影響車輪疲勞壽命因素的研究

【摘要】為提高機(jī)械彈性車輪的可靠性和耐久性，對其疲勞壽命進(jìn)行了研究。結(jié)合機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)及承載方式，建立了疲勞試驗的有限元模型；采用幅值、頻率相同的正弦載荷和余弦載荷模擬車輪骨架載荷循環(huán)過程；基于Miner線性疲勞累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。分析表明：車輪骨架的疲勞破壞主要集中在彈性環(huán)組合卡與鉸鏈組的連接部位；隨著鉸鏈組個數(shù)、鉸鏈組橫截面積的增加，疲勞壽命呈非線性增加；隨著實際負(fù)荷的增加，疲勞壽命呈下降趨勢?；贛iner線性疲勞累積損傷理論，模擬動態(tài)彎曲疲勞試驗對機(jī)械彈性車輪骨架進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械彈性車輪 疲勞壽命 有限元模型 Miner損傷理論 疲勞壽命

引言

車輪與輪胎作為汽車行駛系統(tǒng)的重要組成，其功用主要是支撐整車、緩和路面沖擊、產(chǎn)生驅(qū)動/制動力等，在汽車舒適性、平順性等方面起著重要作用。在輪胎與路面相互作用過程中，胎面與路面的接觸狀態(tài)決定了兩者之間的載荷傳遞特性，并對車輛的平順性、操縱穩(wěn)定性、輪胎磨損與噪聲產(chǎn)生重要的影響。輪胎接地壓力過高或分布不均將導(dǎo)致輪胎快速磨損產(chǎn)生噪聲，影響車輛舒適性并直接導(dǎo)致輪胎壽命的下降；本文探索了一種新型非充氣式機(jī)械彈性安全車輪，并進(jìn)行了一系列模型建立、徑向剛度特性、力學(xué)特性等方面的理論和試驗研究。建立了考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性的車輪有限元模型，并通過負(fù)荷特性試驗驗證了模型的有效性；分析了影響車輪徑向剛度、固有頻率及振型的使用條件、車輪結(jié)構(gòu)等因素，研究了地面約束、材料、垂直載荷及力矩對車輪固有頻率的影響規(guī)律，為車輪結(jié)構(gòu)及整車動力學(xué)特性優(yōu)化提供參考。結(jié)合機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)及承載方式，建立適用于機(jī)械彈性車輪疲勞壽命分析的有限元模型。探討了疲勞壽命影響因素，為其設(shè)計優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1.機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)

機(jī)械彈性車輪突破傳統(tǒng)車輪和充氣輪胎的分體式設(shè)計，采用鉸鏈組連接彈性車輪外圈和輪轂的非充氣結(jié)構(gòu)，因此，不存在爆胎和刺破泄氣的可能。車輪組成包括彈性車輪外圈、鉸鏈組、輪轂、回位彈簧等部件，其中，彈性車輪外圈由彈性環(huán)、彈性環(huán)組合卡及帶有胎面花紋的橡膠層組成。鉸鏈組為彈性材料，由三節(jié)鉸鏈構(gòu)成，連接在車輪外圈和輪轂之間，其中鉸鏈允許一定角度范圍內(nèi)的側(cè)向運動，保證車輪具有良好的側(cè)向穩(wěn)定性和一定的側(cè)向剛度。

2.車輪有限元模型的建立

為提高計算效率，在保證結(jié)果精度的前提下，對機(jī)械彈性車輪有限元模型進(jìn)行了適度簡化：

1）不考慮連接和接觸部位的摩擦作用，按無摩擦接觸處理；

2）忽略銷軸結(jié)構(gòu)，不研究其疲勞壽命，用轉(zhuǎn)動副模擬其運動特性；

3）胎圈結(jié)構(gòu)為非線性材料，特性復(fù)雜，不考慮其對機(jī)械彈性車輪骨架應(yīng)力歷程的影響；

4）假設(shè)所有材料屬性為各向同性，車輪骨架結(jié)構(gòu)相對輪心完全對稱；

5）不考慮溫度變化對機(jī)械彈性車輪骨架各項性能的影響。

3.機(jī)械彈性車輪的承載分析

輪子的承載方式分底部承載和頂部承載兩種形式。底部承載輪子的典型結(jié)構(gòu)是剛性輪，通過直接壓縮輪轂到地面接觸的區(qū)域來承載，在承載的任意時刻，只有此壓縮區(qū)域受力。 底部承載方式單位質(zhì)量的承載能力較差。頂部承載輪子的典型結(jié)構(gòu)是張拉式輻輪，輪輻張力的矢量和與承載負(fù)荷相平衡，在承載的任意時刻，所有輪輻均受力，因此單位質(zhì)量的承載能力得到提高。傳統(tǒng)充氣輪胎車輪的承載方式就屬于頂部承載。機(jī)械彈性車輪的承載和變形的形式如下：當(dāng)車輪靜止承受垂直載荷時，彈性車輪外圈受力變形，接地區(qū)域變平。除地面接觸區(qū)域的鉸鏈組外，其余均承受拉力。該承載方式既有頂部承載單位質(zhì)量承載能力高的特點，又能從結(jié)構(gòu)上保證車輪具有良好的附著性能。車輪滾動時，輪轂承受垂直載荷和力矩，并通過鉸鏈組的拉伸將力傳遞到彈性外圈，使其產(chǎn)生設(shè)定范疇內(nèi)的類橢圓彈性變形。通過受力分析可知，車輪的剛度主要取決于外圈和鉸鏈組，其中鉸鏈組的彈性特性、數(shù)量等對車輪性能的影響十分明顯。分析鉸鏈組彈性特性的影響時，可得到以下結(jié)論：當(dāng)鉸鏈組的剛度增加時，車輪變形減小，徑向剛度、側(cè)向剛度和縱向剛度均增大；反之，當(dāng)鉸鏈組剛度減小時，車輪變形變大，徑向剛度、側(cè)向剛度和縱向剛度均減小。因此，在車輪設(shè)計時要考慮鉸鏈組剛度的選擇。此外，鉸鏈組的設(shè)計還受車輪下沉量、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)等限制。

4.結(jié)論

基于 Miner 線性疲勞累積損傷理論和車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗對機(jī)械彈性車輪的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測和影響因素分析。

1）車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗中，機(jī)械彈性車輪骨架結(jié)構(gòu)的危險點承受非對稱應(yīng)力循環(huán)，在鉸鏈組第一節(jié)鉸鏈內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大應(yīng)力。

2）機(jī)械彈性車輪的疲勞壽命與鉸鏈組的結(jié)構(gòu)特征和車輛運行工況有關(guān)。 隨著鉸鏈組個數(shù)、鉸鏈組橫截面積的增加，機(jī)械彈性車輪骨架的疲勞壽命呈非線性增加，且適當(dāng)增加鉸鏈組個數(shù)能更顯著的提高車輪骨架疲勞壽命；隨著實際負(fù)荷的增加，機(jī)械彈性車輪骨架的疲勞壽命呈下降趨勢。

3）機(jī)械彈性車輪的徑向剛度與車輪外圈剛度、鉸鏈組剛度及懸轂式承載方式有關(guān)，且機(jī)械彈性車輪的徑向剛度大于充氣輪胎徑向剛度，較好地保持了輪胎的圓度，降低了滾動阻力。機(jī)械彈性車輪的懸轂式承載通過控制車輪外圈變形改善了胎冠的接觸剛度分布，沒有充氣輪胎胎肩的應(yīng)力集中。機(jī)械彈性車輪有效降低了接地壓力偏度值，改善了輪胎接地的均勻性，提高了車輪的疲勞壽命。

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