机械弹性车轮提高轮胎的耐磨性和抓地性分析

(沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159)

机械弹性车轮提高轮胎的耐磨性和抓地性分析

于维凯 李昊泽 刘新月

(沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159)

汽车的行驶，靠着轮胎与路面之间相互接触所产生的摩擦力与压力为动力的。轮胎的质量以及与地面接触面积大小影响着车辆的平稳性，不利的条件会增加轮胎的磨损以及噪音，严重的会导致车辆的使用性能。对创新型机械弹性车轮的研发，可以有效的减少车轮接地压力的偏度值，进一步提升轮胎的抓地性以及耐磨性。我们将对机械弹性车轮的垂直静态接地性进行深入的探究。

机械弹性车轮；轮胎；耐磨性；抓地性

前言：车辆行驶中能量的传递是由轮胎与路面两者之间的接触面积决定的。当行驶的不顺畅时，极大的可能是轮胎与地面接触发生接触不全或轮胎漏气等问题导致的。此文章主要研究轮胎与路面的接触面积及其所承载的力，探讨轮胎接地形变对车辆性能的影响，以便提升轮胎的抓地性与耐磨性，希望可以更好的解决此类问题。

一、探究机械弹性车轮的结构及承载

新型机械弹性车轮的研发，有效的提升轮胎的防刺破、防爆胎以及安全防弹性能。首先我们主要研究车轮的系统构成，建立有限元和弹性力学两种模型，通过实验分别对其进行计算，对所得数据进行有效的分析。实验显示，两种模型都可以体现出车轮的变形形状，并且其相互一致。通过有限元模型对其通过性进行分析，计算出车轮的滚动半径和位移，直接明了的体现挂钩牵引力各个分力对其造成什么影响，进一步为车轮的改进设计提供一定的帮助。机械弹性车轮与普通充气车轮的对比，我们不难发现在通过性方面前者具有较大的优势。

机械弹性车轮在结构上与传统车轮是有较大差异的。在车轮与轮胎之间就可以明显的看出，机械弹性车轮在连接上，使用铰链组将车轮的外圈和轮毂进行串连，但是传统的轮胎是与车轮相分离的。轮圈、铰链组、制动器及轮胎外圈组成机械弹性车轮，轮胎的外圈包括卡簧组合、吊式减震器以及弹性垫，这种非充气组织的新型机械弹性车轮，可以在结构上减少轮胎被扎而爆胎、漏气的可能。

车轮承载分为底部承载和顶部承载两种方式。刚性轮是通过对轮毂的压缩，使其承载与地面的接触的底部承载轮子。在刚性轮行驶过程中，与地面接触受到物理作用力的压强较大，存在着轮胎底面积受力性能差的问题。而张拉式辐条轮结构的则是顶部轮胎，辐轮和负荷承载间存在相互的力。在正常使用的情况下，承载力是平均作用到辐轮上的，这样就可以极大的提高单位质量上承载的力。在传统充气轮胎使用中，就是利用了这种顶部承载受力的方式。

机械车轮的一种主要承载方式是悬毂式承载。我们理解悬毂式的承载为将轮毂悬吊在车轮外圈上，在车轮静止不动时，轮外圈会受到垂直向下的作用力，造成接地面产生形变，不包括与地面接触的铰链组之外的结构都会发生一些物理形态上的变化。在这种承载方式中，顶部可以承载极高的单位质量，有效的保证车轮附着性的特点。

二、对结果进行分析

（一）解析负荷的特性

以实验的形式对负荷的特性进行分析，首先将垂直放在桌面上的轮胎，开始对其直径测试，将稳固在轮胎圈内的轮轴增大压强，同时还要对受到压力的车轮进行直径测试。实验结果出来后，用前面提到的力学模型对有限元模型的轮胎的承载负荷进行解析。解析后显示两者的最大误差值是在8.55%～8.6%之间，建模的精度与测试结果相符合，实验得出，两个模型的建立可以准确的表达出直线承载和轮胎的构造优点。以上分析，机械弹性车轮承受负荷形变的形变率和气胎车轮相比较，机械弹性车轮较小些。这充分证明，在径向刚度上，机械弹性车轮轮胎与气胎相比较会较大一些，车轮胎的轮圈与合页组所承受的决定因素就是其两者构造的关键因素，其材料刚度性较大些，因而，负荷承载较大物理量后，移动距离就会明显变小，这样轮胎的圆度就被很好的维持了，还能够有效的减少其滚动时受到的阻力，使其滚动时受到的物理反应大大降低。

（二）分析静态时接地的压力

承载较小负荷的车轮轮胎，则是以椭圆形与接地面接触的，轮胎接地面积越大变形也会随着接触面的增大而增大，这表明所受的负荷也会受到影响，则轮胎是以不定项的形式变形的。下面将充气轮胎和机械弹性轮胎做静态接地作对比。

充气轮胎承受的荷载逐渐加强，对其接地面积也在不断加大，则会以前后凸起的形状显像出来，然而，承受负荷逐渐的加强，所受的压力与接触地面积也会不断加大。而承受负荷较为小时，就会造成车轮中心部分的压力增大，且是以均匀的方式分布的，轮胎的顶部会受到中心点所转载的压力，都是因为承受的载荷在不断加大。

机械弹性车轮接触地时，会以矩形的方式发生形变。当承受负荷变小时，轮胎所承受的最大压力值都会聚集在轮胎中心部位，承受力的不断加强，轮胎所受的压力慢慢会向中心点移动。当轮胎受到大压强时，轮胎上部不会出现压力集中的现象，这完全可以说明，当机械弹性轮胎接触地面所产生的压力时，其压力分布均匀能使轮胎的性能大大提升。

三、对机械弹性车轮进行建模分析

机械弹性车轮与地面接触发生直接关系，因而，轮胎外圈能够定性于车轮的特征。机械弹性车轮的外轮圈的要比一般车轮的外圈厚度小一些，根据机械弹性轮胎的特点能够在车轮外圈制造一个圆形梁。其圆形梁的作用能使轮胎受到剪力、弯矩等内力得以简单化，以便减少其所受里的影响。

合页组是车轮外圈与车轮毂两者间所受里的重要传递组织，车轮圆周方向则是合页组受力点。分析机械弹性车轮的承受负荷，我们得知，车轮轴上所承载的负荷都是通过合页组完成拉伸的，进而机械弹性车轮才可以实现承载力，若排除接地面，也就是说，轮胎在承载负荷的同时，合页组所承载的压力只是通过其造作所完成的力。

四、结束语

文章所述，普通充气车胎受力面积不定，而机械弹性车轮则是通过轮胎外圈发生形变来控制其接地面，使其接地面得以受力均匀，有力的减小与接地面的偏差。文章主要叙述了机械弹性车轮对轮胎的耐摩擦性能以及轮胎对地面接触所产生的力进行了解析，期待文章对轮胎所简述分析与建议得以采用，对今后车轮使用性能得以有很大的用途。

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G322

A

1007-6344（2017）04-0342-01

于维凯（1997-）男，辽宁庄河人，车辆工程专业

李昊泽（1996-）男，辽宁本溪人，车辆工程专业

刘新月（1997-）女，辽宁大石桥人，车辆工程专业