岳紅旭 趙又群

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

輪胎是車輛的重要組成部件之一，是車輛接觸地面的唯一媒介。其主要功能是支撐整車重（質(zhì)）量，傳遞驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力矩，提供吸振與包絡(luò)能力以及保證轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性等。此外，輪胎還必須具有諸如抗磨性、低滾動(dòng)阻力、耐久性、安全性等性能特點(diǎn)［1］。

在軍事需求方面，輪胎對(duì)于軍用汽車的越野通過(guò)性能和安全防護(hù)性能影響重大。其一，戰(zhàn)場(chǎng)上，各種輪式車輛隨時(shí)可能遭到來(lái)自空中和地面的襲擊，而普通充氣輪胎抗打擊能力極為薄弱，一般輕武器彈藥、小威力地雷及爆炸物即可將其破壞。其二，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)將迫使軍用輪式車輛更多地在地形錯(cuò)綜復(fù)雜的地面上行駛，普通充氣輪胎容易發(fā)生爆胎、被尖銳物刺穿、接觸地面面積不足而抓地力不足等危險(xiǎn)［2］。綜上所述，應(yīng)當(dāng)充分重視軍用車輛輪胎的安全防護(hù)問(wèn)題，即軍事上對(duì)于這種具有抵御輕型武器襲擊、抗刺穿、防爆胎等功能的安全輪胎具有巨大而迫切的需求。

現(xiàn)今國(guó)內(nèi)軍用車輛上使用的有灌注式實(shí)心輪胎、內(nèi)支撐體輪胎［3］、內(nèi)沉陷限制器輪胎等各種新型防彈安全輪胎［4］，雖然可以顯著提高輪式車輛的戰(zhàn)時(shí)安全性能，但由于存在重量大、價(jià)格昂貴等方面的缺陷，其使用范圍受到了限制［2］。中國(guó)北方車輛研究所的李莉等［5］研究了一種輻條板式無(wú)氣輪胎，仿真驗(yàn)證表明，這種輪胎具有良好的品質(zhì)?？偨Y(jié)并借鑒上述研究經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)一種新型安全車輪進(jìn)行了有限元非線性分析，研制成功一種具有防爆裂、防刺扎、滾動(dòng)阻抗小、機(jī)械效率高的新型輪式機(jī)械輪胎。

1 車輪系統(tǒng)構(gòu)成及基本原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)械彈性車輪，其特征主要由車輪外圈、彈性環(huán)、彈性環(huán)組合卡、輪轂、回位彈簧、銷軸、鉸鏈等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。用12個(gè)彈性環(huán)組合卡等角度分布將多根彈性環(huán)排列組合鎖卡在一起，埋設(shè)預(yù)置硫化在車輪外圈的橡膠層和簾子布層內(nèi)置成彈性外輪。將輪轂置于彈性外輪中間，用銷軸將12個(gè)鉸鏈組的一端徑向安裝在彈性外輪內(nèi)側(cè)的彈性環(huán)組合卡的銷座上，再用螺栓軸將12個(gè)鉸鏈組的另一端安裝在輪轂的螺栓孔上，這樣就基本構(gòu)成了機(jī)械彈性車輪。車輛行駛過(guò)程中車身載重、地面沖擊及驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩造成的鉸鏈的彎曲，可通過(guò)鉸鏈3下端的回位彈簧回位。

圖1 彈性車輪幾何模型

圖2 彈性環(huán)組合卡和彈性環(huán)的連接

1.2 基本原理

車軸傳給輪轂的扭矩通過(guò)銷軸、鉸鏈組以力矩作用拉動(dòng)彈性外輪作旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使車輛行駛。輪轂依靠上部和兩側(cè)的鉸鏈組的拉掛微懸于彈性外輪內(nèi)，向地面方向有著微量下沉，輪轂下面的鉸鏈組則不受力且呈微曲狀，彈性外輪上部因受到輪轂向地面的拉力，使其有設(shè)定范疇內(nèi)的適度的類似橢圓的彈性變形發(fā)生，彈性外輪的這種很小幅度的彈性變形，使其接地處的受力面積依設(shè)定而遠(yuǎn)大于輪胎，有利于減小對(duì)地面及對(duì)接觸面的壓強(qiáng)。彈性外輪接地處的直線段及延伸圓弧，使其構(gòu)成自適性的相切延伸擴(kuò)展受力形態(tài)，與輪胎接地處受力時(shí)完全局部的變形形態(tài)存在本質(zhì)的區(qū)別，這使得彈性外輪滾動(dòng)阻抗及能耗遠(yuǎn)比輪胎要小很多，即其機(jī)械效率遠(yuǎn)高于輪胎。因輪轂在任何瞬時(shí)均以微懸態(tài)鏈懸于彈性外輪內(nèi)，來(lái)自路面不平度的顛簸只能為彈性外輪所承受，并瞬時(shí)隨其彈性變形與相應(yīng)鏈組的瞬時(shí)彎曲所緩解，均不能傳至于輪轂，這種車輪有著特異的緩解及緩沖隔振的性能［6］。

2 車輪有限元模型的建立

2.1 幾何模型的簡(jiǎn)化

考慮到這種新型車輪機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為橡膠胎體包裹彈簧鋼圈，鋼圈通過(guò)連接桿連接到輪輞上。為了保證能夠順利劃分網(wǎng)格，得到滿意的輪胎有限元模型，對(duì)車輪模型進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：

（1）假設(shè)車輪在輪心處左右完全對(duì)稱，不考慮主銷后傾等定位，僅在輪心處有集中力作用，其分析屬于對(duì)稱問(wèn)題，采用1/2輪胎模型進(jìn)行分析。

（2）忽略各鋼圈的連接結(jié)構(gòu)，僅將相應(yīng)部位的自由度耦合。

（3）胎膠和彈簧鋼圈采用一體化處理。

（4）忽略鋼圈輪輞之間連接桿連接處的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 車輪的非線性特性

車輪的非線性特性包括3個(gè)方面：

（1）幾何非線性特性。如果結(jié)構(gòu)經(jīng)受大變形，它變化的幾何形狀可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)。汽車在各種工況下，車輪由于垂直載荷的影響，會(huì)發(fā)生很大的幾何變化，并且位移和應(yīng)變是非線性關(guān)系。

（2）材料非線性特性。材料的非線性是指在力的作用下應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)聯(lián)式是一個(gè)非線性函數(shù)。在考慮輪胎材料的非線性問(wèn)題時(shí)，主要考慮其中橡膠材料的非線性。成品橡膠表現(xiàn)出的高彈性，是一種典型的非線性性質(zhì)。

（3）非線性邊界條件。由于輪胎和地面的接觸是一種高度非線性問(wèn)題，屬于剛體－柔體的接觸問(wèn)題，故其由于接觸而產(chǎn)生的力同樣具有非線性的特點(diǎn)［7］。

2.3 車輪的材料特性及單元選擇

在建模時(shí)充分考慮了橡膠材料的超彈性，胎膠部分采用Solid185單元，材料模型采用Mooney－Rivlin橡膠材料；彈簧鋼圈和輪輞采用Solid45單元；連接桿采用Link 8單元模擬；材料屬性如表1所示。

表1 部件材料屬性

輪胎中的橡膠材料能夠承受非常大的彈性變形，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出高度的非線性。Rivlin提出的通用應(yīng)變能密度函數(shù)為

式中，C10、C01為Rivlin系數(shù)，均為正定常數(shù)。

式（2）（Mooney－Rivlin方程）［8］為簡(jiǎn)單應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線，是一種廣泛采用的模式。對(duì)于大多數(shù)橡膠而言，在應(yīng)變?yōu)?50%以內(nèi)時(shí)可得到合理近似。C10和C01兩個(gè)系數(shù)可通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式獲得［9］：

式中，E為材料的彈性模量。

2.4 網(wǎng)格劃分

對(duì)胎膠、彈簧鋼圈、輪輞，采用映射網(wǎng)格方式劃分網(wǎng)格，可保證網(wǎng)格的均勻性；為精確分析接觸區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，接地部分胎膠網(wǎng)格應(yīng)細(xì)化；連接桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)直接建立；為了模擬輪胎與剛性路面的接觸問(wèn)題，選用柔剛面接觸單元，在輪胎底部有可能發(fā)生接觸的范圍內(nèi)重新生成接觸所需要的CONTACT173接觸單元，地面部分用剛性面來(lái)模擬，生成TARGET170目標(biāo)單元。

車輪的有限元模型如圖3、圖4所示，半胎模型用于靜態(tài)接觸工況的計(jì)算，整胎模型用于側(cè)傾工況、側(cè)偏工況的計(jì)算。

圖3 有限元半胎模型

圖4 有限元整胎模型

2.5 約束條件

（1）在垂直載荷作用下輪胎與地面接觸的約束條件。車輪周向斷面施加軸向?qū)ΨQ約束，對(duì)于中心處左右對(duì)稱部位的面約束X和Z方向的自由度、彈簧鋼圈連接部位節(jié)點(diǎn)耦合的所有自由度、路面約束所有自由度，在車輪中心處的節(jié)點(diǎn)施加大小為3400N垂直向下的集中力。

（2）側(cè)傾工況、側(cè)偏工況下的約束條件。在車輪的中心軸上限制UX、UY、UZ兩點(diǎn)的自由度［10］，就整個(gè)車輪而言，就是限制了它沿X、Y、Z3個(gè)方向的移動(dòng)和繞Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在這種約束條件下，車輪雖可變形，但整個(gè)車輪只能繞X軸方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)用ANSYS中的PILOT點(diǎn)技術(shù)，該點(diǎn)的移動(dòng)可以牽動(dòng)整個(gè)目標(biāo)面的移動(dòng)。

3 結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)接觸結(jié)果分析

（1）變形分析。圖5為車輪垂直方向變形圖，從圖中可以看出，輪輞變形很大，最大值是21.035mm。各個(gè)連接桿也受到不同程度的拉伸和壓縮，胎膠上部變形最大，下部變形較小。

圖5 車輪垂直方向變形

圖6 彈簧鋼圈變形對(duì)比

彈簧鋼圈變形對(duì)比如圖6所示，圖中虛線部分代表變形前的形狀，實(shí)線部分代表變形后的形狀。變形后，彈簧鋼圈由圓形變成一個(gè)連續(xù)的橢圓，其原因?yàn)椋簭椈射撊ι鲜艿絹?lái)自從車軸傳到連接桿的拉力，使其有設(shè)定范疇內(nèi)的適度的類似橢圓的彈性變形。

（2）應(yīng)力分析。圖7、圖8為彈簧鋼圈和接地部分胎膠應(yīng)力分布圖。在靜態(tài)接地狀態(tài)下，彈簧鋼圈接地部分的應(yīng)力約為250MPa，彈簧鋼圈非接地部分的應(yīng)力比接地部分低一個(gè)數(shù)量級(jí)，其應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。由圖8可以看出，胎膠接地區(qū)應(yīng)力最大值為0.48MPa。由圖8可知，彈簧鋼圈應(yīng)力比胎膠大得多，彈簧鋼圈是新型安全車輪的最重要受力部件。因彈簧鋼圈比橡膠的成本低廉，且不易磨損，所以新型車輪成本降低，壽命延長(zhǎng)。

圖7 彈簧鋼圈應(yīng)力分布圖

圖8 接地部分胎膠應(yīng)力分布圖

（3）接地區(qū)域分析。圖9為不同垂直載荷下車輪接地印跡和接地壓力分布圖。從圖9可以看出：當(dāng)垂直載荷為340N時(shí)，接地區(qū)內(nèi)的最大壓力在接地區(qū)的中心，壓力分布由中間向外側(cè)逐漸變小，半胎模型接地區(qū)的形狀接近半圓形，可推斷整胎模型的接地區(qū)的形狀為近似圓形；隨著垂直載荷逐漸增大，輪胎的變形和接觸面積也逐漸增大，接地印痕向周向擴(kuò)展幅度較大，形狀逐漸變?yōu)榘霗E圓形，可推斷整胎模型的接地區(qū)的形狀為近似橢圓形，接地區(qū)接地壓力基本呈對(duì)稱分布，接地區(qū)壓力最大值為7.331MPa。本文接地壓力的分布結(jié)果與普通子午線輪胎的接地壓力分布結(jié)果相符［11］，證明建立的接地模型合理。

圖9 不同垂直載荷下車輪接地印跡和接地壓力分布

3.2 側(cè)傾工況結(jié)果分析

本文所研究的側(cè)傾工況是從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)考慮的，在創(chuàng)建目標(biāo)面時(shí)傾斜一個(gè)角度，從而使車輪與目標(biāo)面不再保持垂直關(guān)系，而是形成一個(gè)外傾角。

（1）變形分析。圖10所示是側(cè)傾角為6°車輪變形的模擬結(jié)果，可以看出，在垂直載荷作用下，輪胎與路面接觸部位局部變形較大，兩胎側(cè)變形幅度不一致，沿著側(cè)傾方向接地區(qū)變形較大。

圖10 側(cè)傾6°車輪側(cè)傾變形

（2）載荷和變形的關(guān)系。不同側(cè)傾角下車輪的載荷和下沉量關(guān)系曲線如圖11所示。在圖11中，從上到下依次是側(cè)傾角為8°、6°、4°、2°時(shí)的關(guān)系曲線。從圖11中可以看出：相同載荷下，側(cè)傾角度越大，車輪下沉量越小。普通子午線輪胎在相同載荷下，側(cè)傾角越大，輪胎下沉量越大［12］。由上述分析結(jié)果可知：新型車輪與普通子午線輪胎在不同側(cè)傾角下的載荷和下沉量關(guān)系是不同的，其原因在于新型車輪是實(shí)心輪胎。

圖11 不同側(cè)傾角度下載荷與下沉量的關(guān)系曲線

3.3 側(cè)偏工況結(jié)果分析

本文研究4種側(cè)偏工況，分別用20mm、30mm、40mm、50mm的車輪垂向（即Y方向）位移來(lái)模擬不同的垂向載荷，用20mm的側(cè)向（即X方向）路面位移進(jìn)行側(cè)向載荷模擬。

（1）變形分析。以垂直位移30mm工況為例，車輪的變形如圖12所示，虛線表示車輪在未變形前和地面的邊界，可以很明顯地看到車輪靠近地面的部分發(fā)生了偏移，而在車輪的上半部分幾乎沒(méi)有變化。

（2）X方向位移。車輪在X方向上的位移如圖13所示，由圖可見(jiàn)，X方向的位移最大。從下往上X方向的位移量逐步減小，這符合車輪在側(cè)偏工況下的變形情況。

圖13 車輪X方向的位移

（3）載荷和變形的關(guān)系。圖14為車輪側(cè)向載荷與側(cè)向變形關(guān)系圖，由圖可以得出如下結(jié)論：當(dāng)輪胎與路面產(chǎn)生相對(duì)側(cè)向移動(dòng)時(shí)，受剪切力的單元個(gè)數(shù)不同的影響，載荷大時(shí)，受剪切的單元就多，抵抗滑移的能力就大，表現(xiàn)出的輪胎側(cè)向剛度也就大［13］。

圖14 車輪側(cè)向載荷與側(cè)向變形關(guān)系圖

（4）接地區(qū)域分析。圖15所示是側(cè)向力為44N和781N時(shí)車輪接地印跡和接地壓力分布（圖中Z軸表示縱向，X軸表示側(cè)向）。從圖15中可以看出：側(cè)向力較小時(shí)，接地印跡是左右對(duì)稱的，而且是規(guī)則的橢圓；而在側(cè)向力增大的過(guò)程中，接地印跡沿著側(cè)向發(fā)生了偏移，左右不再對(duì)稱，且變?yōu)椴灰?guī)則的橢圓；接地壓力最大值也由8.086MPa減小為7.818MPa。地面和車輪之間的摩擦力導(dǎo)致了這一結(jié)果。

4 新型安全車輪的優(yōu)點(diǎn)

新型安全車輪與文獻(xiàn)［5］中的安全車輪及普通充氣輪胎相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）新型安全車輪不充氣體，根本不存在漏氣或意外破損等引發(fā)行車安全的問(wèn)題，可滿足各種汽車、特種車輛及軍用車輛的使用要求。

圖15 不同側(cè)向載荷下車輪接地印跡和接地壓力分布

（2）彈性幅度大、抗振性能好。行駛過(guò)程中車輛振動(dòng)小、行駛平穩(wěn)，能提高整車壽命?？稍趷毫勇访嫔闲旭偂Ｄ芪談x車時(shí)的瞬時(shí)前沖慣性力，車輛滑行沖距小，可大大提高車輛遇險(xiǎn)時(shí)的安全性。

（3）機(jī)械效率高，行駛中的自身耗功少，節(jié)能10%左右。

（4）節(jié)省橡膠70%左右?；緲?gòu)造無(wú)易損件薄弱環(huán)節(jié)。彈性環(huán)、彈性環(huán)組合卡、鉸鏈、輪轂、回位彈簧等均為超長(zhǎng)使用壽命零件，與汽車類車輛支承托起車體的板簧組使用壽命等同。不需備用輪胎，使用成本大幅度下降。

（5）生產(chǎn)車輪外圈上膠時(shí)，只需平板硫化，設(shè)備簡(jiǎn)易，能耗大幅度下降，且無(wú)污染。機(jī)械零件在制造上也極為方便，綜合經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高，有利于形成高效率的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）彈簧鋼圈由圓變成連續(xù)的橢圓，只有很小幅度的彈性變形，使其接地處的受力面積大于普通輪胎的受力面積，有利于減小對(duì)地面及對(duì)接觸面的壓力。

（2）在車輪的各種受力部件中，彈簧鋼圈是新型車輪最重要的受力部件，其不僅節(jié)省橡膠的耗損，而且延長(zhǎng)車輪的壽命。

（3）在不同的車輪側(cè)傾角下，當(dāng)載荷相同時(shí)，側(cè)傾角度越大，輪胎的下沉量越小，這是其優(yōu)于普通子午線輪胎的地方，這一優(yōu)點(diǎn)源于這種新型車輪不用充氣。

（4）在一定的范圍內(nèi)，車輪的側(cè)向剛度隨著垂直載荷的增大而增大。

［1］莊繼德.汽車輪胎學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1995.

［2］劉衛(wèi)平，楊霞，郝建生.淺析國(guó)產(chǎn)新型安全防彈輪胎［J］.汽車運(yùn)用，2005（2）：26－28.

［3］楊欣.零壓續(xù)跑輪胎內(nèi)支撐虛擬設(shè)計(jì)與性能分析［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

［4］鄧海燕，關(guān)泰.安全輪胎的發(fā)展歷史和未來(lái)前景［J］.化工科技市場(chǎng)，2005（3）：9－14.

［5］李莉，胡立臣，邵朋禮.一種新型輪胎的設(shè)計(jì)與分析［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2008，15（3）：220－223.

［6］趙震東.懸轂輮式車輪：中國(guó)，200510089076.7［P］.2009－05－27.

［7］石琴，陳無(wú)畏，洪洋，等.基于有限元理論的輪胎剛度特性的仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（6）：1445－1449.

［8］Meschke Ge，Helnwein P.Large－strain 3DAnalysis of Fibre－reinforced Composites Using Rebar Element：Hyperelastic Formulation for Cord［J］.Computational Mechanics，1994，13（4）：241－245.

［9］李輝.子午線輪胎充氣及靜態(tài)接觸狀態(tài)下的有限元分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［10］繆紅燕，徐鴻.輪胎側(cè)偏性能有限元分析［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，28（2）：57－59.

［11］趙國(guó)群，程鋼，管延錦.滾動(dòng)輪胎接地性能有限元分析［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（1）：104－108.

［12］程鋼，趙國(guó)群，管延錦.子午線輪胎靜態(tài)側(cè)傾性能有限元分析及試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（13）：1206－1209.

［13］景立新.全鋼載重子午線輪胎特性有限元分析及驗(yàn)證［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.