音、滚阻等其它性能。

技术特征：
1.一种提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，包括以下步骤，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，对主沟沟壁断面和主沟底部沟槽进行参数设置调整，得到轮胎花纹模型，进行排水性分析，得到轮胎花纹结构。2.根据权利要求1所述的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，对主沟沟壁断面参数设置调整步骤，具体为，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，通过对主沟倒角角度和曲率半径调整建立花纹主沟断面倾斜结构设计模型，采用计算流体动力学方法对上述建立的各模型进行排水性分析。3.根据权利要求1所述的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，对主沟底部沟槽参数设置调整步骤，具体为，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，通过调整主沟沟底的沟槽倾角、沟槽高度、顺流向沟槽间距等沟槽相关参数建立花纹主沟沟底沟槽结构设计模型，采用计算流体动力学方法对上述建立的各模型进行排水性分析。4.根据权利要求1所述的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，对主沟沟壁断面主沟底部沟槽参数组合设置调整的步骤，具体为，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，对主沟倒角角度和曲率半径调整建立花纹主沟断面倾斜结构设计模型，然后在上述模型基础上调整主沟沟底的沟槽倾角、沟槽高度、顺流向沟槽间距等沟槽相关参数，得到轮胎花纹结构模型，采用计算流体动力学方法对上述建立的各模型进行排水性分析。5.根据权利要求1所述的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，花纹主沟底部曲率半径为2mm～5mm。6.根据权利要求2所述的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，主沟倒角为倒圆角设计，其角度范围为10
°
～15
°
，其曲率半径范围为1.5mm～4.5mm。7.根据权利要求3所述的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，沟槽倾角的取值范围为15
°
～60
°
，沟槽高度的取值范围为0.2mm～0.6mm，顺流向沟槽间距的取值范围为1mm～10mm。8.根据权利要求7所述的提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法，其特征在于，沟槽倾角为60
°
，沟槽高度为0.2mm，顺流向沟槽间距为10mm。9.一种轮胎，包括胎面，其特征在于，胎面上设置上述1-8任一项所述的设计方法得到的轮胎花纹结构。

技术总结
本发明提出一种提升轮胎抗水漂性能的轮胎花纹设计方法及轮胎，属于轮胎设计领域，能够解决传统的通过改变花纹沟体积提升轮胎抗水漂性能而导致其他性能降低的问题。上述设计方法包括以下步骤，建立轮胎花纹主沟模型，在保证花纹沟体积不变的前提下，对主沟沟壁断面和主沟底部沟槽进行参数设置调整，得到轮胎花纹模型，进行排水性分析，得到轮胎花纹结构。采用本发明的轮胎花纹设计方法获得的轮胎花纹，降低流动阻力、提升轮胎抗水漂性能的同时降低轮胎噪音。轮胎噪音。轮胎噪音。


技术研发人员：黄娜 王君 曲宾建 徐超 尤鑫 叶烔昕 苏国庆 周兆刚
受保护的技术使用者：青岛双星轮胎工业有限公司
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/5/25