机械弹性车轮提高轮胎耐磨性和抓地性分析
时间：2022-07-02 10:00:35
【摘要】轮胎与路面相互接触的状态是决定两者之间载荷性的关键因素，同时还会对车辆的平稳性以及轮胎的磨损和噪音带来一定的影响。轮胎接地的压力过高过低都会对车辆的性能带来影响。新型机械弹性车轮由于能够减少接地压力的偏度值，同时提升轮胎的耐磨性以及抓地性，因此，对机械弹性车轮的垂直静态接地性进行研究就显得非常必要了。
【关键词】机械弹性车轮;轮胎;耐磨性;抓地性
轮胎与路面的接触状态决定着两者之间的荷载传递性，普通轮胎经常出现泄气，以及与地面接触后压力分布不均等问题。为了解决这样的问题，本文现对基于越野车辆的弹性车轮进行研究，探究其接地的性能，以期能够对提升车轮的耐磨性和抓地性有所启迪。
一、机械弹性车轮的结构与承载探讨
（一）弹性车轮的结构分析
机械弹性车轮与普通车轮的结构不同，传统车轮轮胎和车轮是分开的，而机械弹性车轮则使用铰链组将车轮的外圈和轮毂连接起来，它是一种非充气结构，所以，这种结构不会出现泄气以及轮胎被扎爆的几率。弹性车轮的构造中，主要有车轮外圈、铰链组、轮毂以及回位弹簧等构成。车轮的外圈由弹性环、弹性环组合卡和带有花纹的橡胶层构成。铰链组是弹性材料，主要分为3节铰链，将车轮外圈和轮毂连接起来。在这其中，第三节铰链可以在规定角度的范围内进行侧向的运动，确保弹性车轮能够拥有比较好的侧向稳定性以及刚度。
（二）弹性车轮承载方式的分析
车轮的承载方式主要分为两种，分别是底部承载以及顶部承载。
对于底部承载轮子来说，其主要结构是刚性轮。刚性轮直接对轮毂进行压缩，使其与地面接触，以此进行承载。在任何情况下，唯有这个与地面接触的区域承受压力。底部承载存在的缺点是单位质量的承载性能比较差。对于顶部承载轮子来说，其主要的结构是张拉式辐轮。辐轮张力的矢量与承载负荷是相互平衡的。因此，在任意的情况下，辐轮都会均匀的受力，这样单位质量上的承载力就大大提升了。原来的充气轮胎就是运用了这种顶部承载的方式。机械车轮的承载方式主要是悬毂式承载。当车轮静止时，承受的是垂直的载荷，车轮的外圈由于受力发生变形，接地的区域就变平了。除去和地面接触的铰链组，其他的部分都会受力，轮毂是悬吊在车轮的外圈上的，这就是悬毂式的承载。这种承载方式的主要优点是顶部承载的单位质量非常高，同时还能确保车轮具有非常好的附着特性。
二、对机械弹性车轮进行建模分析
（一）对车轮进行力学建模
由于弹性车轮的外圈直接和地面进行接触，因此，外圈主要决定着车轮的特性。弹性车轮外圈的厚度比车轮的半径要小很多，因此，我们可以依据外圈承载变形的主要特点将外圈建立成圆形梁模型。在圆形梁模型中，可以将平面变形极大的简化，成为极坐标系的一维问题。可以用梁厚度变量以及角度函数来表示在弹性梁中，径向位移与圆周方向的位移。
厚度可以表示为：
可以将应变表示成下面的式子：
在这个式子里，εrr的含义是径向正应变，的含义是环向正应变，的含义是切应变，θ是曲梁和X之间的角度。
应力分布可以用下面的式子来表示：
在这个式子里，σrr代表的是径向正应力，σθθ表示的环向正应力，σrθ代表的是切应力，字母A代表的是圆环梁横截面的面积，字母I代表的是横截面的惯量。外圈和轮毂间的载荷主要通过铰链组传递，铰链组分布于圆周方向上。对机械弹性车轮的承载方式分析后，可以得到，车轮轴上被施加的荷载会通过全部铰链组拉伸，进而实现车轮的承载，但除去接地区域，也就是说，在车轮承载之时，铰链组所承受的拉力只是来自于拉伸形成的力。
（二）对车轮进行有限元模型分析
为了明确机械弹性车轮圆形梁模型的精确性，我们建立有限元模型。有限元模型中，把车轮外圈的弹性环设置成由组合卡固定在一块的4组弹性环，对于其它诸如尖叫和橡胶纹都忽略掉。因此，这样车轮外圈的模型主要包含胎体、弹性环以及胎面。建模时，对于橡胶的超弹性给予了考虑，因此，材料模型预使用Mooney-Rivilin橡胶材料，将轮胎的气压设定为350kpa。同时，为了更好对接触区域的应力应变场进行分析，特把接触区域的网格进行了稍微的细化。整个模型可以分为307632个小单元，节点的总数是374774个，单元最小尺寸被管控在2毫米。此外，为了能够更清楚的了解轮胎和刚性路面接触后出现的问题，因此，选用了柔性刚面接触单元。轮胎的底部采用了CONTACT173接触单元，而地面上则使用刚性面进行模拟，进而形成了TARGET170目标单元。
三、对结果进行分析
（一）对负荷特性进行分析 负荷特性的试验在自制车轮垂直向刚度试验台上面进行。先把车轮放到试验台上，对其直径进行测量，而后向固定在轮毂的轴上施加压力，同时要测量此时车轮的直径。得到数据后，在依据前面的力学模型、有限元模型对车轮的负荷特性进行分析。分析后，结果最大的误差是8.6%，这个误差是符合建模精度的，因此，以上建立的两个模型可以正确的反映车轮的结构与径向承载的特性。此外，通过分析弹性车轮和充气轮胎的负荷特性可以得知，弹性车轮的负荷曲线与充气轮胎相比，其倾斜率要小很多，这充分的表明，在径向刚度方面，弹性车轮要比充气轮胎大，形成的原因主要在于车轮承载的决定因素是外圈和铰链组，这些材料的刚度比较大，因此，在承受很大的荷载后，产生的位移就很小了，这样就很好的维持了轮胎的圆度，大大降低了翻转力矩，从而使得滚动阻力也大大降低。
（二）对静态接地压力的分析 小负荷的轮胎变形比较小的时候，接地后的形状是椭圆形，伴随着负荷不断加大，轮胎的变形逐渐的增大，变形的主要趋向是矩形分布。下面将充气轮胎和机械弹性轮胎的静态接地作对比。充气轮胎随着荷载的不断增大，其接地的印记逐渐变大，逐渐呈现出马鞍形状，同时，随着负荷不断加大，其接地的长度和压力都在增大。负荷较小的时候，横向接地印记的中心部位压力比较大，并且分布也比较的均匀，随着载荷不断加大，压力由中部转向了轮胎的肩部。机械弹性车轮接地的形状呈现出矩形。在负荷比较小的时候，压力值最大的部位在车轮的中部位置，随着负荷逐渐增大，压力分布渐渐向纵深发展。当处于大负荷的时候，胎肩处没有出现应力集中的现象，这说明，机械弹性轮胎的接地压力分布比较的均匀，这样可以大大提升车轮的耐磨性以及抓地的性能。
结语
综上所述，传统充气轮胎的接地压力不均匀，而机械弹性车轮则通过对车轮外圈变形的控制，使得接地压力变得更加的均匀，大大降低了接地时的偏度值。本文主要对机械弹性车轮对提升轮胎耐的耐磨性能以及抓地性能进行了分析，期待本文的研究能够对改善车轮结构，优化车轮性能有所裨益。
参考文献
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