臧利國,趙又群,李 波,王 健,付宏勛

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院,南京 210016; 2.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，南京 211167)

2016056

非充氣機械彈性車輪接地特性試驗研究*

臧利國1,2,趙又群1,李 波1,王 健1,付宏勛1

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院,南京 210016; 2.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，南京 211167)

本文中采用壓敏膜法對機械彈性車輪的靜態(tài)接地特性進(jìn)行試驗研究。通過靜態(tài)接地特性試驗，研究了充氣安全輪胎、輮輪和機械彈性車輪在不同載荷下的接地壓力分布規(guī)律，根據(jù)提取的接地壓力分布幾何與力學(xué)特征參數(shù)，對比分析了充氣安全輪胎和機械彈性車輪的接地特性。結(jié)果表明，機械彈性車輪能有效緩解充氣輪胎在大負(fù)荷時胎肩的應(yīng)力集中問題，在一定負(fù)荷范圍內(nèi)提高了輪胎的磨損和抓地性能。

車輛；機械彈性車輪；充氣輪胎；接地特性；試驗

前言

輪胎是車輛與地面直接接觸的唯一部件，兩者相互作用形成的界面提供了車輛運動需要的所有力和力矩，對車輛的平順性、操縱穩(wěn)定性、輪胎磨損和噪聲產(chǎn)生重要的影響[1]。輪胎的接地特性直接影響其使用性能的優(yōu)劣，其中輪胎接地壓力分布的研究一直是輪胎設(shè)計工程師與生產(chǎn)廠家關(guān)注的重要課題[2]。輪胎接地壓力過高或者分布不均將導(dǎo)致輪胎的快速磨損，降低使用壽命，同時也會引起車內(nèi)的振動和噪聲，影響車輛舒適性；輪胎接地壓力過小又會給輪胎控制帶來困難，影響車輛的操縱穩(wěn)定性[3-4]。

由于傳統(tǒng)充氣輪胎存在刺破泄氣、胎壓需要維護等問題，其中，扁平輪胎還存在胎冠變形難以控制導(dǎo)致接地壓力分布不均、能量損失增加等問題，因此，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)試圖尋求提高輪胎接地性能和車輛通過性的其他途徑，提出了仿生輪胎[5-6]、非充氣輪胎[7-9]和金屬彈性輪胎[10]等。

為了提高車輛在越野路面的通過性和可靠性，課題組提出了一種基于某型越野車輛的機械彈性車輪，建立了有限元模型并對其力學(xué)特性、通過性等進(jìn)行了理論與試驗研究[11-13]。在前期研究的基礎(chǔ)上，本文中基于自行開發(fā)的輪胎特性試驗臺，采用壓敏膜法對內(nèi)支撐型充氣安全輪胎、輮輪和機械彈性車輪分別進(jìn)行了靜態(tài)接地特性試驗，研究了接地壓力分布隨載荷的變化規(guī)律，通過提取的接地壓力分布幾何和力學(xué)特征參數(shù)指標(biāo)，對比分析了機械彈性車輪和內(nèi)支撐型充氣安全輪胎的接地特性，結(jié)果表明機械彈性車輪能有效緩解充氣輪胎在大負(fù)荷時胎肩的應(yīng)力集中問題，提高了充氣輪胎在一定負(fù)荷范圍內(nèi)的磨損和抓地性能。

1 機械彈性車輪的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機械彈性車輪結(jié)構(gòu)組成

機械彈性車輪突破傳統(tǒng)車輪和輪胎的分體設(shè)計，采用鉸鏈組連接彈性輮輪和輪轂的非充氣結(jié)構(gòu)，因此不會爆胎和刺破泄氣。車輪結(jié)構(gòu)包括輮輪、鉸鏈組、輪轂等部件，如圖1所示。其中輮輪由彈性環(huán)、彈性環(huán)組合卡和橡膠層組成。

圖1 機械彈性車輪結(jié)構(gòu)示意圖

鉸鏈組由3節(jié)鉸鏈構(gòu)成，連接在輮輪與輪轂之間，長度略大于兩者之間的安裝間隙，輪轂通過鉸鏈組懸掛在輮輪上，因此輪轂又稱之為懸轂。鉸鏈組結(jié)構(gòu)中的鉸鏈1允許有一定角度范圍內(nèi)的側(cè)向運動，保證車輪具有良好的側(cè)向穩(wěn)定性和一定的側(cè)向剛度。

1.2 機械彈性車輪承載分析

車輪的承載方式分底部承載和頂部承載兩種形式[7]，如圖2所示。

圖2 車輪底部承載與頂部承載方式

底部承載車輪的典型結(jié)構(gòu)是剛性輪，通過直接壓縮輪轂到地面接觸區(qū)域來承載，在承載的任意時刻，只有此壓縮區(qū)域受力。底部承載方式單位質(zhì)量的承載能力較差。頂部承載輪子的典型結(jié)構(gòu)是張拉式輻輪，輪輻張力的矢量和與承載負(fù)荷相平衡，在承載的任意時刻，所有輪輻均受力，因此單位質(zhì)量的承載能力得到提高。傳統(tǒng)充氣輪胎車輪的承載方式就屬于頂部承載。

機械彈性車輪的承載如圖3所示。當(dāng)車輪靜止承受垂直載荷時，彈性車輪外圈受力變形，接地區(qū)域變平。除地面接觸區(qū)域的鉸鏈組外，其余均承受拉力，輪轂懸掛在車輪外圈上，因此稱該承載方式為懸轂式承載。懸轂式承載既有頂部承載單位質(zhì)量承載能力高的特點，又能從結(jié)構(gòu)上保證車輪與地面之間產(chǎn)生足夠的接觸變形，使車輪具有良好的附著性能。

圖3 機械彈性車輪的承載

2 車輪接地特性試驗

輪胎接地特性試驗測試方法主要有壓力板法、壓力傳感器法、壓敏膜法和光吸收法[2]。壓敏膜法具有測量過程簡單、快捷，測量結(jié)果精確、可視化和數(shù)字化等優(yōu)點，因此本文中采用壓敏膜法對車輪接地壓力分布進(jìn)行測試。壓敏膜采用FUJI公司生產(chǎn)的雙片型Prescale TM壓力敏感膜。

車輪靜態(tài)接地特性試驗在自行研制的輪胎特性試驗臺架上進(jìn)行，如圖4所示。試驗前對所測試的內(nèi)支撐型充氣安全輪胎按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)汽車輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗方法[14]的相關(guān)要求進(jìn)行預(yù)處理，并對試驗臺架進(jìn)行標(biāo)定。將充氣輪胎的胎壓重新調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)氣壓，通過車軸將輪胎固定在試驗臺架上，輪胎與模擬路面平臺間放置壓敏膠片，保持一定的速度施加徑向負(fù)荷到規(guī)定值，施加的速度應(yīng)確保壓敏膠片不起皺。為了保證試驗結(jié)果具有可比性，試驗所用的機械彈性車輪的寬度與內(nèi)支撐型充氣安全輪胎斷面寬度尺寸相同，名義外徑相同。試驗所用的內(nèi)支撐型充氣安全輪胎的最大負(fù)荷為17 150N，額定氣壓為350kPa，名義斷面寬度為317mm。

圖4 輪胎特性試驗臺架

3 試驗結(jié)果

3.1 內(nèi)支撐型充氣安全輪胎接地特性試驗

圖5 內(nèi)支撐型充氣安全輪胎的接地壓力分布

內(nèi)支撐型充氣安全輪胎在不同負(fù)荷下的接地壓力分布如圖5所示。在徑向負(fù)荷較小時，輪胎變形也較小，接地印跡的形狀近似為橢圓，隨著負(fù)荷的增加輪胎變形增大，接地寬度、長度和印跡都有不同程度的增加，且接地印跡中間部分為矩形，兩端部分是弧形。在小負(fù)荷時，輪胎接地壓力在胎面中心處較大，隨著負(fù)荷的增加，輪胎壓力分布沿接地寬度和長度方向擴展，在輪胎接地印跡的幾何中心，沿寬度方向的壓力分布類似于馬鞍形，在長度方向的壓力分布中部趨于平坦，兩邊呈曲線分布[13]。但是，隨著負(fù)荷的增加，輪胎兩側(cè)胎肩處的壓力逐漸變大。若胎肩處的壓力過大，胎面容易發(fā)生翹曲，造成輪胎偏磨。

內(nèi)支撐型充氣安全輪胎在額定氣壓下，內(nèi)支撐體和胎面橡膠內(nèi)側(cè)不接觸，該輪胎的接地特性與普通充氣輪胎一樣。只有在輪胎氣壓降低到使內(nèi)支撐體與橡膠內(nèi)側(cè)接觸時，內(nèi)支撐體才能影響到輪胎的接地壓力分布。需要提出的是，隨著載荷的增加，充氣輪胎接地區(qū)域會發(fā)生翹曲，即接地印跡中心壓力變小，接地印跡四周壓力變大，尤其是胎肩部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。輪胎的翹曲會造成輪胎的快速磨損，縮短輪胎的使用壽命。

3.2 輮輪接地特性試驗

對機械彈性車輪的輮輪進(jìn)行靜態(tài)接地特性試驗時，輮輪為沒有胎面花紋的光胎。由于輮輪未安裝輪轂和鉸鏈組結(jié)構(gòu)，故通過試驗臺架的承載壓力板對其進(jìn)行徑向加載試驗，得到不同負(fù)荷下輮輪的接地壓力分布，如圖6所示。

圖6 輮輪的接地壓力分布

3.3 機械彈性車輪接地特性試驗

對機械彈性車輪進(jìn)行靜態(tài)接地特性試驗，得到不同載荷下的接地壓力分布，如圖7所示。

圖7 機械彈性車輪的接地壓力分布

由圖7可知，與輮輪的接地壓力分布類似，機械彈性車輪的接地印跡形狀近似為矩形，隨著負(fù)荷的增加，接地寬度基本保持不變，接地的長度和接地面積均增加。在小負(fù)荷時，沿長度方向的壓力分布類似于拋物線，寬度方向的壓力分布類似于矩形波。隨著載荷的增加，壓力沿長度方向擴展，在寬度方向的壓力值逐漸變大，分布仍類似于矩形波分布，但是在輮輪的彈性環(huán)骨架處壓力值逐漸變大。較充氣輪胎而言，在大負(fù)荷時機械彈性車輪的接地壓力均勻性得到改善。

4 試驗結(jié)果處理與分析

4.1 徑向剛度

根據(jù)試驗結(jié)果可得到機械彈性車輪與充氣輪胎和輮輪的徑向剛度曲線，如圖8和圖9所示。

圖8 機械彈性車輪與充氣輪胎徑向剛度曲線

圖9 機械彈性車輪與輮輪徑向剛度曲線

由圖8可知，機械彈性車輪與充氣輪胎的徑向剛度曲線近似為線性，且機械彈性車輪的徑向剛度(剛度曲線斜率的倒數(shù))大于充氣輪胎的徑向剛度。由此可知，機械彈性車輪具有較強的承載能力，能較好地保持車輪圓度，降低了車輪的滾動阻力。在相同載荷下，充氣輪胎的下沉量大于機械彈性車輪的下沉量，且隨著載荷的增加，兩者下沉量的差值越大。

由圖9可知，在載荷小于10 000N時，輮輪的下沉量隨載荷的增加急劇增加，且近似為線性。在相同的載荷下，輮輪的下沉量明顯大于機械彈性車輪的下沉量，這是因為輮輪安裝上鉸鏈組和輪轂之后，徑向剛度顯著變大，承載能力變強。由上述試驗結(jié)果進(jìn)一步分析可知，鉸鏈組結(jié)構(gòu)對機械彈性車輪的徑向剛度影響很大，因此在設(shè)計中要合理地選擇鉸鏈組數(shù)目、材料和結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)，從而保證車輪合理的徑向剛度范圍。

4.2 接地壓力分布的幾何與力學(xué)特征

接地壓力分布幾何特征主要是指與接地壓力分布區(qū)域，即接地印跡的幾何形狀相關(guān)的指標(biāo)，主要包括接地長度L、接地寬度W、接地系數(shù)K和接地面積S等，其中接地系數(shù)為接地長度與寬度的比值。由于設(shè)計的機械彈性車輪為未帶胎面花紋的光胎，為了便于對比兩種不同輪胎的性能，此處的接地面積指胎面行駛面在剛性平面上的投影面積，而非接地印跡的面積。接地壓力分布力學(xué)評價指標(biāo)包括硬度系數(shù)k、平均接地壓力p和接地壓力偏度值β。

圖10為接地壓力分布坐標(biāo)系，X軸和Y軸的交點為接地印跡的幾何中心。

圖10 接地壓力分布坐標(biāo)系

對接地壓力分布試驗結(jié)果進(jìn)行處理，確定接地印跡的邊界，計算相應(yīng)的接地壓力特征參數(shù)。表1、表2和表3分別為輮輪、機械彈性車輪和內(nèi)支撐型充氣安全輪胎的接地壓力分布幾何和力學(xué)特征參數(shù)。

表1 輮輪接地壓力分布特征參數(shù)

表2 機械彈性車輪接地壓力分布特征參數(shù)

表3 充氣輪胎接地壓力分布特征參數(shù)

由表1和表2可知，隨著載荷的增加，輮輪和機械彈性車輪接地寬度基本保持不變，接地長度、接地系數(shù)和接地面積逐漸增加。平均接地壓力基本上隨著載荷的增大而升高；但機械彈性車輪當(dāng)載荷約為17 000N時，平均接地壓力達(dá)到最大值，隨后再繼續(xù)增大載荷，平均接地壓力稍有降低。

對比輮輪和機械彈性車輪接地壓力特征參數(shù)可知，在相同載荷下，兩者接地寬度基本一樣，輮輪的接地長度、接地面積和接地系數(shù)大于機械彈性車輪的相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)一步反映出車輪徑向剛度對接地特性參數(shù)的影響，為優(yōu)化機械彈性車輪徑向剛度提供了參考。

由表3可知，隨著載荷的增加，充氣輪胎接地寬度逐漸增加，當(dāng)接地寬度值達(dá)到230mm后，基本保持不變，接地長度、接地系數(shù)和接地面積這3個特征參數(shù)均變大，平均接地壓力總體表現(xiàn)為隨著載荷的增加，逐漸變大。

對比機械彈性車輪和充氣輪胎的接地特征參數(shù)可知，在具有相同的斷面寬度和負(fù)荷的情況下，機械彈性車輪的接地寬度值明顯大于充氣輪胎接地寬度，但是由于機械彈性車輪的徑向剛度較大，接地長度比充氣輪胎的接地長度要小。當(dāng)載荷約為13 000～17 000N時，充氣輪胎的接地面積大于機械彈性車輪的接地面積；在其它載荷下，機械彈性車輪的接地面積值大于充氣輪胎的接地面積。

從平均接地壓力的角度來看，當(dāng)載荷約為13 000～17 000N時，機械彈性車輪平均接地壓力值大于充氣輪胎的平均接地壓力值；在其它載荷下，機械彈性車輪平均接地壓力值小于充氣輪胎的平均接地壓力值。輪胎的平均接地壓力直接影響輪胎的抓地性能，但是輪胎若長期在超負(fù)荷下使用，將導(dǎo)致其快速磨損。

為定量分析機械彈性車輪與充氣輪胎的接地壓力均勻性，引入接地壓力偏度值[2]。

式中：np為測量點數(shù)，np=10；pi為各測量點的壓力值，MPa；p為平均接地壓力，MPa。在載荷為19 700N時，分別測定兩種輪胎接地區(qū)域內(nèi)的接地壓力分布。算得機械彈性車輪的接地壓力偏度值為168kPa，充氣輪胎的接地壓力偏度值為183kPa，說明在負(fù)荷為19 700N時，機械彈性車輪較充氣輪胎具有較好的接地壓力均勻性。

由以上分析可知，機械彈性車輪能有效改善充氣輪胎在一定負(fù)荷范圍內(nèi)的磨損，提高抓地性能。但是，機械彈性車輪徑向剛度比充氣輪胎徑向剛度值大，從平均接地壓力的角度仍需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高其綜合接地性能。

5 結(jié)論

(1) 輪胎的徑向剛度直接影響其接地壓力分布，機械彈性車輪的徑向剛度大于內(nèi)支撐型充氣安全輪胎的徑向剛度，且鉸鏈組是決定機械彈性車輪徑向剛度的重要結(jié)構(gòu)。在相同負(fù)荷下，機械彈性車輪的接地長度小于內(nèi)支撐型充氣安全輪胎的接地長度，但接地寬度大于充氣輪胎的接地寬度；在載荷約小于13 000N或約大于17 000N時，機械彈性車輪的接地面積大于充氣輪胎的接地面積。

(2) 機械彈性車輪通過懸轂式承載改善了胎面的接觸剛度分布，沒有充氣輪胎胎肩的應(yīng)力集中問題，在載荷約小于13 000N或約大于17 000N時，車輪的平均接地壓力小于充氣輪胎的平均接地壓力；載荷為197 000N時，機械彈性車輪接地壓力偏度值小于充氣輪胎，說明其接地壓力分布的均勻性得到改善，有效提高了車輪的磨損和抓地性能。

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An Experimental Study on the Ground Contact Characteristics ofNon-pneumatic Mechanical Elastic Wheel

Zang Liguo1,2, Zhao Youqun1, Li Bo1, Wang Jian1& Fu Hongxun1

1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016;2.SchoolofAutomotive&RailTransit,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167

An experimental study on the static ground contact characteristics of mechanical elastic wheel is conducted with pressure sensitive film method in this paper. Through the tests on static ground contact characteristics, the distribution patterns of ground contact pressure for pneumatic safety tire, rim wheel and mechanical elastic wheel are studied. Based on the geometric and mechanic feature parameters of contact pressure distribution extracted, the ground contact characteristics of pneumatic tire and mechanical elastic wheel are comparatively analyzed. The results indicate that the mechanical elastic wheel can efficiently mitigate the problem of stress concentration in pneumatic tire shoulder under heavy load and enhance the wear resistance and ground grip performances of wheel.

vehicles; mechanical elastic wheel; pneumatic tire; ground contact characteristics; test

*總裝探索研究項目(NHA13002)和南京工程學(xué)院高層次引進(jìn)人才科研啟動基金(YKJ201516)資助。

原稿收到日期為2014年10月11日，修改稿收到日期為2014年12月26日。