機(jī)械彈性車(chē)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

閆樂(lè)樂(lè)　趙又群　付宏勛　王　強(qiáng)

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

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機(jī)械彈性車(chē)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

閆樂(lè)樂(lè)趙又群付宏勛王強(qiáng)

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

針對(duì)機(jī)械彈性車(chē)輪的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生細(xì)微變化或者結(jié)構(gòu)不滿足強(qiáng)度、剛度等要求時(shí)，都需要進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)以致延長(zhǎng)設(shè)計(jì)分析周期的問(wèn)題，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)和Pro/E二次開(kāi)發(fā)的理論，開(kāi)發(fā)了機(jī)械彈性車(chē)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)以交互的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械彈性車(chē)輪強(qiáng)度和尺寸校核、三維零件模型和工程圖的自動(dòng)生成、虛擬裝配等，同時(shí)避免了在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、工程手冊(cè)來(lái)確定設(shè)計(jì)參數(shù)等繁瑣工作。實(shí)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(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

機(jī)械彈性車(chē)輪；Pro/E二次開(kāi)發(fā)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；數(shù)字化設(shè)計(jì)

0　引言

美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，美國(guó)每年約有26萬(wàn)起交通事故是由輪胎故障所引起的，通常當(dāng)車(chē)速達(dá)160 km/h以上時(shí)，爆胎所造成的死亡率接近100%[1]。因此，安全車(chē)輪的研制成為國(guó)內(nèi)外輪胎公司和汽車(chē)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前技術(shù)比較成熟的安全車(chē)輪是在傳統(tǒng)充氣輪胎的設(shè)計(jì)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(wú)充氣TWEEL車(chē)輪[2]、負(fù)泊松比N-輪[3]和彈性車(chē)輪[4-5]等。

機(jī)械彈性車(chē)輪作為一種新的安全車(chē)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(xiǎn)情況的發(fā)生，從而有效保證車(chē)輛行駛安全性[6]。文獻(xiàn)[7-9]對(duì)其基本構(gòu)成、工作原理、通過(guò)性等方面進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。機(jī)械彈性車(chē)輪設(shè)計(jì)是一個(gè)十分具體又復(fù)雜的過(guò)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(jì)規(guī)范。如果機(jī)械彈性車(chē)輪的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生細(xì)微變化或者結(jié)構(gòu)不滿足強(qiáng)度、剛度等要求，則需要進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)。所以解決該問(wèn)題的有效方法之一就是將參數(shù)化設(shè)計(jì)引入機(jī)械彈性車(chē)輪的設(shè)計(jì)過(guò)程，建立機(jī)械彈性車(chē)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)ME-Wheel Design，以交互的方式對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高機(jī)械彈性車(chē)輪研發(fā)的效率。

1　機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

1.1機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)

機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械彈性車(chē)輪主要由車(chē)輪圈、鉸鏈組及輪轂組構(gòu)成。車(chē)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(chē)輪的支撐作用，而且可以保證一定的彈性，在車(chē)輪圈的外部包裹橡膠形成胎面。車(chē)輪輪轂與車(chē)輪圈通過(guò)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(gè)車(chē)輪通過(guò)輪轂用螺栓與汽車(chē)半軸連接。

圖1　新型機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)

1.2機(jī)械彈性車(chē)輪力學(xué)分析

1.2.1車(chē)輪圈受力分析

圖2　新型機(jī)械彈性車(chē)輪靜承載受力圖

由新型機(jī)械彈性車(chē)輪的支撐結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)車(chē)輪承受靜載荷時(shí)，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(diǎn)彎曲變形而不承受載荷。忽略車(chē)輪外圈變形對(duì)鉸鏈組布置角度的影響，則新型機(jī)械彈性車(chē)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(duì)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(duì)稱性，同時(shí)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(jìn)行受力分析，如圖3所示。左右兩部分的受力情況一致，計(jì)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(duì)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(jì)算模型，對(duì)彈性環(huán)分段進(jìn)行受力分析。對(duì)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(shí)，有

(3)

當(dāng)α∈(30°,60°]時(shí)，有

(4)

當(dāng)α∈(60°,90°]時(shí)，有

(5)

對(duì)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(guò)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(chē)輪滾動(dòng)半徑為r1，車(chē)輛最大牽引質(zhì)量為mTmax，驅(qū)動(dòng)輪個(gè)數(shù)為nq，所以分配到每個(gè)車(chē)輪的牽引質(zhì)量m1=mTmax/nq，車(chē)身質(zhì)量引起的牽引力為Fm，所以每個(gè)車(chē)輪受到的牽引力矩為

T=m1gr1+Fmr1

(9)

外懸轂通過(guò)n對(duì)銷軸和鉸鏈組連接，共有n對(duì)力矩，則每對(duì)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(guò)銷軸連接在一起。

圖6　鉸鏈組結(jié)構(gòu)圖

假定扭轉(zhuǎn)時(shí)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(duì)懸轂的力Fd=T1/r。車(chē)輪鉸鏈組拉直后與垂向夾角為α，將鉸鏈3簡(jiǎn)化為L(zhǎng)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(jiǎn)化受力圖

1.2.5卡環(huán)危險(xiǎn)部位受力分析

圖8所示為卡環(huán)組的結(jié)構(gòu)，由于車(chē)輪圈是將卡環(huán)用橡膠包裹形成的，考慮車(chē)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(xiǎn)部位，故分析其受力情況。

圖8　卡環(huán)組結(jié)構(gòu)

設(shè)車(chē)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(duì)于根部，最大彎矩為

Mzwmax=Fazlzw

(11)

其中，lzw指其危險(xiǎn)部位至根部長(zhǎng)度，如圖8所示。

2　機(jī)械彈性車(chē)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(jī)械彈性車(chē)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(dú)立參數(shù)。其中，主參數(shù)控制整個(gè)零件的形狀特征，又稱為驅(qū)動(dòng)參數(shù)；從參數(shù)主要通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)以及分析計(jì)算結(jié)果等來(lái)確定與主參數(shù)之間的聯(lián)系；獨(dú)立參數(shù)相對(duì)主參數(shù)和從參數(shù)來(lái)說(shuō)具有相對(duì)獨(dú)立性，不受其變化的影響。機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)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(dòng)變形出錯(cuò)的建模技巧，即從基礎(chǔ)特征開(kāi)始，建立一個(gè)特征定義一步尺寸，并同時(shí)建立與上層之間的約束關(guān)系。機(jī)械彈性車(chē)輪的參數(shù)約束關(guān)系如圖9所示。

3　機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ME-Wheel Design是基于VC++開(kāi)發(fā)的適用于機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化的設(shè)計(jì)平臺(tái)，該系統(tǒng)由總體設(shè)計(jì)模塊、車(chē)輪圈設(shè)計(jì)模塊、輪轂設(shè)計(jì)模塊、鉸鏈組設(shè)計(jì)模塊、整體裝配設(shè)計(jì)模塊組成。各個(gè)模塊相互獨(dú)立，但又有一定的聯(lián)系：五大模塊完成各自對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)結(jié)果保存在相應(yīng)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)中；設(shè)計(jì)中的某些參數(shù)需從其他模塊的工程參數(shù)庫(kù)中調(diào)用。ME-Wheel Design系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

表1　機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

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

圖9　機(jī)械彈性車(chē)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(jì)流程

3.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的搭建

機(jī)械彈性車(chē)輪的設(shè)計(jì)過(guò)程需要查詢大量輪胎行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)手冊(cè)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(kù)管理系統(tǒng)。利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)建立零件參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)之后，以ADO作為數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用、修改、添加等訪問(wèn)操作。實(shí)例運(yùn)行后，ADO訪問(wèn)彈簧鋼材料及力學(xué)性能如圖11所示。

圖11　ADO訪問(wèn)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(jì)實(shí)現(xiàn)

以車(chē)輪圈設(shè)計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)校核的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例進(jìn)行重點(diǎn)介紹，其他模塊結(jié)構(gòu)校核的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)類似。車(chē)輪圈模塊的校核分析流程如圖12所示。

圖12　車(chē)輪圈設(shè)計(jì)模塊的校核分析流程

車(chē)輪圈設(shè)計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單，彈性環(huán)校核分析無(wú)需進(jìn)行幾何約束校核，只需進(jìn)行強(qiáng)度校核；其次，卡環(huán)組校核分析需進(jìn)行幾何約束校核和危險(xiǎn)面強(qiáng)度校核；最后，橡膠層校核分析只需進(jìn)行幾何約束校核，確定合適的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.4零件參數(shù)化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.4.1零件參數(shù)化模型庫(kù)的搭建

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的目的是存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，從而設(shè)計(jì)出一系列的產(chǎn)品模型。不同型號(hào)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?fù)湫畔⑾嗤Ｒ虼?，在?duì)零件進(jìn)行拓?fù)浣Y(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(kù)。

以彈性環(huán)參數(shù)化模型的搭建為例進(jìn)行說(shuō)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(shí)，鋼絲排布見(jiàn)表2。

表2　彈性環(huán)排布說(shuō)明

首先，根據(jù)鋼絲根數(shù)的不同，需要建立與之相對(duì)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(jìn)而實(shí)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(kù)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(jì)流程

Pro/Toolkit二次開(kāi)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(kāi)發(fā)技術(shù)，機(jī)械彈性車(chē)輪的零件參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程可獨(dú)立于Pro/E運(yùn)行，并且可以實(shí)現(xiàn)其他CAD系統(tǒng)的無(wú)縫結(jié)合。零件參數(shù)化程序設(shè)計(jì)流程如圖13所示。

圖13　零件參數(shù)化程序設(shè)計(jì)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(kù)中將待設(shè)計(jì)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(duì)象和參數(shù)值對(duì)象，用來(lái)存儲(chǔ)用戶輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)值；最后將模型參數(shù)與定義的參數(shù)值對(duì)象建立關(guān)系，用戶輸入的設(shè)計(jì)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(shí)例運(yùn)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(jì)

3.5工程圖參數(shù)化的設(shè)計(jì)實(shí)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(diǎn)，零件參數(shù)化模型定義的所有信息可以通過(guò)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(duì)工程模板的參數(shù)化，其設(shè)計(jì)流程如圖15所示。

圖15　工程圖參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

工程圖參數(shù)化設(shè)計(jì)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(kù)并設(shè)置工程圖配置文件，系統(tǒng)將會(huì)按照工程圖模板自動(dòng)生成相關(guān)視圖。實(shí)例運(yùn)行后生成鉸鏈3的工程圖。

4　實(shí)例

首先，按照設(shè)計(jì)要求獲取機(jī)械彈性車(chē)輪設(shè)計(jì)的主參數(shù)值，見(jiàn)表3；其次，圍繞主設(shè)計(jì)參數(shù)展開(kāi)一系列設(shè)計(jì)，主要包括胎圈設(shè)計(jì)、鉸鏈組設(shè)計(jì)和輪轂設(shè)計(jì)；最后，在ME-Wheel Design系統(tǒng)的主設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊“生成裝配件”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)生成變型設(shè)計(jì)的機(jī)械彈性車(chē)輪。鉸鏈組個(gè)數(shù)從12變成8，變型前后如圖16所示。

表3　機(jī)械彈性車(chē)輪設(shè)計(jì)的主參數(shù)值

(a)鉸鏈個(gè)數(shù)N=12

(b)鉸鏈個(gè)數(shù)N=8圖16　機(jī)械彈性車(chē)輪變型前后對(duì)比圖

5　結(jié)論

(1)綜合了VC++語(yǔ)言、Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和Pro/E軟件各自的優(yōu)點(diǎn)。

(2)具有高質(zhì)量的用戶界面，在實(shí)用的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)操作者與計(jì)算機(jī)之間的人機(jī)友好性。

(3)計(jì)算與圖形系統(tǒng)一體化，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)的參數(shù)化計(jì)算與繪圖，實(shí)用性良好。

(4)實(shí)現(xiàn)了基于Pro/E的二次開(kāi)發(fā)子系統(tǒng)與CAD的無(wú)縫集成，不僅可以作為Pro/E系統(tǒng)的插件使用，而且可以獨(dú)立運(yùn)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(lè)樂(lè)，女，1989年生。南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械彈性車(chē)輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)。趙又群，男，1968年生。南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)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(dòng)力工程學(xué)院博士研究生。王強(qiáng)，男，1985年生。南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院博士研究生。