机械弹性车轮结构参数对承载特性的影响

张彬彬，赵又群，王　强

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京　210016)



机械弹性车轮结构参数对承载特性的影响

张彬彬，赵又群，王强

(南京航空航天大学 能源与动力学院，南京210016)

摘要：为了提高机械弹性车轮的承载能力，对影响车轮承载特性的因素进行研究。基于车轮的多体结构及輮轮分层结构，建立了机械弹性车轮非线性有限元模型，分析了輮轮厚度和弹性环截面边长等结构参数对机械弹性车轮承载特性的影响，揭示了车轮结构参数的改变对承载特性影响的规律，为机械弹性车轮结构及整车动力学特性的优化设计提供依据。

关键词：机械弹性车轮；有限元分析；承载特性；结构参数

机械弹性车轮是一种把车轮与轮胎集成为一体的新型安全车轮，不仅能实现传统轮胎的基本功能，同时由于舍弃了传统轮胎的充气结构，故不会发生轮胎穿孔、爆胎等危险状况[1-2]。

轮胎是车辆与地面主要的接触部件，其主要功能是支撑整车，缓和不平路面对车辆的冲击和振动，产生驱动力、制动力和侧向力[3]。轮胎的承载特性对汽车的动力性、经济型、安全性、平顺性和操纵稳定性具有至关重要的影响。非线性有限元分析是现代轮胎力学研究的主要内容，其基于有限元理论和车轮结构及材料参数建立的有限元模型可以较准确地描述机械弹性车轮的承载特性[4-6]。机械弹性车轮的承载特性主要由其材料参数和结构参数决定。本文进行的承载特性仿真考虑了机械弹性车轮輮轮结构的复杂性、大变形中的非线性、橡胶材料的非线性特性、与路面接触以及负荷条件等因素，较为实际地模拟了机械弹性车轮在载荷工况下的承载特性[7-9]。通过对比分析不同结构参数下车轮承载能力的变化情况，分析车轮结构参数对机械弹性车轮承载能力的影响规律，为机械弹性车轮的优化设计提供依据。

1车轮系统的构成及基本原理

1.1车轮系统的构成

机械弹性车轮突破了传统车轮轮胎和轮毂的分体式设计，采用铰链组连接弹性輮轮和轮毂的非充气结构。车轮主要由弹性輮轮、铰链组、轮毂、复位弹簧等部件构成。如图1所示，卡环将弹性环绑定在一起，组成輮轮的支撑骨架，在骨架外侧包裹橡胶，轮毂及铰链通过销轴连接，在轮毂与铰链的连接处通过复位弹簧连接各组铰链。由于机械弹性车轮舍弃了轮胎的充气结构，采用骨架外侧包裹橡胶的实心结构，所以机械弹性车轮不存在传统充气轮胎车轮扎胎、爆胎等问题，提高了车轮的安全性。

1.2车轮的基本原理

在车辆行驶时，车轴的扭矩以铰链组拉动輮轮的方式传递。轮毂依靠铰链组的拉力作用微悬于輮轮内，并在地面方向有一定量的下沉。车轮与地面接触区域的铰链组呈折叠状，不受力，其余各组铰链均受拉力作用。车轮变形成椭圆状，这使其与地面的接触面积相比传统轮胎有一定程度的增大，也有助于减小车轮与地面之间的压强。在行驶过程中，机械弹性车轮各组铰链从受拉力到折叠状不受力呈周期变化。由于轮毂在车轮滚动时总是依靠铰链组的拉力作用微悬于輮轮内，因此来自不平路面的振动作用只能先传递到輮轮，并且由于与地面接触的铰链组呈折叠状，不受力，振动不能传递至轮毂，使车轮有减振的性能。

图1　机械弹性车轮结构

2机械弹性车轮模型的建立

2.1材料模型

机械弹性车轮材料主要有橡胶材料和钢材料两类。橡胶材料具有不可压缩性和非线性力学特性，为超弹性材料，反映其应力-应变关系的模型称为本构模型[10-11]。橡胶材料的本构模型有很多种，不同的本构模型对橡胶材料力学特性的表征效果是不同的。在车轮加载过程中，其橡胶部件的最大应变一般小于50%，属于较大应变。

机械弹性车轮的橡胶结构选用各向同性的超弹性体材料表示，具有体积不可压缩性本构关系，不可压缩性的条件可用大泊松比μ=0.49近似表示。本研究选用Mooney-Rivilin本构模型[12]，根据经验公式，其系数与弹性模量具有如下关系：

(1)

由式(1)解得：

(2)

本研究中輮轮结构的C10为2.4，C01为0.6。

轮毂、铰链组、弹性环、卡环、橡胶的材料参数如表1所示。

表1　机械弹性车轮结构材料参数

2.2有限元模型的建立及网格划分

对于新型机械弹性车轮，使用Pro/E建立轮胎主体部分的三维几何模型。为了计算的方便进行以下简化：车轮花纹对承载能力影响很小，因此忽略胎面花纹的影响；简化机械弹性车轮的铰链结构，降低铰链结构网格的复杂性，减少接触，使计算结果更容易收敛。机械弹性车轮简化模型如图2所示。

图2　机械弹性车轮简化模型

将机械弹性车轮的三维有限元模型导入有限元分析软件abaqus中。机械弹性车轮輮轮结构复杂，弹性环、卡环、橡胶结构有多处接触面，使用绑定或接触设置輮轮各部分的连接会加大有限元的计算量，计算结果也不易收敛。本文采用abaqus的分层结构[13-14]，将輮轮定义为单个部件，对其进行分层处理，然后在輮轮各部分分层区域处赋予不同的材料参数，分别为輮轮、铰链组和轮毂划分网格。机械弹性车轮的三维有限元模型如图3所示，网格单元选择C3D8R，共有47 480个单元。

abaqus模拟多体系统的基本思路：通过2节点连接单元在模型的各个实体间建立连接，并通过定义连接属性来描述各部分之间的相对运动关系和约束关系。abaqus中的连接器能建立2个节点之间的3个平动、3个转动共6个自由度的任意形式的搭配，能实现工程实际中常见的连接形式。为了模拟铰链组的铰接结构，在装配模块中定义2个相对应铰链孔的轴心某点为参考点1、参考点2，将其分别与铰链的孔内侧表面耦合，然后在2点之间设置铰接连接器。

图3　机械弹性车轮三维有限元模型

2.3仿真结果分析

在进行径向刚度试验时，车轮固定在试验台上，在车轴上施加受垂向载荷，车轮受力下沉。为模拟此过程，可将地面固定不动，在车轮中心设置1个参考点，将此参考点与轮毂内表面耦合在一起，在第1个分析步骤中完全约束参考点的自由度，在第2个分析步骤中释放参考点在Z方向即与地面垂直方向上的自由度，并在此参考点上施加载荷，模拟车轮受力。对有限元模型进行求解。在6 000 N作用下的机械弹性车轮应力云图如图3所示，位移云图如图4所示，輮轮位移云图如图5所示。图中应力单位为MPa，位移单位为mm。

从图4、5可以看出：在机械弹性车轮受垂向力作用时，輮轮受力变形，与地面接触区域内的铰链组发生折叠而不受力，其余各组铰链均受拉力作用，推断机械弹性车轮主要由车轮上半部分承载径向力，属于顶部承载方式。从图6可以看出：在车轮受到垂向力作用时，輮轮变形为椭圆状，輮轮顶部发生较大变形，向下变形逐渐减小，但在两端偏下位置有较大变形，车轮有受压成类椭圆的趋势。

图4　机械弹性车轮应力云图

图5　机械弹性车轮位移云图

图6　輮轮位移云图

3承载特性分析

机械弹性车轮的承载特性与弹性环截面积、輮轮的厚度等结构参数有关。下面分别就弹性环截面边长、輮轮厚度对机械弹性车轮承载性能的影响进行分析。图7为机械弹性车轮輮轮截面，其中：a为弹性环截面边长；b为輮轮厚度。

图7　机械弹性车轮輮轮截面

3.1弹性环截面边长的影响

对弹性环截面边长取不同的数值，其余参数取参考值，分别对各种载荷工况进行有限元仿真，得到不同弹性环截面边长下车轮的下沉量，分析结果如图8所示。

图8　不同弹性环截面边长机械弹性车轮下沉量

由图8可以看出：随着弹性环截面边长的增加，在同一载荷工况下机械弹性车轮下沉量减小；在同一弹性环截面边长下，当载荷低于一定值时，车轮加载存在硬化情况，在载荷超过该值时车轮载荷和下沉量基本呈线性关系；随着弹性环截面边长的增加，使车轮硬化现象消失的载荷增大。

机械弹性车轮在某一弹性环截面边长下的载荷-车轮下沉量关系可用式(3)来描述。

(3)

式中：W为车轮载荷；δ车轮下沉量；Ki(i=1～3)为弹性系数。

在车轮载荷变形关系中，结构参数的影响隐含于弹性系数Ki(i=1～3)之中。为使结构参数的影响以显式出现,将式(3)改写为

(4)

式中：ai(i=1～9)为待定经验系数；ε为车轮弹性环横截面边长。

通过多元逐步回归的方式来确定系数。通过逐步回归可以确定式中各项是否对车轮载荷-下沉量关系有显著的影响。回归计算结果表明：机械弹性车轮载荷、弹性环截面边长、车轮下沉量三者的关系可表示为

(5)

本文根据图8静态加载工况下的有限元计算值，通过 Matlab 软件编程对数据进行处理，以更直观的方法来表示任意弹性环截面边长与任意荷载工况下机械弹性车轮的下沉量，如图9所示。

图9　不同弹性环截面边长车轮承载特性

3.2輮轮厚度的影响

对輮轮厚度取不同的数值，弹性环截面边长取12 mm，其余参数取参考值，分别对各种载荷工况进行有限元仿真，得到不同輮轮厚度下车轮的下沉量，分析结果如图10所示。

图10　不同輮轮厚度机械弹性车轮下沉量

由图10可以看出：随着輮轮厚度的增加，在同一载荷工况下机械弹性车轮下沉量减小；在同一輮轮厚度下，车轮载荷和下沉量基本呈线性关系；随着輮轮厚度的增加，同一载荷下车轮下沉量的变化量减小，輮轮厚度对机械弹性车轮承载性能的影响随輮轮厚度的增加而减小。

对车轮在某一輮轮厚度下的载荷-车轮下沉量关系可用多项式来描述。对仿真结果运用多元逐步回归的方法确定式中各项是否对车轮载荷-下沉量关系有显著影响。计算结果表明：机械弹性车轮载荷、弹性环截面边长、车轮下沉量三者的关系可表示为

W=593.24δ+10.65εδ-1.03εδ2-

(6)

通过 Matlab 软件编程对数据进行处理后得到不同輮轮厚度机械弹性车轮承载特性三维曲线,如图11所示。

图11　不同輮轮厚度机械弹性车轮承载特性

4结论

1) 机械弹性车轮的承载性能与弹性环截面边长、輮轮厚度等结构参数有关，其中弹性环截面边长影响显著，即弹性环的承载特性在很大程度上决定了机械弹性车轮的承载特性。

2) 机械弹性车轮在较小载荷作用下有一定程度的硬化现象，当载荷超过一定值时，机械弹性车轮的下沉量与载荷基本呈线性关系。

3) 通过对比不同结构参数的新型机械弹性车轮在静载作用下的承载变形结果，分析了结构参数对新型机械弹性车轮静载作用下承载特性的影响，为新型机械弹性车轮的设计提供了参考。

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(责任编辑刘舸)

Influence of Mechanical Elastic Wheel Configuration on Load Carrying Characteristic

ZHANG Bin-bin，ZHAO You-qun，WANG Qiang

(College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

Abstract:In order to improve the load carrying characteristic of the mechanical elastic wheel, the factors affecting the load carrying characteristic of the wheel were studied. Based on the multi body structure of the wheel and the kneading wheel layered structure, the nonlinear finite element model of the mechanical elastic wheel was established, and the impact of thickness of the kneading wheel steel ring and the steel ring section length on load carrying characteristics of mechanical elastic wheel were analyzed. The rule of the structural parameters on the load carrying characteristic of the wheel was obtained, which provides the basis for the structural optimization design of the mechanical elastic wheel.

Key words:mechanical elastic wheel; finite element analysis; load carrying characteristic; structural parameters

文章编号：1674-8425(2016)04-0021-06

中图分类号：U463.34

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.005

作者简介：张彬彬(1988—)，男，河北人，硕士研究生，主要从事汽车系统动力学研究；通讯作者 赵又群，男，教授，博士生导师，主要从事汽车动态仿真与控制，汽车系统动力学等方面研究。

基金项目：总装探索研究重大项目(NHA13002 )；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(KYLX0241)

收稿日期：2015-05-20

引用格式：张彬彬,赵又群,王强.机械弹性车轮结构参数对承载特性的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(4):21-26.

Citation format：ZHANG Bin-bin，ZHAO You-qun，WANG Qiang.Influence of Mechanical Elastic Wheel Configuration on Load Carrying Characteristic[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):21-26.