影响车轮疲劳寿命因素的研究

【摘要】为提高机械弹性车轮的可靠性和耐久性，对其疲劳寿命进行了研究。结合机械弹性车轮的结构及承载方式，建立了疲劳试验的有限元模型；采用幅值、频率相同的正弦载荷和余弦载荷模拟车轮骨架载荷循环过程；基于Miner线性疲劳累积损伤理论进行疲劳寿命预测。分析表明：车轮骨架的疲劳破坏主要集中在弹性环组合卡与q链组的连接部位；随着铰链组个数、铰链组横截面积的增加，疲劳寿命呈非线性增加；随着实际负荷的增加，疲劳寿命呈下降趋势。基于Miner线性疲劳累积损伤理论，模拟动态弯曲疲劳试验对机械弹性车轮骨架进行疲劳寿命预测。

【关键词】机械弹性车轮 疲劳寿命 有限元模型 Miner损伤理论 疲劳寿命

引言

车轮与轮胎作为汽车行驶系统的重要组成，其功用主要是支撑整车、缓和路面冲击、产生驱动/制动力等，在汽车舒适性、平顺性等方面起着重要作用。在轮胎与路面相互作用过程中，胎面与路面的接触状态决定了两者之间的载荷传递特性，并对车辆的平顺性、操纵稳定性、轮胎磨损与噪声产生重要的影响。轮胎接地压力过高或分布不均将导致轮胎快速磨损产生噪声，影响车辆舒适性并直接导致轮胎寿命的下降；本文探索了一种新型非充气式机械弹性安全车轮，并进行了一系列模型建立、径向刚度特性、力学特性等方面的理论和试验研究。建立了考虑材料非线性、几何非线性和接触非线性的车轮有限元模型，并通过负荷特性试验验证了模型的有效性；分析了影响车轮径向刚度、固有频率及振型的使用条件、车轮结构等因素，研究了地面约束、材料、垂直载荷及力矩对车轮固有频率的影响规律，为车轮结构及整车动力学特性优化提供参考。结合机械弹性车轮的结构及承载方式，建立适用于机械弹性车轮疲劳寿命分析的有限元模型。探讨了疲劳寿命影响因素，为其设计优化和推广应用提供指导。

1.机械弹性车轮的结构

机械弹性车轮突破传统车轮和充气轮胎的分体式设计，采用铰链组连接弹性车轮外圈和轮毂的非充气结构，因此，不存在爆胎和刺破泄气的可能。车轮组成包括弹性车轮外圈、铰链组、轮毂、回位弹簧等部件，其中，弹性车轮外圈由弹性环、弹性环组合卡及带有胎面花纹的橡胶层组成。铰链组为弹性材料，由三节铰链构成，连接在车轮外圈和轮毂之间，其中铰链允许一定角度范围内的侧向运动，保证车轮具有良好的侧向稳定性和一定的侧向刚度。

2.车轮有限元模型的建立

为提高计算效率，在保证结果精度的前提下，对机械弹性车轮有限元模型进行了适度简化：

1）不考虑连接和接触部位的摩擦作用，按无摩擦接触处理；

2）忽略销轴结构，不研究其疲劳寿命，用转动副模拟其运动特性；

3）胎圈结构为非线性材料，特性复杂，不考虑其对机械弹性车轮骨架应力历程的影响；

4）假设所有材料属性为各向同性，车轮骨架结构相对轮心完全对称；

5）不考虑温度变化对机械弹性车轮骨架各项性能的影响。

3.机械弹性车轮的承载分析

轮子的承载方式分底部承载和顶部承载两种形式。底部承载轮子的典型结构是刚性轮，通过直接压缩轮毂到地面接触的区域来承载，在承载的任意时刻，只有此压缩区域受力。 底部承载方式单位质量的承载能力较差。顶部承载轮子的典型结构是张拉式辐轮，轮辐张力的矢量和与承载负荷相平衡，在承载的任意时刻，所有轮辐均受力，因此单位质量的承载能力得到提高。传统充气轮胎车轮的承载方式就属于顶部承载。机械弹性车轮的承载和变形的形式如下：当车轮静止承受垂直载荷时，弹性车轮外圈受力变形，接地区域变平。除地面接触区域的铰链组外，其余均承受拉力。该承载方式既有顶部承载单位质量承载能力高的特点，又能从结构上保证车轮具有良好的附着性能。车轮滚动时，轮毂承受垂直载荷和力矩，并通过铰链组的拉伸将力传递到弹性外圈，使其产生设定范畴内的类椭圆弹性变形。通过受力分析可知，车轮的刚度主要取决于外圈和铰链组，其中铰链组的弹性特性、数量等对车轮性能的影响十分明显。分析铰链组弹性特性的影响时，可得到以下结论：当铰链组的刚度增加时，车轮变形减小，径向刚度、侧向刚度和纵向刚度均增大；反之，当铰链组刚度减小时，车轮变形变大，径向刚度、侧向刚度和纵向刚度均减小。因此，在车轮设计时要考虑铰链组刚度的选择。此外，铰链组的设计还受车轮下沉量、车辆结构参数等限制。

4.结论

基于 Miner 线性疲劳累积损伤理论和车轮动态弯曲疲劳试验对机械弹性车轮的疲劳寿命进行了预测和影响因素分析。

1）车轮动态弯曲疲劳试验中，机械弹性车轮骨架结构的危险点承受非对称应力循环，在铰链组第一节铰链内侧产生最大应力。

2）机械弹性车轮的疲劳寿命与铰链组的结构特征和车辆运行工况有关。 随着铰链组个数、铰链组横截面积的增加，机械弹性车轮骨架的疲劳寿命呈非线性增加，且适当增加铰链组个数能更显著的提高车轮骨架疲劳寿命；随着实际负荷的增加，机械弹性车轮骨架的疲劳寿命呈下降趋势。

3）机械弹性车轮的径向刚度与车轮外圈刚度、铰链组刚度及悬毂式承载方式有关，且机械弹性车轮的径向刚度大于充气轮胎径向刚度，较好地保持了轮胎的圆度，降低了滚动阻力。机械弹性车轮的悬毂式承载通过控制车轮外圈变形改善了胎冠的接触刚度分布，没有充气轮胎胎肩的应力集中。机械弹性车轮有效降低了接地压力偏度值，改善了轮胎接地的均匀性，提高了车轮的疲劳寿命。

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