Numerical modelling and experimental measurement of the temperature distribution in a rolling tire
Date
2015-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Rubber is the main component of the pneumatic tire. When rubber is put
under cyclic loading, like when a tire is rolled, heat is generated and stored in
the rubber, due to hysteresis. Heat stored in the tire is increased by factors
like under-inflation, overloading, speeding and defects in the tire. The heat
causes high temperatures in the tire due to the poor thermal conductivity of
rubber. When the temperature in the rubber increases to 185 °C, pyrolysis
and thermo-oxidation starts and can cause the tire to eventually explode.
A numerical model of a rolling passenger vehicle tire was developed to
calculate the temperature distribution inside the tire and analyse the effect
of different operating conditions on the temperature. Operating conditions
include loading, inflation pressure, rolling velocity and ambient temperature.
The tire was modelled by a single rubber type, using the Mooney-Rivlin material
model. The bead wire was modelled using an isotropic material model,
while the body and steel cord plies were modelled as rebars. The cavity, used
to inflate the tire, included the pressure increase due to the volume change,
when the tire is loaded.
The numerical model was validated using experimental data from tests
done on an actual tire. These tests included deformation and contact stress
analysis, as well as surface temperature measurements.
Numerical results showed an increase in temperature when the load, rolling
velocity and the ambient temperature were increased, as well as when the
inflation pressure was decreased. The trends of the numerical data matched the
trends of the experimental data. However, the values of the numerical model
were not consistent with the experimental data due to material properties from
literature being used to model the tire.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Rubber is die hoofkomponent in die pneumatiese band. As rubber onder ’n sikliese las geplaas word, soos wanneer ’n band rol, word hitte gegenereer en in die rubber gestoor as gevolg van histerese. Die hitte wat in die band gestoor word, word verhoog deur faktore soos lae inflasiedruk, hoë las, hoë rol snelhede en gebreke in die band. Die hitte veroorsaak hoë temperature in die band weens die swak termiese geleiding van rubber. As die temperatuur in die band hoër as 185 °C raak, vind piroliese en termo-oksidasie plaas en die band kan uiteindelik ontplof. ’n Numeriese model van ’n passasiersmotorband is ontwikkel om die temperatuurverspreiding te bepaal, asook om die effek van verskillende werkstoestande op die temperatuur te analiseer. Die band is gemodelleer met een tipe rubber en die Mooney-Rivlin materiaal-model is gebruik om die rubber te beskryf. Die spanrand van die band is deur ’n isotropiese materiaalmodel gemodelleer, terwyl die hoof- en staalkoordlae as bewapening gemodelleer is. Die holte wat gebruik word om die band op te blaas, neem die druk toename as gevolg van die verandering in volume in ag wanneer die band belas word. Die numeriese model was bekragtig met eksperimentele data wat deur toetse op ’n werklike band onttrek is. Die toetse sluit die volgende in: vervormingen kontakspanninganalises, asook temperature wat op die oppervlak van die band gemeet is. Die numeriese resultate toon ’n toename in temperatuur wanneer die las, rolsnelheid en omgewingstemperatuur verhoog word, asook waneer die inflasiedruk verlaag word. Die numeriese model se tendense stem ooreen met die eksperimentele data, maar die waardes van die numeriese model is nie in ooreenstemmig met die eksperimentele data nie. Die verskil is as gevolg van die materiaaleienskappe wat uit die literatuur geneem is.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Rubber is die hoofkomponent in die pneumatiese band. As rubber onder ’n sikliese las geplaas word, soos wanneer ’n band rol, word hitte gegenereer en in die rubber gestoor as gevolg van histerese. Die hitte wat in die band gestoor word, word verhoog deur faktore soos lae inflasiedruk, hoë las, hoë rol snelhede en gebreke in die band. Die hitte veroorsaak hoë temperature in die band weens die swak termiese geleiding van rubber. As die temperatuur in die band hoër as 185 °C raak, vind piroliese en termo-oksidasie plaas en die band kan uiteindelik ontplof. ’n Numeriese model van ’n passasiersmotorband is ontwikkel om die temperatuurverspreiding te bepaal, asook om die effek van verskillende werkstoestande op die temperatuur te analiseer. Die band is gemodelleer met een tipe rubber en die Mooney-Rivlin materiaal-model is gebruik om die rubber te beskryf. Die spanrand van die band is deur ’n isotropiese materiaalmodel gemodelleer, terwyl die hoof- en staalkoordlae as bewapening gemodelleer is. Die holte wat gebruik word om die band op te blaas, neem die druk toename as gevolg van die verandering in volume in ag wanneer die band belas word. Die numeriese model was bekragtig met eksperimentele data wat deur toetse op ’n werklike band onttrek is. Die toetse sluit die volgende in: vervormingen kontakspanninganalises, asook temperature wat op die oppervlak van die band gemeet is. Die numeriese resultate toon ’n toename in temperatuur wanneer die las, rolsnelheid en omgewingstemperatuur verhoog word, asook waneer die inflasiedruk verlaag word. Die numeriese model se tendense stem ooreen met die eksperimentele data, maar die waardes van die numeriese model is nie in ooreenstemmig met die eksperimentele data nie. Die verskil is as gevolg van die materiaaleienskappe wat uit die literatuur geneem is.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2015.
Keywords
Rolling tire -- Temperature distribution, Hysteresis loss, Numerical modelling, UCTD