شبیه‌سازی اصطکاک لاستیک با استفاده از رفتار گرانروکشسانی آن و مشخصه‌های زبری سطوح

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، بخش مهندسی پلیمر، صندوق پستی ۱۱۴-۱۴۱۱۵

چکیده

یکی از مهم­‌ترین عوامل مؤثر بر اصطکاک لاستیک، زبری سطح ساینده است که معین­‌کننده اندازه سطح تماس واقعی، توزیع فشار در ناحیه تماس بین لاستیک و سطح زبر و مقیاس­‌های درگیری مکانیکی بین سطح زبر و لاستیک با خواص گرانروکشسانی است. لزوم پیش‌­بینی ضریب اصطکاک لاستیک روی سطوح زبر برای کاربردهایی مانند کشانش تایر روی سطح جاده، منجر به ایجاد مدل­‌های فیزیکی مانند مدل Heinrich-Kluppel شده است. در این پژوهش، با شبیه‌­سازی اصطکاک لاستیک مقدار انطباق مدل Heinrich-Kluppel با نتایج تجربی بررسی شد و اثر تغییر معادلات گرانروکشسان در کارایی آن ارزیابی شد. بدین منظور از یک سو مشخصه­‌های ناهمواری سطوح زبر از طریق تحلیل فراکتال و رفتار گرانروکشسانی لاستیک پخت شده با آزمون تحلیل دینامیکی- مکانیکی- گرمایی اندازه‌­گیری شده و با استفاده از آنها ضریب اصطکاک از راه شبیه­‌سازی به کمک کدهای عددی محاسبه شد. همچنین، شبیه­‌سازی با جایگزینی معادلات گرانروکشسان ماکسول تعمیم یافته به‌جای معادله Zener در مدل اولیه اصلاح شد. از سوی دیگر، ضریب اصطکاک لاستیک روی همان سطوح زبر (چند نوع کاغذ سمباده) به کمک دستگاه اندازه­‌گیری ضریب اصطکاک در دانشگاه تربیت مدرس اندازه‌گیری و با نتایج به‌دست آمده از تحلیل عددی مقایسه شد. نتایج نشان داد، شبیه­‌سازی رایانه­‌ای ماهیت وابسته به بار عمودی و سرعت لغزش ضریب اصطکاک را به­‌خوبی پیش­بینی می­‌کند. به­‌کارگیری معادلات گرانروکشسانی ماکسول تعمیم‌‌­یافته توافق بین داده­‌های عددی و تجربی را در محدوده سرعت­‌های زیاد بهبود داد، جایی که مدل گرانروکشسان Zener قابلیت پیش‌­بینی روند ضریب اصطکاک را با سرعت از دست می­‌دهد. این محدوده از سرعت با سرعت لغزشی در ردپای تایر در حالت غلتش آن در شرایط کارکرد منطبق‌­تر است.

عنوان مقاله [English]

Simulation of Rubber Friction Using Viscoelastic Behavior of Rubber and Roughness Parameters of Surfaces

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Arab Bafrani
  • Mehdi Razzaghi-Kashani
Polymer Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

One of the most important factors that affect tire friction is surface roughness, which determines the size of the real contact area, real pressure distribution on the contact interface, and scales of mechanical engagement between viscoelastic rubber and a rough substrate. The need to predict coefficient of friction (COF) for rubber on rough surfaces for applications such as traction of tires on the road surfaces led to some physical models such as Heinrich-Kluppel’s model. The current study examines the applicability of the Heinrich-Kluppel model, using different viscoelastic representations, in numerical simulations of COF for rubber, and its agreement with the experimental results. For this purpose, roughness characteristics of the surfaces and viscoelastic properties of rubber were measured by fractal analysis and dynamic-mechanical-thermal analysis (DMTA), respectively. These data were employed in the numerical code to simulate COF for a rubber sample. The model was also modified by replacing the Zener viscoelastic representation in the original model with the generalized Maxwell viscoelastic representation. On the other hand, COF for rubber was measured on the same rough surface (different sand-papers) by an in-house friction tester, and results were compared with the numerical results. It was shown that computer simulation could predict the load and speed dependence of rubber friction very well. The application of the generalized Maxwell model improved agreement between the numerical and experimental results for high sliding speeds where the Zener viscoelastic model failed to predict the right trend in variation of COF with speed. This speed range was matched with the sliding velocities in the footprint of tire under rolling conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • rubber friction
  • viscoelastic properties
  • surface roughness
  • Heinrich-Kluppel's model
  • contact mechanics