發(fā)布時(shí)間：2020-12-31所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了對機(jī)械彈性車輪在直線行駛工況下承受因路面不平而產(chǎn)生的隨機(jī)載荷所能達(dá)到的最大行駛里程進(jìn)行預(yù)測，對其耐久性進(jìn)行了研究。結(jié)合車輪的結(jié)構(gòu)特性，建立用于耐久性研究的有限元模型。在考慮路面不平度的基礎(chǔ)上，確定車速與車輪動載荷、動載系數(shù)的關(guān)系
摘要：為了對機(jī)械彈性車輪在直線行駛工況下承受因路面不平而產(chǎn)生的隨機(jī)載荷所能達(dá)到的最大行駛里程進(jìn)行預(yù)測，對其耐久性進(jìn)行了研究。結(jié)合車輪的結(jié)構(gòu)特性，建立用于耐久性研究的有限元模型。在考慮路面不平度的基礎(chǔ)上，確定車速與車輪動載荷、動載系數(shù)的關(guān)系，并以等效循環(huán)載荷加載至車輪。基于疲勞損傷理論和疲勞試驗(yàn)方法，利用Fe-safe對車輪的耐久性進(jìn)行預(yù)測，最大行駛里程為8787km。再對危險(xiǎn)零部件卡環(huán)進(jìn)行熱力耦合耐久性分析，最小壽命位置為中間銷耳處，最大行駛里程為5258km。
關(guān)鍵詞：機(jī)械彈性車輪;耐久性;有限元分析;熱力耦合;隨機(jī)載荷
0引言
車輪和輪胎是汽車行駛系統(tǒng)中的重要組成部件，是汽車與地面接觸的唯一媒介，起到支撐載荷，向地面?zhèn)鬟f制動力、驅(qū)動力和轉(zhuǎn)向力，緩沖減振以及保證轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性等作用。此外，輪胎還具有安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等要求，而其中安全性尤為重要。輪胎要承受來自不平路面的激勵(lì)，可能遭遇穿孔、爆胎等情況，為適應(yīng)現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展需要，安全車輪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
米其林公司開發(fā)了集成輪胎和輪轂的組合體“Tweel”[1]、[2]，ResilientTechnologies公司開發(fā)了蜂窩結(jié)構(gòu)的非充氣安全車輪[3]，韓泰公司研制了非充氣輪胎iFlex[4]，南京航空航天大學(xué)趙又群教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種采用懸轂結(jié)構(gòu)的全新非充氣安全輪胎——“機(jī)械彈性安全車輪”[5]、[6]。
車輛的行駛相當(dāng)于對車輪施加循環(huán)加載，這會引起車輪材料發(fā)生漸進(jìn)和局部結(jié)構(gòu)損壞[7]、[8]。ErcanS[9]利用有限元分析法研究了商用車鋼輪在動態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)中的通風(fēng)孔上產(chǎn)生疲勞失效的起因，并確定了預(yù)期疲勞失效的應(yīng)力集中區(qū)域。劉獻(xiàn)棟等[10]提出了一種精確度較高的評估商用車車輪疲勞壽命的方法，并利用雙軸車輪試驗(yàn)和疲勞壽命估算進(jìn)行了仿真分析。ZhaoY等[11]提出利用對輕合金車輪試件的數(shù)值模擬研究，來估算平面應(yīng)力條件下轉(zhuǎn)彎疲勞試驗(yàn)中客車車輪的疲勞壽命。郝琪等[12]以有限元分析的應(yīng)力值為基本參數(shù)，分別采用名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、疲勞分析軟件Fe-Safe預(yù)測了車輪的疲勞壽命。
將循環(huán)載荷加載至車輪中心進(jìn)行壽命預(yù)測是現(xiàn)階段研究機(jī)械彈性車輪耐久性的主要方法[13]，本文在此基礎(chǔ)上，通過確定車速與車輪動載荷、動載系數(shù)的關(guān)系，以等效循環(huán)載荷代替隨機(jī)載荷進(jìn)行耐久性加載試驗(yàn)。為了提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，對車輪的危險(xiǎn)零部件進(jìn)行熱力耦合分析，仿真計(jì)算得到最小壽命位置，為機(jī)械彈性車輪整體結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵零部件的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
1機(jī)械彈性車輪結(jié)構(gòu)
區(qū)別于傳統(tǒng)充氣車輪的結(jié)構(gòu)，機(jī)械彈性車輪的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由輮輪、懸轂、銷軸、鉸鏈組、彈性環(huán)、卡環(huán)等部件構(gòu)成[14]、[15]。
機(jī)械彈性車輪的胎圈外部嵌入了硫化的簾線層，由橡膠層包裹在其內(nèi)的彈性環(huán)以及卡環(huán)組成了輮輪，輮輪內(nèi)無充氣結(jié)構(gòu)。車輪的胎圈內(nèi)部是車輪的骨架結(jié)構(gòu)，由多組卡環(huán)等角度圓周分布，卡環(huán)將5束彈性環(huán)鎖卡在一起，構(gòu)成彈簧鋼圈整體，如圖2所示。
懸轂通過多組鉸鏈組安置于車輪的中心。為了匹配機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)需求，懸轂的構(gòu)造與傳統(tǒng)充氣胎的輪轂不同，除了與半軸匹配安裝的安裝孔外，懸轂周圍還分布了與鉸鏈組匹配安裝的安裝孔，數(shù)目與鉸鏈組數(shù)目相同。
鉸鏈組由三節(jié)鉸鏈組成，每節(jié)鉸鏈均可以沿銷軸自由轉(zhuǎn)動，鉸鏈組可以實(shí)現(xiàn)自由彎曲。第一節(jié)鉸鏈與輮輪內(nèi)的卡環(huán)安裝連接，最后一節(jié)鉸鏈與懸轂安裝連接。鉸鏈組的主要作用是將來自半軸的驅(qū)動力傳遞至輮輪，并配合輮輪內(nèi)的彈性環(huán)緩沖部分路面沖擊。
彈性環(huán)是由若干股彈性鋼絲纏繞構(gòu)成，在卡環(huán)的緊扣鎖止下，具有較高的強(qiáng)度與承載能力，并且彈性減震性能表現(xiàn)優(yōu)秀，能夠滿足越野車等重型車輛的承載行駛需求。
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通過上述對機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)分析，車輪的整體結(jié)構(gòu)由于采用“輮輪-鉸鏈組-輪轂”的一體化設(shè)計(jì)，在保障了良好減震性的同時(shí)，從根本上解決了傳統(tǒng)充氣輪胎的扎胎、爆胎等安全問題。
2載荷工況的確定
2.1車速與隨機(jī)載荷的關(guān)系
因?qū)嶋H路面不平度的存在，汽車行駛在道路上時(shí)車輪會承受一定的隨機(jī)動載荷。因此在計(jì)算直線行駛時(shí)機(jī)械彈性車輪所承受的隨機(jī)載荷之前，需要先計(jì)算確定路面功率譜密度，可選擇式(1)和(2)來表示路面不平整度隨頻率的分布情況[16]。
2.2等效循環(huán)載荷的確定
在進(jìn)行機(jī)械彈性車輪耐久性仿真試驗(yàn)時(shí)，本文采用將旋轉(zhuǎn)的彎矩加載至固定車輪的方法來完成耐久性仿真試驗(yàn)：在車輪的懸轂中心施加一個(gè)大小不變但方向隨時(shí)間改變的載荷，該載荷可以被分解為兩個(gè)方向互相垂直且幅值、頻率都相同的正弦載荷和余弦載荷，如圖5所示。
3有限元模型的建立
3.1簡化條件
基于上文對機(jī)械彈性車輪的零部件介紹，為了減少計(jì)算規(guī)模與時(shí)間，在保證計(jì)算精度的條件下，對機(jī)械彈性車輪的模型進(jìn)行適當(dāng)簡化：
(1)設(shè)定車輪內(nèi)所有的機(jī)械連接處均為剛性連接，不存在相對位移;
(2)假設(shè)車輪完全對稱，忽略車輪主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角等車輪定位參數(shù)，車輪所受的載荷假設(shè)為集中力并作用在輪心處;
(3)彈簧鋼圈與胎體視為整體部件，不存在相對位移;
(4)忽略輮輪內(nèi)的彈性環(huán)與卡環(huán)之間的接觸關(guān)系;
(5)忽略車輪胎面花紋的影響，由于胎面花紋的復(fù)雜性，考慮到計(jì)算效率，對車輪的胎面花紋做光滑處理;
(6)以單根粗鋼絲代替由多股細(xì)鋼絲纏繞而成的彈性環(huán)，在卡環(huán)卡緊鎖止下的多股細(xì)鋼絲幾乎沒有位移。
3.2材料屬性
參考相關(guān)資料，根據(jù)實(shí)際需求選擇車輪各零部件的材料屬性[18]、[19]，具體的材料屬性參數(shù)如表1所示。
3.3網(wǎng)格劃分
對車輪規(guī)則的幾何體部分單元形狀采用六面體單元，網(wǎng)格劃分方法采用掃掠劃分網(wǎng)格，對不規(guī)則的幾何體部分單元形狀采用采用四面體，網(wǎng)格劃分方法采用自由劃分網(wǎng)格，并對某些關(guān)鍵部位與零件進(jìn)行單獨(dú)布種劃分網(wǎng)格。建模中不同部件單元類型及模塊的選擇：
(1)輮輪的橡膠層部分采用實(shí)體單元;
(2)橡膠層中的彈性環(huán)組合體采用梁單元;
(3)通過*EMBEDDEDELEMENT*命令完成彈性環(huán)組合體內(nèi)嵌至輮輪橡膠層的過程。——論文作者：張晨趙又群鄭鑫杜宜燕
