夏志昊, 龔俊杰*, 韋源源, 潘 磊, 瞿繪軍

(1. 揚州大學機械工程學院, 江蘇 揚州 225127; 2. 揚州奧特瑞汽車電子科技有限公司, 江蘇 揚州 225200;3. 揚州中集通華專用汽車有限公司, 江蘇 揚州 225102)

輪胎作為汽車與路面唯一直接接觸并產(chǎn)生相互作用的媒介, 支撐著汽車的整體質(zhì)量, 并影響汽車操縱的穩(wěn)定性[1]．然而, 傳統(tǒng)的充氣輪胎存在爆胎或漏氣等安全隱患, 嚴重影響汽車的行駛安全[2-4]．近年來, 眾多學者針對汽車輪胎的安全性能進行了大量研究．Formentin等[5]使用單個壓力傳感器同時檢測4個車輪的壓力, 有效預(yù)防了胎壓問題引起的爆胎; Sathishkumar等[6]通過分析輪胎漏氣車輛在有無轉(zhuǎn)向情況下高速行駛時的運動軌跡, 開發(fā)出一種可減小車輛側(cè)傾加速度的懸架模型; 臧利國等[7]針對零壓行駛工況下胎面摩擦生熱嚴重、胎圈易脫落等問題,研究出一種滿足車輛大負荷、長距離使用要求的組合式內(nèi)支撐安全輪胎．隨著汽車安全系統(tǒng)的不斷完善[8], 爆胎應(yīng)急裝置作為一種新型的車輛被動安全保護裝置備受關(guān)注, 該裝置能夠在車輛爆胎瞬間有效保護車內(nèi)人員及車輛的安全. 已有爆胎應(yīng)急裝置的結(jié)構(gòu)強度與剛度性能受環(huán)境溫度變化影響較大, 車輛行駛過程中存在諸多安全隱患．針對以上問題,本文擬設(shè)計出一種新型爆胎應(yīng)急裝置, 并利用ANSYS有限元軟件建立其熱力耦合模型, 測試不同溫度環(huán)境下該裝置的熱應(yīng)力與熱變形, 旨在更好地發(fā)揮爆胎應(yīng)急裝置的安全保護作用．

1 爆胎應(yīng)急裝置

爆胎應(yīng)急裝置主要由墊塊、條帶和連接件等組成, 具體結(jié)構(gòu)如圖1所示．裝置中墊塊起緊固和支撐作用, 條帶由連接件連接后將墊塊串聯(lián),連接件起連接作用, 包括螺栓、工字件、把式件、壓緊扣和連接扣等．爆胎應(yīng)急裝置安裝于輪輞內(nèi)環(huán)凹槽或斜面上, 如圖2所示, 可有效填補輪輞內(nèi)徑差．當輪胎爆胎或氣壓較低時, 該裝置能夠有效防止輪胎胎唇滑入輪輞凹槽以及輪胎脫離輪輞, 從而避免了輪輞接觸地面導(dǎo)致的車輛失控, 有助于車輛的穩(wěn)定性控制．

圖1 爆胎應(yīng)急裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 爆胎應(yīng)急裝置工作示意圖

2 熱力耦合仿真模型

2.1 熱力耦合原理

本文采用ANSYS軟件對爆胎應(yīng)急裝置進行熱力耦合分析. 首先通過熱分析模擬爆胎應(yīng)急裝置的穩(wěn)態(tài)溫度場, 將每組溫度場的計算結(jié)果作為載荷導(dǎo)入靜力學模型并施加在該裝置上, 隨后對爆胎應(yīng)急裝置施加4.65 kN的預(yù)緊力約束條件, 完成熱力耦合分析．

2.2 網(wǎng)格劃分與材料屬性

本文利用ANSYS有限元軟件對爆胎應(yīng)急裝置進行三維建模, 模型采用單元尺寸為10 mm的六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分, 共生成單元119 871個, 節(jié)點267 106個．爆胎應(yīng)急裝置網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示．

圖3 網(wǎng)格劃分

爆胎應(yīng)急裝置中條帶的材料為Q345, 工字和把式連接件的材料為Q690, 螺栓連接件的材料為SCM435, 墊塊的材料為PA6, 輪轂的材料為45鋼, 各類材料的具體參數(shù)如表1所示．

表1 材料參數(shù)

2.3 邊界條件與施加載荷

考慮到嚴寒天氣長期駐車情況下, 爆胎應(yīng)急裝置的溫度與環(huán)境溫度相近, 最低可達-25 ℃左右[10],而車輛在高速行駛情況下[11], 內(nèi)置爆胎應(yīng)急裝置的溫度可達100 ℃, 故設(shè)置低溫與高溫試驗的極限溫度分別為-25, 100 ℃．通過分析極限溫度及常溫(20 ℃)下輪輞的應(yīng)力分布情況,得出不同溫度下輪轂的最大應(yīng)力值均不超過50 MPa, 故本文著重研究爆胎應(yīng)急裝置的結(jié)構(gòu)性能．

將每組溫度場的計算結(jié)果作為載荷施加到爆胎應(yīng)急裝置表面, 再對輪輞施加遠端約束, 約束除Z向旋轉(zhuǎn)外的5個自由度．此外, 爆胎應(yīng)急裝置與輪輞的接觸設(shè)定為摩擦接觸, 其余各部件均為綁定接觸．

為保證爆胎應(yīng)急裝置各部件連接的穩(wěn)定性, 對螺栓連接件施加一定的預(yù)緊力F0．本文采用的螺栓連接件為SCM435材料的5.6級M8螺栓, 此型號螺栓預(yù)緊力不能超過7.75 kN, 結(jié)合實際設(shè)計需求[12], 對爆胎應(yīng)急裝置的螺栓連接件施加4.65 kN預(yù)緊力．

3 結(jié)果與分析

3.1 不同溫度環(huán)境下的熱應(yīng)力與熱變形分析

為研究不同溫度變化對爆胎應(yīng)急裝置力學性能的影響, 設(shè)置環(huán)境溫度分別為-25,-15,-5,5,20,40,60,80,100 ℃, 分析不同溫度場下爆胎應(yīng)急裝置的熱應(yīng)力與熱變形．爆胎應(yīng)急裝置有限元計算結(jié)果如圖4～5所示．由圖4～5可知: 隨溫度升高, 爆胎應(yīng)急裝置的最大等效應(yīng)力與最大變形均逐漸增大, 并且該裝置內(nèi)圈會產(chǎn)生一定的應(yīng)力與變形; 當環(huán)境溫度為-25 ℃時, 最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓處, 最大應(yīng)力值為161 MPa, 最大變形出現(xiàn)在螺栓桿右側(cè)條帶處, 最大變形值為0.96 mm; 當環(huán)境溫度為20 ℃時, 最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓連接處右側(cè)的條帶上, 最大應(yīng)力值為195 MPa, 最大變形出現(xiàn)在螺栓右側(cè)條帶處, 最大變形值為1.11 mm; 當環(huán)境溫度為100 ℃時, 最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓處, 最大應(yīng)力值為280 MPa, 最大變形出現(xiàn)在把式件左側(cè)條帶處, 最大變形值為1.71 mm．綜上, 該爆胎應(yīng)急裝置在不同環(huán)境溫度下的最大應(yīng)力值均未超過屈服極限, 且最大變形值為1.71 mm, 由此驗證了該裝置在極端溫度條件下的穩(wěn)定性與可靠性．

圖4 不同溫度環(huán)境下爆胎應(yīng)急裝置應(yīng)力云圖

3.2 模型驗證

為驗證有限元計算結(jié)果的準確性,對不同溫度下該爆胎應(yīng)急裝置危險部位(螺栓桿連接處兩側(cè)條帶)的應(yīng)力值進行布點測試, 具體測點分布及試驗現(xiàn)場情況如圖6所示．在20℃時將爆胎應(yīng)急裝置安裝在車輪槽內(nèi), 放入溫度箱進行不同溫度下的應(yīng)力測試, 設(shè)置初始溫度后, 每隔12 h進行一次數(shù)據(jù)采集, 隨后調(diào)節(jié)溫度進行下一輪試驗．本文所有測點均使用單向應(yīng)變片,考慮到應(yīng)變片自身的溫度誤差, 采用電橋補償法, 增設(shè)一塊材料相同的補償塊作為參照．

本文通過增加扭矩T=KF0d對螺栓連接件施加預(yù)緊力, 其中K為擰緊力矩系數(shù), 根據(jù)零件加工表面狀態(tài),本文取0.2;d為螺紋的公稱直徑, 為8 mm．故對爆胎應(yīng)急裝置的螺栓連接件施加4.65 kN預(yù)緊力所需的扭矩為7.44 N·m．

對不同溫度環(huán)境下各測點的應(yīng)力仿真值與測試值進行比較分析,結(jié)果如圖7所示．

圖7 不同溫度環(huán)境下仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比

由圖7可知:不同溫度環(huán)境下各測點的應(yīng)力仿真值與測試值誤差均小于20%, 表明該有限元模型具有較好的準確性;當環(huán)境溫度由20 ℃逐漸降低至極限低溫-25 ℃時, 爆胎應(yīng)急安全裝置各測點的最大應(yīng)力值不斷降低, 最大降幅為17%, 故在極限低溫環(huán)境下爆胎應(yīng)急安全裝置具有較好的安全性和可靠性; 當環(huán)境溫度由20 ℃逐漸升高至極限高溫100 ℃時,爆胎應(yīng)急安全裝置各測點的最大應(yīng)力值不斷增大, 最大增幅為43%, 并且各測點的應(yīng)力值均小于材料的屈服強度,故在極限高溫環(huán)境下爆胎應(yīng)急安全裝置仍符合安全使用要求; 條帶內(nèi)圈與外圈的應(yīng)力均隨溫度升高而增大, 內(nèi)圈與外圈的應(yīng)力值增幅大于條帶兩側(cè)．