新型機械彈性車輪的力學傳遞特性分析

汪 偉，趙又群，姜 成，武 健

(南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

輪胎是車輛接觸地面的唯一媒介.其主要功能是支撐整車重量，與車輪一起傳遞力矩，提供吸振與包絡能力以及保證轉向穩(wěn)定性等.此外，輪胎還必須具有諸如抗磨性、低滾動阻力、安全性等性能特點，其中安全最為重要，一旦行駛中輪胎出現(xiàn)爆胎等故障，則可能造成人員傷亡和財產(chǎn)損失［1］.為了改變這種狀況，安全輪胎應運而生.目前常見的安全輪胎結構主要有以下2種形式:非充氣安全輪胎和充氣安全輪胎.非充氣安全輪胎主要形式有無充氣TWEEL 車輪［2－3］、無充氣蜂窩結構輪胎［4］、彈性車輪［5］和灌注式實心輪胎.充氣安全輪胎主要形式有自密封型輪胎、雙重內腔型輪胎、自體支撐型輪胎和輔助支撐型輪胎［6－7］.

機械彈性車輪是一種特殊的非充氣安全輪胎，它打破了傳統(tǒng)車輪和輪胎的界線，將車輪與輪胎集成于一體.機械彈性車輪能夠改善和消除因車輪故障或失效而導致車輛無法正常工作所引起的安全隱患等問題.該車輪采用彈性環(huán)變形的彈性與橡膠的彈性取代傳統(tǒng)充氣輪胎的彈性，實現(xiàn)包括減震在內的各種輪式車輛的輪胎功能.由于采用無充氣機械彈性結構，這種車輪理論上不存在充氣輪胎爆胎問題.

筆者研究的新型機械彈性車輪具有不怕漏氣、抗刺扎和經(jīng)久耐用等優(yōu)點，但這種車輪尚處于研究階段，要使其在正常情況下的操縱穩(wěn)定性、平順性等達到橡膠充氣輪胎的水平，還有很長的路要走.所以有必要對車輪的內部結構力學傳遞特性進行分析.

1 車輪系統(tǒng)構成及工作原理

1.1 機械彈性車輪系統(tǒng)構成

機械彈性車輪具體的結構如圖1所示.其特征主要由行駛膠圈、彈性環(huán)、彈性環(huán)組合卡、輪轂、回位彈簧、銷軸和鉸鏈等構成.具體的連接關系如下:①用12個彈性環(huán)組合卡等角度均勻分布，將多根彈性環(huán)排列組合鎖卡在一起，如圖1b所示;② 埋設預置硫化在行駛膠圈的橡膠層和簾子布層內置成彈性外輪;③將輪轂置于彈性外輪中間，用銷軸將12個鉸鏈組的一端徑向安裝在彈性外輪內側的彈性環(huán)組合卡的銷座上，再用螺栓軸將12個鉸鏈組的另一端安裝在輪轂的螺栓孔上;④鉸鏈3下端有回位彈簧與輪轂相連，自由狀態(tài)下，鉸鏈組呈現(xiàn)微彎曲狀態(tài).車輛行駛過程中車身載重，地面沖擊以及驅動和制動產(chǎn)生的轉矩造成的鉸鏈的彎曲，可通過鉸鏈3下端的回位彈簧回位［5］.

圖1 機械彈性車輪的系統(tǒng)構成圖

1.2 機械彈性車輪工作原理

1)車軸傳給輪轂的垂直載荷和扭矩使得鉸鏈組由微彎曲狀態(tài)變?yōu)轭A緊狀態(tài)，進而拉動彈性外輪產(chǎn)生拉力，該力沿車輪外圓的切向分力克服車輪與地面的靜摩擦力，使得車輪滾動.

2)輪轂是依靠鉸鏈組的拉力懸于彈性外輪內，由于受垂直載荷變形的影響相對于自由狀態(tài)向下移動一段距離，輪轂下面的鉸鏈組則不受力呈微曲狀，彈性外輪上部因受到來自于輪轂的向下的拉力，使其有設定范疇內的適度的類橢圓的彈性變形.

3)彈性外輪的接地處的直線段與其所延伸圓弧，為其自適性的相切延伸形態(tài)，與充氣輪胎接地處受力時完全局部的變形形態(tài)存在本質的區(qū)別，這使其滾動阻抗及其能量損失小于充氣輪胎，即效率較高.

4)車輪工作過程中，各鉸鏈組均從受拉力漸轉至微曲不受力再至受拉力，以此循環(huán)更替.由于輪轂以鉸鏈組懸掛于彈性外輪內，來自路面不平度的激勵，將大部分為彈性外輪所承受，并瞬時隨其彈性變形與相應鉸鏈組的瞬時彎曲所緩解，故該車輪具有不同于普通充氣輪胎的緩沖隔振的性能.

2 車輪結構力學傳遞特性分析

為了較準確地描述機械彈性車輪內部結構力學傳遞特性，通過裝車試驗，觀察新型機械彈性車輪在驅動和制動工況下內部結構的變形關系，通過試驗觀察得到的變形關系對其在驅動和制動工況下的力學傳遞特性進行分析［7］.

2.1 驅動工況下彈性車輪力學特性分析

在良好的硬路面上驅動時車輪內部結構變形，如圖2所示.驅動工況下車輪力學分析示意圖如圖3所示.

圖2 驅動工況下車輪裝車試驗內部結構變形圖

圖3 驅動工況下車輪力學分析示意圖

試驗路面為硬質路面，從圖2可以看出，車輪12組鉸鏈，只有下面2組呈微曲狀，其他都受拉力，和車輪的理論工作原理相一致，通過試驗結果和力學分析建立驅動工況下車輪內部結構力學特性分析圖，如圖4所示，考慮彈簧剛度較小，且其只針對鉸鏈的彎曲起回位作用，相對于車輪垂直載荷和驅動力來說，其影響很小，故在此不予考慮.

圖4 驅動工況下車輪內部結構力學特性分析圖

應用力學理論，分別對輪轂和外輪進行力學分析，外輪所受拉力就是輪轂所受拉力的相反力，如圖3，4所示，因為考慮到輪轂下面的鉸鏈組6，7呈微曲狀，所以受力很小，在分析車輪受力的時忽略不計，F(xiàn)n6=Fn7=Fw6=Fw7=0.由車輪的工作原理和試驗結果可以得出，彈性外輪上部因受到來自于輪轂的向地面的拉力及輪轂是依靠上部和兩側的鉸鏈組的拉掛微懸于車輪外圈內，輪轂上部的鉸鏈組所受的拉力大于下面的鉸鏈組所受拉力，在驅動工況下輪轂和外輪的力學方程［8］為

式中:i為鉸鏈組的序號(編號順序如圖4所示);Fni為某組鉸鏈對輪轂的拉力;Fnix為Fni在x方向的分力;Fniy為Fni在y方向的分力;W為車輪垂直載荷;Fwi為某組鉸鏈對外輪的拉力;Fwix為Fwi在x方向的分力;Fwiy為Fwi在y方向的分力;ei為Fni的力臂;Md為作用在輪轂上的驅動力矩;m為車輪的質量;J為車輪對中心軸的轉動慣量;a為車輪的加速度;¨θ為車輪的角加速度;Fd為地面給車輪的驅動力;Fx驅動軸作用于車輪的水平力;Mf為滾動阻力矩;R為車輪半徑.

由于該新型機械彈性車輪輪轂與外輪之間用鉸鏈組連接，在汽車啟動過程中，輪轂先運動，通過鉸鏈組拉著外輪運動，即外輪相對輪轂有一個運動滯后，該過程將產(chǎn)生一個滯后角度α.鉸鏈組在受力的情況下，必然經(jīng)過一個由自由彎曲狀態(tài)向預緊狀態(tài)的過渡.

根據(jù)圖5中的幾何關系，在ΔABO中求解滯后角度α.R1為車輪中心至第3段鉸鏈末端的距離，r為輪轂的半徑，l為鉸鏈預緊狀態(tài)下的長度.R1=R－D1－L1，D1為車輪外圈的厚度，L1為鉸鏈3與彈性環(huán)連接的基座的高度，如圖1所示.

圖5 滯后角示意圖

圖 5 中:OA=R1，OB=r，AB=l.

在ΔABO中，由余弦定理可得

式中:R=390 mm;D1=35 mm;L1=12 mm;r=192 mm;l=155 mm.

該角度的存在，使得車輪由靜止到啟動，外輪相對輪轂必須經(jīng)歷一個相對的運動滯后，而該過程正是離合器的半結合狀態(tài)，此狀態(tài)下離合器所在傳動系的扭轉振動將由于滯后角度的存在而被極大緩解.這相對于傳統(tǒng)充氣輪胎來說是一個徹底的革新，對于越野車車輪的研發(fā)具有重要意義.

2.2 制動工況下彈性車輪力學特性分析

在良好的硬路面上制動時車輪內部結構變形，如圖6所示.制動工況下車輪力學分析示意圖如圖7所示，滾動阻力偶矩和減速時的慣性力偶矩均忽略不計［9］.

圖6 制動工況下車輪裝車試驗內部結構變形圖

圖7 制動工況下車輪力學分析示意圖

機械彈性車輪在制動工況下的力學分析過程與其在驅動工況下類似.車輪受到施加的制動力矩即輪轂受到力矩時，此時車輪還在保持向前運動，彈性車輪的外輪相對輪轂有相對運動，其制動工況下車輪的力學分析示意圖及內部結構力學特性分析圖分別如圖7，8所示.

圖8 制動工況下車輪內部結構力學特性分析圖

在制動工況下輪轂和外輪的力學方程為

式中:Mb為制動力矩即車輪制動力器摩擦片與制動鼓或盤相對滑轉時的摩擦力矩;Fb為地面制動力;Fp為車軸對車輪的推力.

車輪由驅動狀態(tài)轉換為制動狀態(tài)，將伴隨著車輪內外輪有2α的相對運動，該過程對于緩解制動時的載荷轉移沖擊有著重要意義.

3 車輪的動態(tài)仿真與數(shù)據(jù)分析

在ADAMS/view軟件中建立的車輪模型如圖9所示.下面分別對驅動和制動2種工況下彈性車輪內部結構傳力特性進行仿真分析［10］.

圖9 機械彈性車輪模型圖

3.1 驅動工況下彈性車輪傳力特性仿真

3.1.1 驅動力矩傳遞特性分析

車輪在路面行駛時，由于外輪與地面的摩擦力作用，不容易測出外輪的受力情況.車輪受力模型如圖10所示，使彈性車輪只繞軸心旋轉.在車輪軸心處對內輪施加力矩，使用固定副固定外輪輪緣，通過測量固定副上的切向力即可得到由內輪傳遞到外輪的力以及傳力特性.

圖10 驅動工況下彈性車輪力矩傳遞受力分析圖

3.1.2 驅動時車輪階躍響應特性

選用某型越野車做為彈性車輪的試驗參考車型，該車最大扭矩為294 N·m，輪胎半徑為390 mm，最大傳動比為24，單個車輪最大驅動力矩為3528 N·m.當給內輪加載3528 N·m階躍力矩，外輪輪緣處切向力響應曲線如圖11所示，內輪把力矩傳遞到外輪需0.05 s的響應時間，外輪輪緣處切向力穩(wěn)定值為9046 N.起步時驅動力矩約為2450 N·m，此工況下階躍響應曲線如圖12所示.

圖11 最大力矩時階躍響應曲線圖

圖12 起步時階躍響應曲線圖

3.1.3 驅動時彈性車輪斜坡響應特性

汽車加速工況下對應的是驅動時彈性車輪斜坡響應特性，可以驗證彈性車輪在受到不斷增長的驅動力矩時的傳力特性.彈性車輪驅動力矩為斜坡輸入如圖13所示，初始值為0，終值為3528 N·m.斜坡響應曲線在內輪驅動力矩開始加力時，大約需要1 s的響應時間，驅動力矩加大后，傳力特性良好.實際車輛在起步時，通常驅動力矩較大，所以內輪與外輪的傳力時間非常短暫.

圖13 斜坡輸入輸出對比曲線圖

3.1.4 外輪力矩的角度歷程曲線

給內輪加階躍式的力矩輸入后，外輪的力隨著內輪角度變化的曲線如圖14所示，當內輪相對于外輪轉過大約7.5°后，外輪才開始傳力，這是外輪隨內輪運動的遲滯角度，這和之前的力學計算結果7.8°基本一致，進一步驗證車輪內部結構力學分析的正確性.

圖14 外輪的切向力隨內輪角度變化的曲線圖

3.2 制動工況下彈性車輪傳力特性仿真

3.2.1 制動時力矩傳遞特性分析原理

汽車在制動工況下，施加的制動力矩即對彈性車輪內輪加載與行駛方向相反的力矩，彈性車輪外輪角加速度對該制動力矩的響應反映了彈性車輪傳力特性，其制動工況下彈性車輪力矩傳遞分析如圖15所示.

3.2.2 制動時力矩傳遞特性仿真結果

首先對內輪施加驅動力矩，使車輪加速到一定速度后勻速轉動，然后施加制動力矩.彈性車輪外輪角加速度與內輪制動力矩對比曲線如圖16所示，當在4 s時對內輪施加制動力矩后，外輪的角加速度能較好地跟蹤所施加力矩，實時反映了力矩的變化，說明該車輪在制動時能有效地進行力矩傳遞.

圖15 制動工況下彈性車輪力矩傳遞分析圖

圖16 彈性車輪外輪角加速度與內輪制動力矩對比曲線圖

4 結論

1)提出了一種新型機械彈性車輪，采用的機械結構與橡膠的彈性取代傳統(tǒng)充氣結構的彈性，實現(xiàn)包括減震在內的各種充氣輪胎功能.

2)通過對車輪進行力學特性分析與仿真，得出其內部各部件傳力關系，結果顯示車輪內部結構能有效地進行力矩傳遞，從而使得車輪可以正常行駛與停車，為新型車輪的進一步試驗研究提供理論基礎.

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