鋁負(fù)重輪的設(shè)計(jì)與工藝研制

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鋁負(fù)重輪的設(shè)計(jì)與工藝研制

較多，是減重的主要考慮對(duì)象。本文對(duì)新155車鋁制負(fù)重輪的可靠性進(jìn)行技術(shù)分析,并提出設(shè)計(jì)方案。

1 負(fù)重輪的材料

新155車負(fù)重輪采用超硬鋁合金材料LC4-GBn2323-1984，熱處理狀態(tài)，淬火時(shí)效，模鍛，其性能參數(shù)如下：縱向，抗拉強(qiáng)度為5.4 MPa,屈服強(qiáng)度為4.5 MPa,伸長(zhǎng)率為6.0%；橫向，抗拉強(qiáng)度為4.6 MPa,伸長(zhǎng)率為4.0%；高向，抗拉強(qiáng)度為4.2 MPa,伸長(zhǎng)率為2.0%,硬度為140 HBW。

2 負(fù)重輪橡膠輪緣應(yīng)力溫升有限元計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)

新155車負(fù)重輪輪緣結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。車的質(zhì)量分別為40和42 t，車速分別為40或60 km/h。對(duì)負(fù)重輪橡膠輪緣的應(yīng)力和溫升情況按3種條件動(dòng)載(過載系數(shù)分別為1.2、1.33和7)、4種橡膠輪緣厚度參數(shù)(分別為33、35、38和41 mm)，進(jìn)行了16次有限元計(jì)算。計(jì)算中，橡膠的門尼常數(shù)為0.620 7 MPa，橡膠的密度為1 300 kg/m3,泊松比為0.499 7，彈性模量為4.956 6 MPa[1]。履帶板不作計(jì)算對(duì)象，只作邊界條件，便于生成接觸單元，其彈性模量為21 MPa,泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。接觸單元的參數(shù)需要根據(jù)計(jì)算是否收斂隨時(shí)進(jìn)行修正。

圖1 負(fù)重輪橡膠輪緣截面尺寸參數(shù)

2.2 計(jì)算軟件

ANSYS軟件程序具有較強(qiáng)的前處理和后處理功能，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、非線形瞬時(shí)態(tài)動(dòng)力分析和流體動(dòng)力學(xué)分析等。本計(jì)算涉及到的結(jié)構(gòu)分析中，可以進(jìn)行線形和非線形結(jié)構(gòu)靜力分析、線形和非線形結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，以及線形和非線形屈曲分析等，適合于負(fù)重輪橡膠輪緣的有限元計(jì)算。

對(duì)于輪緣有限元計(jì)算中涉及的幾何、材料和邊界(接觸)非線形，ANSYS軟件提供了很方便的數(shù)據(jù)庫，如幾何非線形包括大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力強(qiáng)化與旋轉(zhuǎn)軟化等；非線形材料包括速率無關(guān)塑性材料、速率相關(guān)塑性材料、蠕變材料和非線形彈性材料等。

2.3 橡膠輪緣有限元計(jì)算特點(diǎn)和單元選用

掛膠負(fù)重輪在履帶上滾動(dòng)的有限元計(jì)算涉及到材料、幾何何邊界(接觸)三重非線形，是一個(gè)集靜力、動(dòng)力和熱負(fù)荷于一身的復(fù)雜力學(xué)問題。

根據(jù)負(fù)重輪輪緣橡膠特性及ANSYS提供的單元特性，本計(jì)算采用Mooney-Rivlin模型，選用HYPER58超彈性材料單元進(jìn)行三維有限元分析，計(jì)算負(fù)重輪輪緣的u-p混合場(chǎng)。

對(duì)于幾何非線性問題，ANSYS軟件提供了結(jié)構(gòu)大變形(大變形小應(yīng)變和大變形大應(yīng)變)、應(yīng)力剛化和旋轉(zhuǎn)軟化等3種幾何非線性。由于負(fù)重輪輪緣幾何非線性主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)大變形，因此，采用結(jié)構(gòu)大變形方法計(jì)算。

根據(jù)負(fù)重輪輪緣與履帶間有摩擦和滑移現(xiàn)象，對(duì)于邊界(接觸)非線性，采用ANSYS軟件提供的三維接觸單元CONTAC49進(jìn)行計(jì)算。

2.4 計(jì)算模型

2.4.1 模型建立

圖2 負(fù)重輪與履帶板的接觸

當(dāng)負(fù)重輪在履帶上滾動(dòng)時(shí)，其橡膠輪緣除受車體靜載荷作用外，還受車體動(dòng)載荷、履帶板間距沖擊和旋轉(zhuǎn)離心力的作用。由于履帶板與履帶板連接處的間隙尺寸較小，由此產(chǎn)生的沖擊也較小，在計(jì)算中可以忽略。這樣，負(fù)重輪在履帶板上的滾動(dòng)就可以簡(jiǎn)化為負(fù)重輪在連續(xù)板上的滾動(dòng)，而其橡膠輪緣內(nèi)部應(yīng)力也主要來自靜載、動(dòng)載和離心力，并出現(xiàn)在負(fù)重輪與履帶板相互擠壓的區(qū)域，即接觸區(qū)。負(fù)重輪橡膠輪緣的主要應(yīng)力區(qū)域可以認(rèn)為是集中在過軸線垂直線兩側(cè)各30°的范圍內(nèi)(見圖2)，而且左右兩側(cè)的應(yīng)力相等，因此，負(fù)重輪橡膠輪緣的模型只需取圖2中黑色部分的三維模型即可。

新155車的履帶板面掛膠，表面粘結(jié)3 mm厚的橡膠墊層，墊層下為81 mm鋼質(zhì)板體。由于在有限元計(jì)算中，當(dāng)實(shí)體單元的各邊之差很大時(shí)，則剛度矩陣出現(xiàn)病態(tài)，難于收斂或不收斂；因此，幾何模型中不考慮墊層，而在涉及到接觸面時(shí)，通過輸入接觸參數(shù)的改變來考慮墊層的影響，這樣，既不會(huì)使計(jì)算復(fù)雜化，又不會(huì)忽略墊層的影響。

2.4.2 邊界條件

對(duì)于模型的邊界條件，可以通過其在車體上的安裝和運(yùn)動(dòng)來簡(jiǎn)化。負(fù)重輪彈性連接在車體上，由于地面的不平而產(chǎn)生振動(dòng)，因此力學(xué)模型可簡(jiǎn)化如下：1)認(rèn)為負(fù)重輪鋁圈剛性不變形，這樣橡膠輪緣模型的內(nèi)側(cè)粘結(jié)面可采用固定約束；2)由于輪緣30°外的區(qū)域變形很小，所以模型一端的30°傾斜截面可采用固定約束，而另一端垂直截面也采用固定約束，但應(yīng)釋放垂直方向和寬度方向的自由度；3)履帶板下面通過施加向上的面載荷，使輪緣所受力值為靜載、動(dòng)載和離心力之和。

2.4.3 網(wǎng)格劃分

幾何模型的網(wǎng)格劃分應(yīng)注意：1)輪緣和履帶板接觸區(qū)域單元網(wǎng)格劃分都要細(xì)；2)為便于生成接觸單元，輪緣上的單元節(jié)點(diǎn)要與接觸的履帶板單元表面有可預(yù)測(cè)的接觸關(guān)系。

圖3 負(fù)重輪力學(xué)模型的 網(wǎng)絡(luò)劃分及約束

建立負(fù)重輪輪緣在履帶板上滾動(dòng)的模型如圖3所示。在圖3中，垂直向上方向?yàn)閅正向，沿輪緣寬度接近讀者的方向，沿輪緣圓周切線接近讀者的方向?yàn)檎较颉\色實(shí)體為輪緣模型，深色實(shí)體為履帶板模型，輪緣底胎面的點(diǎn)與履帶板面上的點(diǎn)生成接觸單元，箭頭為加載方向，節(jié)點(diǎn)上花表示約束，若在節(jié)點(diǎn)的某方向上有1個(gè)約束即在該節(jié)點(diǎn)方向上畫有1朵花，有3個(gè)約束就畫3朵花。

對(duì)于輪緣溫升計(jì)算，ANSYS軟件只提供了二維計(jì)算功能，其熱學(xué)模型選擇輪緣Z向截面，如圖4所示。網(wǎng)格劃分基本與應(yīng)力模型相同，但必須有應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果，然后把應(yīng)力值加載到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。圖4中所示不同色彩即表示在節(jié)點(diǎn)上施加不同的應(yīng)力，并呈現(xiàn)與色彩相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布狀況?？紤]到負(fù)重輪鋼圈和空氣的散熱效應(yīng)，在熱學(xué)模型中必須按實(shí)際做出鋼圈模型，如圖4中“┘”型的實(shí)體模型。整個(gè)模型與空氣散熱的邊界如圖4箭頭所示。

圖4 負(fù)重輪熱學(xué)模型及約束

2.4.4 計(jì)算流程框圖

對(duì)負(fù)重輪輪緣的力學(xué)模型進(jìn)行分析，確定輪緣有限元分析的方法和單元，然后利用ANSYS軟件的前處理功能進(jìn)行建模、生成單元、約束邊界和載荷等，按如圖5所示流程進(jìn)行處理。

圖5 負(fù)重輪橡膠輪緣有限元計(jì)算流程圖

溫升計(jì)算與應(yīng)力計(jì)算有很多相似之處，不同之處在于：首先完成應(yīng)力計(jì)算，進(jìn)而把應(yīng)力計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)加載到相應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)上； 其次輸入鋁圈的傳熱參數(shù)、空氣散熱邊界參數(shù)、環(huán)境溫度和橡膠熱導(dǎo)率等數(shù)值；最后進(jìn)行溫升計(jì)算。

2.4.5 計(jì)算內(nèi)容和結(jié)果

為計(jì)算橡膠輪緣在各種情況下的應(yīng)力和溫升情況，應(yīng)按要求進(jìn)行如下計(jì)算內(nèi)容：1)計(jì)算正常行駛工況，即行駛在平坦砂石路面上，車速為40 km/h，車的質(zhì)量分別為40和42 t，當(dāng)動(dòng)載系數(shù)為1.33時(shí)，輪緣的最大應(yīng)力和最高溫度；2)計(jì)算負(fù)重輪沖擊過載工況，即7倍過載系數(shù)，車的質(zhì)量為40 t時(shí)的最大應(yīng)力，對(duì)負(fù)重輪橡膠的強(qiáng)度進(jìn)行校核；3)計(jì)算高速行駛時(shí)負(fù)重輪工況，即車速為60 km/h，動(dòng)載系數(shù)為1.2，車的質(zhì)量為40 t時(shí)的最高溫度。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 計(jì)算結(jié)果

3 工藝加工

3.1 工藝鍛造

目前，我國(guó)155車的輪幅采用鍛造工藝制造，即以鑄圓錠坯或擠壓錠坯為坯料，經(jīng)熱鍛、熱處理、機(jī)械加工、表面處理與檢驗(yàn)合格后成為成品輪幅。同一規(guī)格的鍛造鋁合金輪幅的力學(xué)性能比鑄造輪幅的高18%以上。

3.2 機(jī)械加工

由于輪幅的毛坯為鍛造，在毛坯圖樣的設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到成本的需要，尺寸控制較嚴(yán)，因而造成鍛造成型后加工比較困難；同時(shí)，鋁制品件在加工過程中，產(chǎn)生的熱變形大；因此，將加工分為粗加工和精加工。在粗加工和精加工之間留有一定的時(shí)間冷卻，以防止變形。在粗加工過程中，只給精加工留2 mm的加工量。

3.3 掛膠工藝

在原圖樣設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)圈支承筋與輪幅的外端面齊平，但在設(shè)計(jì)掛膠模具時(shí)，需要有定位基準(zhǔn)面； 因此，將該筋往里移動(dòng)15 mm，留一個(gè)φ540 mm臺(tái)階作為模具定位基準(zhǔn)。

4 結(jié)果分析

4.1 有限元計(jì)算結(jié)果分析

4.1.1 正常工況

將表1所示應(yīng)力有限元分析結(jié)果繪成如圖6所示曲線。由圖6可知，負(fù)重輪橡膠輪緣的最大壓應(yīng)力隨厚度的增大而減小，隨載荷的增大而增大。按線形擬合，質(zhì)量為40 t時(shí)的最大壓應(yīng)力擬合曲線為Y=3.527 5-0.036 83X，質(zhì)量為42 t時(shí)的最大壓應(yīng)力擬合曲線為Y=3.634 9-0.037 9X。擬合曲線與原曲線的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到99.866%和100%，所以，最大壓應(yīng)力隨厚度變化的關(guān)系可以認(rèn)為是線性關(guān)系。另外，當(dāng)載荷增大時(shí)，2條擬合曲線的斜率近似相等，說明載荷不會(huì)改變這種線形關(guān)系，只是使該曲線向上或向下平移。

圖6 正常工況下最大壓應(yīng)力隨厚度變化曲線

將表1中溫升有限元計(jì)算結(jié)果繪成如圖7所示曲線。由圖7可知，輪緣最高溫度隨厚度的增大而提高，隨載荷的增大也相應(yīng)提高。按線形擬合方法，質(zhì)量為40 t時(shí)的擬合曲線為Y=47.501+3.570 38X，質(zhì)量為42 t時(shí)的擬合曲線為Y=44.917+3.880 23X，擬合曲線與原曲線的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到99.978%和99.996%；因此，輪緣最高溫度隨厚度變化的關(guān)系可以認(rèn)為是線性變化關(guān)系。2條擬合曲線的斜率近似相等，說明載荷的變化不會(huì)改變這種關(guān)系，只是把曲線向上或向下平移。

圖7 正常工況下最高溫度隨厚度變化曲線

4.1.2 沖擊過載工況

此時(shí)，負(fù)重輪橡膠輪緣將出現(xiàn)強(qiáng)度損壞，所以應(yīng)采用 Mises強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表1可見，厚度的小范圍調(diào)整對(duì)沖擊應(yīng)力的改變沒有太大的影響，最大應(yīng)力為10.4 MPa，遠(yuǎn)小于橡膠的拉伸強(qiáng)度19 MPa。另外，由圖6和圖7可知， 此時(shí)的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在接觸區(qū)與鋁輪圈粘結(jié)的邊緣，這主要是由沖擊引起的大變形而導(dǎo)致的應(yīng)力，而其他位置的應(yīng)力值<4 MPa。由于沖擊載荷是瞬時(shí)載荷，出現(xiàn)的概率小，因此它對(duì)橡膠的損壞不起決定作用，所以即使是較大的瞬時(shí)應(yīng)力也不會(huì)對(duì)橡膠產(chǎn)生太大的損壞。

4.1.3 高速行駛工況

從表1的計(jì)算結(jié)果可知，最大應(yīng)力隨厚度的變化沒有太大改變，而且應(yīng)力值較小，而溫度值的變化較明顯。特別是當(dāng)輪緣厚度為41 mm時(shí)，最高溫度達(dá)到237.866 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)定的220 ℃上限[2]；因此，當(dāng)履帶車輛在高速行駛時(shí)，輪緣較厚的負(fù)重輪行駛里程較短。

4.2 與三代坦克負(fù)重輪橡膠輪緣的比較

我國(guó)三代坦克負(fù)重輪也采用掛膠鋁輪，載荷達(dá)到50 t，負(fù)重輪厚度為51 mm，其最大應(yīng)力為1.939 7 MPa，最高溫度為237.749 ℃。在同樣工況下，新155車負(fù)重輪橡膠輪緣的最大應(yīng)力為2.317 3 MPa，最高溫度為165.081 ℃。由此可見，新155車負(fù)重輪橡膠輪緣的厚度偏薄。

4.3 與俄羅斯教材負(fù)重輪允許溫升的對(duì)比

在《履帶車輛的設(shè)計(jì)與計(jì)算》一書中指出，負(fù)重輪橡膠輪緣的厚度為0.035～0.055 mm。減小厚度會(huì)增加它的剛度和對(duì)軸承的動(dòng)載荷，而增加厚度會(huì)提高它的發(fā)熱量；所以，應(yīng)通過發(fā)熱計(jì)算確定厚度值。在發(fā)熱計(jì)算中，當(dāng)負(fù)重輪沿履帶的金屬滾道滾動(dòng)時(shí)，其允許溫度<190 ℃；當(dāng)負(fù)重輪沿履帶的掛膠滾道滾動(dòng)時(shí)，其允許發(fā)熱溫度為200～220 ℃。

4.4 利用美軍設(shè)計(jì)規(guī)范分析

美軍在負(fù)重輪輪胎的設(shè)計(jì)方面確立了如下3個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求。

1)胎寬應(yīng)≤7 in(177.8 mm)。如果要求采用更寬的輪胎，則應(yīng)使用雙胎來代替單胎。這樣，可減少由于橡膠的極度不均而在底座上產(chǎn)生的橫向剪切力。

2)在可能的范圍內(nèi)，輪胎直徑越大越好。因?yàn)橄嗤瑢挾鹊妮喬?，其承載能力大致隨輪胎外徑的2.25次方而變，這主要考慮額定負(fù)荷下輪胎內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量。

3)輪胎厚度應(yīng)限制在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，才可以避免輪胎因過熱而出現(xiàn)爆裂的危險(xiǎn)。目前，中型和重型坦克的橡膠厚度是13/8 in，而輕型坦克是43/42 in。

5 結(jié)語

在實(shí)際使用中，履帶車輛經(jīng)常越野行駛，車速很難達(dá)到60 km/h，而越野路況的動(dòng)載荷較大；因此，綜合考慮應(yīng)力和溫度的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合履帶車輛行駛的路況，參照國(guó)內(nèi)外車輛負(fù)重輪設(shè)計(jì)參數(shù)，新155車負(fù)重輪橡膠的厚度可設(shè)計(jì)為38 mm。在這種厚度下，正常行駛的最大壓應(yīng)力為2.119 9 MPa,最高溫度為183.087 ℃，沖擊載荷下的應(yīng)力為10.3 MPa，高速載荷下的最高溫度為226.463 ℃，略高出規(guī)定上限。由于履帶車輛高速行駛的工況少，而越野行駛的動(dòng)載荷較大，因此，此厚度較為合理。

經(jīng)過設(shè)計(jì)與工藝研制改進(jìn)后,工廠在我國(guó)155車的初樣車上進(jìn)行了投產(chǎn),生產(chǎn)了100片負(fù)重輪片。在國(guó)內(nèi)155車的行駛試驗(yàn)中,負(fù)重輪持續(xù)行駛了8 000多km,橡膠使用情況正常,沒有出現(xiàn)損壞,實(shí)現(xiàn)了負(fù)重輪的壽命6 000 km的戰(zhàn)地指標(biāo)。說明了我國(guó)155車的鋁制負(fù)重輪的設(shè)計(jì)、工藝生產(chǎn)過程是成功的。

[1] 李壯云.中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典[M].南昌：江西科學(xué)出版社，2002.

[2] 王書鎮(zhèn).高速履帶車輛行駛系[M].北京：北京工業(yè)出版社，1998.

責(zé)任編輯 馬彤

李科鋒，渠育杰，孔令晶

(哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056)

以車輛減重為出發(fā)點(diǎn)，就新155車負(fù)重輪的改進(jìn)進(jìn)行了技術(shù)分析。應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)鋁制負(fù)重輪橡膠輪緣應(yīng)力、溫升進(jìn)行有限元分析計(jì)算，并與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，完成最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝加工和行駛試驗(yàn)，結(jié)果表明，我國(guó)155車的鋁制負(fù)重輪的設(shè)計(jì)和工藝生產(chǎn)過程是成功的。

減重；負(fù)重輪；有限元；應(yīng)力；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Design and Process Development for Aluminum Road Wheel

LI Kefeng， QU Yujie， KONG Lingjing

(Harbin First Machinery Group Co.， Ltd., Harbin 150056, China)

In order to reduce the weight of the vehicle, improving the road wheel of new 155mm SPGH has been analyzed. The rubber rim stress and temperature rising of aluminum road wheel is calculated by the finite element analysis with ANSYS software and the optimal design has been finished finally after comparing with the same product at home and abroad. The process production and running test has been accomplished on this basis. The results show that the design and process production of aluminum road wheel for 155mm SPGH is successful.

reducing weight, road wheel, finite element, stress, optimal design

李科鋒(1973-)，男，高級(jí)工程師，主要從事熱成型技術(shù)等方面的研究。

2016-04-18

TJ 81+0.2

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