【摘要】輪胎與路面相互接觸的狀態(tài)是決定兩者之間載荷性的關(guān)鍵因素，同時還會對車輛的平穩(wěn)性以及輪胎的磨損和噪音帶來一定的影響。輪胎接地的壓力過高過低都會對車輛的性能帶來影響。新型機(jī)械彈性車輪由于能夠減少接地壓力的偏度值，同時提升輪胎的耐磨性以及抓地性，因此，對機(jī)械彈性車輪的垂直靜態(tài)接地性進(jìn)行研究就顯得非常必要了。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械彈性車輪；輪胎；耐磨性；抓地性

輪胎與路面的接觸狀態(tài)決定著兩者之間的荷載傳遞性，普通輪胎經(jīng)常出現(xiàn)泄氣，以及與地面接觸后壓力分布不均等問題。為了解決這樣的問題，本文現(xiàn)對基于越野車輛的彈性車輪進(jìn)行研究，探究其接地的性能，以期能夠?qū)μ嵘囕喌哪湍バ院妥サ匦杂兴鶈⒌稀?/p>

一、機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)與承載探討

（一）彈性車輪的結(jié)構(gòu)分析

機(jī)械彈性車輪與普通車輪的結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)車輪輪胎和車輪是分開的，而機(jī)械彈性車輪則使用鉸鏈組將車輪的外圈和輪轂連接起來，它是一種非充氣結(jié)構(gòu)，所以，這種結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)泄氣以及輪胎被扎爆的幾率。彈性車輪的構(gòu)造主要由車輪外圈、鉸鏈組、輪轂以及回位彈簧等構(gòu)成。車輪的外圈由彈性環(huán)、彈性環(huán)組合卡和帶有花紋的橡膠層構(gòu)成。鉸鏈組是彈性材料，主要分為3節(jié)鉸鏈，將車輪外圈和輪轂連接起來。在這其中，第三節(jié)鉸鏈可以在規(guī)定角度的范圍內(nèi)進(jìn)行側(cè)向的運(yùn)動，確保彈性車輪能夠擁有比較好的側(cè)向穩(wěn)定性以及剛度。

（二）彈性車輪承載方式的分析

車輪的承載方式主要分為兩種，分別是底部承載以及頂部承載。

對于底部承載輪子來說，其主要結(jié)構(gòu)是剛性輪。剛性輪直接對輪轂進(jìn)行壓縮，使其與地面接觸，以此進(jìn)行承載。在任何情況下，唯有這個與地面接觸的區(qū)域承受壓力。底部承載存在的缺點(diǎn)是單位質(zhì)量的承載性能比較差。對于頂部承載輪子來說，其主要的結(jié)構(gòu)是張拉式輻輪。輻輪張力的矢量與承載負(fù)荷是相互平衡的。因此，在任意的情況下，輻輪都會均勻的受力，這樣單位質(zhì)量上的承載力就大大提升了。原來的充氣輪胎就是運(yùn)用了這種頂部承載的方式。

機(jī)械車輪的承載方式主要是懸轂式承載。當(dāng)車輪靜止時，承受的是垂直的載荷，車輪的外圈由于受力發(fā)生變形，接地的區(qū)域就變平了。除去和地面接觸的鉸鏈組，其他的部分都會受力，輪轂是懸吊在車輪的外圈上的，這就是懸轂式的承載。這種承載方式的主要優(yōu)點(diǎn)是頂部承載的單位質(zhì)量非常高，同時還能確保車輪具有非常好的附著特性。

二、對機(jī)械彈性車輪進(jìn)行建模分析

（一）對車輪進(jìn)行力學(xué)建模

由于彈性車輪的外圈直接和地面進(jìn)行接觸，因此，外圈主要決定著車輪的特性。彈性車輪外圈的厚度比車輪的半徑要小很多，因此，我們可以依據(jù)外圈承載變形的主要特點(diǎn)將外圈建立成圓形梁模型。在圓形梁模型中，可以將平面變形極大的簡化，成為極坐標(biāo)系的一維問題。

此時，可以用梁厚度變量以及角度函數(shù)來表示在彈性梁中，徑向位移與圓周方向的位移。

厚度可以表示為：

可以將應(yīng)變表示成下面的式子：

在這個式子里，εrr的含義是徑向正應(yīng)變，的含義是環(huán)向正應(yīng)變，的含義是切應(yīng)變，θ是曲梁和X之間的角度。

應(yīng)力分布可以用下面的式子來表示：

在這個式子里，σrr代表的是徑向正應(yīng)力，σθθ表示的環(huán)向正應(yīng)力，σrθ代表的是切應(yīng)力，字母A代表的是圓環(huán)梁橫截面的面積，字母I代表的是橫截面的慣量。

外圈和輪轂間的載荷主要通過鉸鏈組傳遞，鉸鏈組分布于圓周方向上。對機(jī)械彈性車輪的承載方式分析后，可以得到，車輪軸上被施加的荷載會通過全部鉸鏈組拉伸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輪的承載，但除去接地區(qū)域，也就是說，在車輪承載之時，鉸鏈組所承受的拉力只是來自于拉伸形成的力。

（二）對車輪進(jìn)行有限元模型分析 為了明確機(jī)械彈性車輪圓形梁模型的精確性，我們建立有限元模型。有限元模型中，把車輪外圈的彈性環(huán)設(shè)置成由組合卡固定在一塊的4組彈性環(huán)，對于其它諸如尖叫和橡膠紋都忽略掉。因此，這樣車輪外圈的模型主要包含胎體、彈性環(huán)以及胎面。建模時，對于橡膠的超彈性給予了考慮，因此，材料模型預(yù)使用Mooney-Rivilin橡膠材料，將輪胎的氣壓設(shè)定為350kpa。同時，為了更好對接觸區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行分析，特把接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了稍微的細(xì)化。整個模型可以分為307632個小單元，節(jié)點(diǎn)的總數(shù)是374774個，單元最小尺寸被管控在2毫米。此外，為了能夠更清楚的了解輪胎和剛性路面接觸后出現(xiàn)的問題，因此，選用了柔性剛面接觸單元。輪胎的底部采用了CONTACT173接觸單元，而地面上則使用剛性面進(jìn)行模擬，進(jìn)而形成了TARGET170目標(biāo)單元。

三、對結(jié)果進(jìn)行分析

（一）對負(fù)荷特性進(jìn)行分析

負(fù)荷特性的試驗(yàn)在自制車輪垂直向剛度試驗(yàn)臺上面進(jìn)行。先把車輪放到試驗(yàn)臺上，對其直徑進(jìn)行測量，而后向固定在輪轂的軸上施加壓力，同時要測量此時車輪的直徑。得到數(shù)據(jù)后，在依據(jù)前面的力學(xué)模型、有限元模型對車輪的負(fù)荷特性進(jìn)行分析。分析后，結(jié)果最大的誤差是8.6%，這個誤差是符合建模精度的，因此，以上建立的兩個模型可以正確的反映車輪的結(jié)構(gòu)與徑向承載的特性。分析得知，彈性車輪的負(fù)荷曲線與充氣輪胎相比，其傾斜率要小很多，這充分的表明，在徑向剛度方面，彈性車輪要比充氣輪胎大，形成的原因主要在于車輪承載的決定因素是外圈和鉸鏈組，這些材料的剛度比較大，因此，在承受很大的荷載后，產(chǎn)生的位移就很小了，這樣就很好的維持了輪胎的圓度，大大降低了翻轉(zhuǎn)力矩，從而使得滾動阻力也大大降低。

（二）對靜態(tài)接地壓力的分析

小負(fù)荷的輪胎變形比較小的時候，接地后的形狀是橢圓形，伴隨著負(fù)荷不斷加大，輪胎的變形逐漸的增大，變形的主要趨向是矩形分布。下面將充氣輪胎和機(jī)械彈性輪胎的靜態(tài)接地作對比。

充氣輪胎隨著荷載的不斷增大，其接地的印記逐漸變大，逐漸呈現(xiàn)出馬鞍形狀，同時，隨著負(fù)荷不斷加大，其接地的長度和壓力都在增大。負(fù)荷較小的時候，橫向接地印記的中心部位壓力比較大，并且分布也比較的均勻，隨著載荷不斷加大，壓力由中部轉(zhuǎn)向了輪胎的肩部。

機(jī)械彈性車輪接地的形狀呈現(xiàn)出矩形。在負(fù)荷比較小的時候，壓力值最大的部位在車輪的中部位置，隨著負(fù)荷逐漸增大，壓力分布漸漸向縱深發(fā)展。當(dāng)處于大負(fù)荷的時候，胎肩處沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這說明，機(jī)械彈性輪胎的接地壓力分布比較的均勻，這樣可以大大提升車輪的耐磨性以及抓地的性能。

結(jié)語

綜上所述，傳統(tǒng)充氣輪胎的接地壓力不均勻，而機(jī)械彈性車輪則通過對車輪外圈變形的控制，使得接地壓力變得更加的均勻，大大降低了接地時的偏度值。本文主要對機(jī)械彈性車輪對提升輪胎耐的磨性能以及抓地性能進(jìn)行了分析，期待期待本文的研究能夠?qū)Ω纳栖囕喗Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化車輪性能有所裨益。

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