閆樂樂　趙又群　付宏勛　王　強

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

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機械彈性車輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計

閆樂樂趙又群付宏勛王強

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

針對機械彈性車輪的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生細微變化或者結(jié)構(gòu)不滿足強度、剛度等要求時，都需要進行重復(fù)設(shè)計以致延長設(shè)計分析周期的問題，基于參數(shù)化設(shè)計和Pro/E二次開發(fā)的理論，開發(fā)了機械彈性車輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計平臺，該平臺以交互的方式實現(xiàn)機械彈性車輪強度和尺寸校核、三維零件模型和工程圖的自動生成、虛擬裝配等，同時避免了在傳統(tǒng)設(shè)計過程中通過查閱國家標(biāo)準(zhǔn)、工程手冊來確定設(shè)計參數(shù)等繁瑣工作。實例結(jié)果表明，利用所提出的技術(shù)與方法能夠?qū)崿F(xiàn)機械彈性車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計。

機械彈性車輪；Pro/E二次開發(fā)；參數(shù)化設(shè)計；數(shù)字化設(shè)計

0　引言

美國汽車工程師協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，美國每年約有26萬起交通事故是由輪胎故障所引起的，通常當(dāng)車速達160 km/h以上時，爆胎所造成的死亡率接近100%[1]。因此，安全車輪的研制成為國內(nèi)外輪胎公司和汽車企業(yè)關(guān)注的焦點。目前技術(shù)比較成熟的安全車輪是在傳統(tǒng)充氣輪胎的設(shè)計基礎(chǔ)上采取必要的安全措施，如自封型安全輪胎、內(nèi)支撐型安全輪胎等。此外，人們正在探索研制新的安全輪胎，如無充氣TWEEL車輪[2]、負泊松比N-輪[3]和彈性車輪[4-5]等。

機械彈性車輪作為一種新的安全車輪，集橡膠輪胎和輪轂為一體，能夠避免輪胎穿孔、爆胎等危險情況的發(fā)生，從而有效保證車輛行駛安全性[6]。文獻[7-9]對其基本構(gòu)成、工作原理、通過性等方面進行了理論與試驗研究。機械彈性車輪設(shè)計是一個十分具體又復(fù)雜的過程，其具體性主要體現(xiàn)在存在大量結(jié)構(gòu)相同或相似的零件，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在彈性環(huán)結(jié)構(gòu)形狀千變?nèi)f化且存在大量設(shè)計規(guī)范。如果機械彈性車輪的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生細微變化或者結(jié)構(gòu)不滿足強度、剛度等要求，則需要進行重復(fù)設(shè)計。所以解決該問題的有效方法之一就是將參數(shù)化設(shè)計引入機械彈性車輪的設(shè)計過程，建立機械彈性車輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計平臺ME-Wheel Design，以交互的方式對其進行設(shè)計，從而提高機械彈性車輪研發(fā)的效率。

1　機械彈性車輪結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

1.1機械彈性車輪結(jié)構(gòu)

機械彈性車輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。機械彈性車輪主要由車輪圈、鉸鏈組及輪轂組構(gòu)成。車輪圈內(nèi)部預(yù)埋彈性環(huán)支撐骨架，由卡環(huán)組將多股鋼絲構(gòu)成的多組彈性環(huán)鎖卡在一起，不僅可以起到車輪的支撐作用，而且可以保證一定的彈性，在車輪圈的外部包裹橡膠形成胎面。車輪輪轂與車輪圈通過等角度布置鉸鏈組連接，鉸鏈組起到緩和沖擊及傳遞轉(zhuǎn)矩等作用，整個車輪通過輪轂用螺栓與汽車半軸連接。

圖1　新型機械彈性車輪結(jié)構(gòu)

1.2機械彈性車輪力學(xué)分析

1.2.1車輪圈受力分析

圖2　新型機械彈性車輪靜承載受力圖

由新型機械彈性車輪的支撐結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)車輪承受靜載荷時，只有上半部分的鉸鏈組受拉承載，下半部分的鉸鏈組受壓后繞鉸接點彎曲變形而不承受載荷。忽略車輪外圈變形對鉸鏈組布置角度的影響，則新型機械彈性車輪的靜承載受力情況如圖2所示。

設(shè)單輪所受靜載力大小為Fz，考慮到受力對稱，上半部分各鉸鏈組受力依次為F3、F2、F1、F2、F3，根據(jù)平衡方程以及變形協(xié)調(diào)條件可得

(1)

1.2.2彈性環(huán)受力分析

圖3　彈性環(huán)左半圓環(huán)受力情況

根據(jù)彈性環(huán)左右對稱性，同時忽略其變形造成的角度影響，可將彈性環(huán)沿豎直方向分成左右兩部分進行受力分析，如圖3所示。左右兩部分的受力情況一致，計算左半部分即可。將其左半部分分為AB、BC、CD、DE四段，設(shè)上下對稱支撐力分別為F4和F5，彈性環(huán)半徑為r。

(2)

根據(jù)圖3所示的計算模型，對彈性環(huán)分段進行受力分析。對AD段，建立圖4所示的分析模型，其中，設(shè)AB段彎矩為M1(α)，剪力為FS1(α)，軸力為FN1(α)；設(shè)BC段彎矩為M2(α)，剪力為FS2(α)，軸力為FN2(α)；設(shè)CD段彎矩為M3(α)，剪力為FS3(α)，軸力為FN3(α)，由平衡方程可得

圖4　彈性環(huán)左半圓環(huán)AD段受力分析

當(dāng)α∈[0°,30°]時，有

(3)

當(dāng)α∈(30°,60°]時，有

(4)

當(dāng)α∈(60°,90°]時，有

(5)

對CD段，建立圖5所示的分析模型，設(shè)彎矩為M4，剪力為FS4，軸力為FN4，α∈[0°,90°]，由平衡方程可得

圖5　彈性環(huán)左半圓環(huán)DE段受力分析

(6)

剪力FS1(α)、FS2(α)、FS3(α)、FS4(α)以及彎矩M1(α)、M2(α)、M3(α)、M4(α)是關(guān)于α的函數(shù)，通過求導(dǎo)可得每段剪力的最大值分別為FS1max、FS2max、FS3max、FS4max，同理可得每段彎矩的最大值分別為M1max、M2max、M3max、M4max，則可求得彈性環(huán)的最大剪力FSmax和最大彎矩Mmax：

FSmax=max(FS1max,FS2max,FS3max,FS4max)

(7)

Mmax=max(M1max,M2max,M3max,M4max)

(8)

1.2.3外懸轂銷軸受力分析

車輪滾動半徑為r1，車輛最大牽引質(zhì)量為mTmax，驅(qū)動輪個數(shù)為nq，所以分配到每個車輪的牽引質(zhì)量m1=mTmax/nq，車身質(zhì)量引起的牽引力為Fm，所以每個車輪受到的牽引力矩為

T=m1gr1+Fmr1

(9)

外懸轂通過n對銷軸和鉸鏈組連接，共有n對力矩，則每對銷軸受到的力矩T1=T/n。

1.2.4鉸鏈組結(jié)構(gòu)受力分析

圖6所示為鉸鏈組結(jié)構(gòu)圖，鉸鏈1、鉸鏈2和鉸鏈3通過銷軸連接在一起。

圖6　鉸鏈組結(jié)構(gòu)圖

假定扭轉(zhuǎn)時鉸鏈組與輪轂外徑相切，銷軸4連接處承受的合力為Fdl，輪轂外徑為r，銷軸4對懸轂的力Fd=T1/r。車輪鉸鏈組拉直后與垂向夾角為α，將鉸鏈3簡化為L形桿，設(shè)銷軸3所受力為Fcx、Fcy，銷軸5所受力為Fe，設(shè)銷軸1所受力合力為Fa，其周向和徑向分力分別為Faz、Far，其受力如圖7所示。根據(jù)平衡方程可得到各銷軸受力情況。

圖7　鉸鏈3簡化受力圖

1.2.5卡環(huán)危險部位受力分析

圖8所示為卡環(huán)組的結(jié)構(gòu)，由于車輪圈是將卡環(huán)用橡膠包裹形成的，考慮車輪工作情況的受力分析可知，卡環(huán)與鉸鏈的連接處是其受力最大的危險部位，故分析其受力情況。

圖8　卡環(huán)組結(jié)構(gòu)

設(shè)車輪鉸鏈組拉直后與垂向夾角為α，則受到的最大周向力為鏈條給予的拉力的分力，即

Faz=Fasinα

(10)

則對于根部，最大彎矩為

Mzwmax=Fazlzw

(11)

其中，lzw指其危險部位至根部長度，如圖8所示。

2　機械彈性車輪的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1重要結(jié)構(gòu)參數(shù)分類

機械彈性車輪的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)主要分為主參數(shù)、從參數(shù)和獨立參數(shù)。其中，主參數(shù)控制整個零件的形狀特征，又稱為驅(qū)動參數(shù)；從參數(shù)主要通過國家標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計準(zhǔn)則、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗以及分析計算結(jié)果等來確定與主參數(shù)之間的聯(lián)系；獨立參數(shù)相對主參數(shù)和從參數(shù)來說具有相對獨立性，不受其變化的影響。機械彈性車輪結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)見表1。

2.2自上而下參數(shù)約束關(guān)系的建立

自下而上參數(shù)約束關(guān)系的建立，是一種為了避免主參數(shù)驅(qū)動變形出錯的建模技巧，即從基礎(chǔ)特征開始，建立一個特征定義一步尺寸，并同時建立與上層之間的約束關(guān)系。機械彈性車輪的參數(shù)約束關(guān)系如圖9所示。

3　機械彈性車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)

3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

ME-Wheel Design是基于VC++開發(fā)的適用于機械彈性車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化的設(shè)計平臺，該系統(tǒng)由總體設(shè)計模塊、車輪圈設(shè)計模塊、輪轂設(shè)計模塊、鉸鏈組設(shè)計模塊、整體裝配設(shè)計模塊組成。各個模塊相互獨立，但又有一定的聯(lián)系：五大模塊完成各自對應(yīng)的設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計結(jié)果保存在相應(yīng)的工程數(shù)據(jù)庫中；設(shè)計中的某些參數(shù)需從其他模塊的工程參數(shù)庫中調(diào)用。ME-Wheel Design系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖10所示。

表1　機械彈性車輪結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)

注：主參數(shù)用P表示，從參數(shù)用N表示，獨立參數(shù)用I表示。

圖9　機械彈性車輪的參數(shù)約束關(guān)系

圖10　ME-Wheel Design系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

3.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的搭建

機械彈性車輪的設(shè)計過程需要查詢大量輪胎行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計手冊的大量數(shù)據(jù)，ME-Wheel Design系統(tǒng)借助Access建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。利用Access數(shù)據(jù)庫建立零件參數(shù)數(shù)據(jù)庫之后，以ADO作為數(shù)據(jù)庫訪問接口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的調(diào)用、修改、添加等訪問操作。實例運行后，ADO訪問彈簧鋼材料及力學(xué)性能如圖11所示。

圖11　ADO訪問彈簧鋼材料及力學(xué)性能

3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)校核的設(shè)計實現(xiàn)

以車輪圈設(shè)計模塊的結(jié)構(gòu)校核的設(shè)計實現(xiàn)為例進行重點介紹，其他模塊結(jié)構(gòu)校核的設(shè)計實現(xiàn)類似。車輪圈模塊的校核分析流程如圖12所示。

圖12　車輪圈設(shè)計模塊的校核分析流程

車輪圈設(shè)計校核分析主要包括彈性環(huán)校核分析、卡環(huán)組校核分析和橡膠層校核分析。首先，彈性環(huán)結(jié)構(gòu)相對簡單，彈性環(huán)校核分析無需進行幾何約束校核，只需進行強度校核；其次，卡環(huán)組校核分析需進行幾何約束校核和危險面強度校核；最后，橡膠層校核分析只需進行幾何約束校核，確定合適的設(shè)計參數(shù)。

3.4零件參數(shù)化的設(shè)計實現(xiàn)

3.4.1零件參數(shù)化模型庫的搭建

參數(shù)化設(shè)計方法的目的是存儲設(shè)計的整個過程，從而設(shè)計出一系列的產(chǎn)品模型。不同型號的產(chǎn)品往往只是尺寸不同而結(jié)構(gòu)相同，映射到幾何模型中，就是幾何信息不同而拓撲信息相同。因此，在對零件進行拓撲結(jié)構(gòu)歸類的基礎(chǔ)上建立參數(shù)化模型，所有的參數(shù)化模型構(gòu)成參數(shù)化模型庫。

以彈性環(huán)參數(shù)化模型的搭建為例進行說明。彈性環(huán)的鋼絲根數(shù)不同，鋼絲排布也有所差異，鋼絲根數(shù)分別取8、9、10、12時，鋼絲排布見表2。

表2　彈性環(huán)排布說明

首先，根據(jù)鋼絲根數(shù)的不同，需要建立與之相對應(yīng)的彈性環(huán)三維模型樣板；其次，利用Pro/E的Family Table、Pro/Program等功能模塊，在已創(chuàng)建的彈性環(huán)三維模型樣板的基礎(chǔ)上，建立一組可以完全控制三維模型形狀尺寸的主控參數(shù)(即鋼絲半徑rx、彈性環(huán)半徑Rx和鋼絲材料等)，進而實現(xiàn)參數(shù)化模型的建立。該參數(shù)化模型不僅定義了幾何信息，而且定義材質(zhì)庫或指定密度等非幾何信息。

3.4.2零件參數(shù)化程序的設(shè)計流程

Pro/Toolkit二次開發(fā)共分為同步模式和異步模式。ME-Wheel Design系統(tǒng)采用異步模式的Pro/E二次開發(fā)技術(shù)，機械彈性車輪的零件參數(shù)化設(shè)計過程可獨立于Pro/E運行，并且可以實現(xiàn)其他CAD系統(tǒng)的無縫結(jié)合。零件參數(shù)化程序設(shè)計流程如圖13所示。

圖13　零件參數(shù)化程序設(shè)計流程

程序流程的核心是將用戶輸入的外部參數(shù)與參數(shù)化模型的內(nèi)部參數(shù)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。首先從參數(shù)化模型庫中將待設(shè)計的模型調(diào)入Pro/E內(nèi)存，并初始化模型及其內(nèi)部參數(shù)；其次定義參數(shù)對象和參數(shù)值對象，用來存儲用戶輸入的設(shè)計參數(shù)值；最后將模型參數(shù)與定義的參數(shù)值對象建立關(guān)系，用戶輸入的設(shè)計參數(shù)值傳遞給參數(shù)化模型的內(nèi)部參數(shù)，再生后可得到新的模型。實例運行后，零件彈性環(huán)參數(shù)化模型再生如圖14所示。

圖14　零件彈性環(huán)參數(shù)化設(shè)計

3.5工程圖參數(shù)化的設(shè)計實現(xiàn)

如上文所述，零件參數(shù)化模型定義了幾何信息和非幾何信息，Pro/E具有全數(shù)據(jù)相關(guān)的特點，零件參數(shù)化模型定義的所有信息可以通過傳遞工程模板傳遞到工程圖中。本文工程圖的參數(shù)化就是對工程模板的參數(shù)化，其設(shè)計流程如圖15所示。

圖15　工程圖參數(shù)化設(shè)計流程

工程圖參數(shù)化設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)的核心函數(shù)是ProDrawingFromTmpltCreate ()。在調(diào)用該函數(shù)之前必須為新創(chuàng)建的工程圖制定工程圖模板庫并設(shè)置工程圖配置文件，系統(tǒng)將會按照工程圖模板自動生成相關(guān)視圖。實例運行后生成鉸鏈3的工程圖。

4　實例

首先，按照設(shè)計要求獲取機械彈性車輪設(shè)計的主參數(shù)值，見表3；其次，圍繞主設(shè)計參數(shù)展開一系列設(shè)計，主要包括胎圈設(shè)計、鉸鏈組設(shè)計和輪轂設(shè)計；最后，在ME-Wheel Design系統(tǒng)的主設(shè)計界面，點擊“生成裝配件”按鈕，系統(tǒng)自動生成變型設(shè)計的機械彈性車輪。鉸鏈組個數(shù)從12變成8，變型前后如圖16所示。

表3　機械彈性車輪設(shè)計的主參數(shù)值

(a)鉸鏈個數(shù)N=12

(b)鉸鏈個數(shù)N=8圖16　機械彈性車輪變型前后對比圖

5　結(jié)論

(1)綜合了VC++語言、Access數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和Pro/E軟件各自的優(yōu)點。

(2)具有高質(zhì)量的用戶界面，在實用的基礎(chǔ)上，強調(diào)操作者與計算機之間的人機友好性。

(3)計算與圖形系統(tǒng)一體化，可實現(xiàn)機械彈性車輪結(jié)構(gòu)的參數(shù)化計算與繪圖，實用性良好。

(4)實現(xiàn)了基于Pro/E的二次開發(fā)子系統(tǒng)與CAD的無縫集成，不僅可以作為Pro/E系統(tǒng)的插件使用，而且可以獨立運行。

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(編輯陳勇)

Structure Parameterized Design for a New Mechanical Elastic Wheel

Yan LeleZhao YouqunFu HongxunWang Qiang

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

It usually required repeated design when subtle changes in the structure sizes or mechanical elastic wheel structures did not meet the requirements of strength, stiffness and so on, so the cycle of design and analysis was obviously prolonged. Aiming at such problems, based on the theory of parametric design and secondary development for Pro/E, a platform for structural parametric design of mechanical elastic wheel was developed. The platform realized the strength and size check, structure size checking, automatic generation for 3D parts model and engineering graphics, virtual assembly, et al, at the same time, it avoided the complications of design data by consulting the national standard and engineering manual in the traditional design. Running examples show that the mechanical elastic wheel structure parametric design can be realized by the technology and methods presented herein.

mechanical elastic wheel；Pro/E secondary development；parameterized design；digital design

2015-06-23

TH122；TP391.7

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.09.018

閆樂樂，女，1989年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為機械彈性車輪的參數(shù)化設(shè)計。趙又群，男，1968年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。付宏勛，男，1987年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院博士研究生。王強，男，1985年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院博士研究生。