機械彈性車輪的結構參數化設計

閆樂樂　趙又群　付宏勛　王　強

南京航空航天大學，南京，210016

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機械彈性車輪的結構參數化設計

閆樂樂趙又群付宏勛王強

南京航空航天大學，南京，210016

針對機械彈性車輪的結構尺寸發生細微變化或者結構不滿足強度、剛度等要求時，都需要進行重復設計以致延長設計分析周期的問題，基于參數化設計和Pro/E二次開發的理論，開發了機械彈性車輪的結構參數化設計平臺，該平臺以交互的方式實現機械彈性車輪強度和尺寸校核、三維零件模型和工程圖的自動生成、虛擬裝配等，同時避免了在傳統設計過程中通過查閱國家標準、工程手冊來確定設計參數等繁瑣工作。實例結果表明，利用所提出的技術與方法能夠實現機械彈性車輪結構參數化設計。

機械彈性車輪；Pro/E二次開發；參數化設計；數字化設計

0　引言

美國汽車工程師協會的統計數據表明，美國每年約有26萬起交通事故是由輪胎故障所引起的，通常當車速達160 km/h以上時，爆胎所造成的死亡率接近100%[1]。因此，安全車輪的研制成為國內外輪胎公司和汽車企業關注的焦點。目前技術比較成熟的安全車輪是在傳統充氣輪胎的設計基礎上采取必要的安全措施，如自封型安全輪胎、內支撐型安全輪胎等。此外，人們正在探索研制新的安全輪胎，如無充氣TWEEL車輪[2]、負泊松比N-輪[3]和彈性車輪[4-5]等。

機械彈性車輪作為一種新的安全車輪，集橡膠輪胎和輪轂為一體，能夠避免輪胎穿孔、爆胎等危險情況的發生，從而有效保證車輛行駛安全性[6]。文獻[7-9]對其基本構成、工作原理、通過性等方面進行了理論與試驗研究。機械彈性車輪設計是一個十分具體又復雜的過程，其具體性主要體現在存在大量結構相同或相似的零件，其復雜性主要體現在彈性環結構形狀千變萬化且存在大量設計規范。如果機械彈性車輪的結構尺寸發生細微變化或者結構不滿足強度、剛度等要求，則需要進行重復設計。所以解決該問題的有效方法之一就是將參數化設計引入機械彈性車輪的設計過程，建立機械彈性車輪的結構參數化設計平臺ME-Wheel Design，以交互的方式對其進行設計，從而提高機械彈性車輪研發的效率。

1　機械彈性車輪結構及力學分析

1.1機械彈性車輪結構

機械彈性車輪結構如圖1所示。機械彈性車輪主要由車輪圈、鉸鏈組及輪轂組構成。車輪圈內部預埋彈性環支撐骨架，由卡環組將多股鋼絲構成的多組彈性環鎖卡在一起，不僅可以起到車輪的支撐作用，而且可以保證一定的彈性，在車輪圈的外部包裹橡膠形成胎面。車輪輪轂與車輪圈通過等角度布置鉸鏈組連接，鉸鏈組起到緩和沖擊及傳遞轉矩等作用，整個車輪通過輪轂用螺栓與汽車半軸連接。

圖1　新型機械彈性車輪結構

1.2機械彈性車輪力學分析

1.2.1車輪圈受力分析

圖2　新型機械彈性車輪靜承載受力圖

由新型機械彈性車輪的支撐結構可知，當車輪承受靜載荷時，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彎曲變形而不承受載荷。忽略車輪外圈變形對鉸鏈組布置角度的影響，則新型機械彈性車輪的靜承載受力情況如圖2所示。

設單輪所受靜載力大小為Fz，考慮到受力對稱，上半部分各鉸鏈組受力依次為F3、F2、F1、F2、F3，根據平衡方程以及變形協調條件可得

(1)

1.2.2彈性環受力分析

圖3　彈性環左半圓環受力情況

根據彈性環左右對稱性，同時忽略其變形造成的角度影響，可將彈性環沿豎直方向分成左右兩部分進行受力分析，如圖3所示。左右兩部分的受力情況一致，計算左半部分即可。將其左半部分分為AB、BC、CD、DE四段，設上下對稱支撐力分別為F4和F5，彈性環半徑為r。

(2)

根據圖3所示的計算模型，對彈性環分段進行受力分析。對AD段，建立圖4所示的分析模型，其中，設AB段彎矩為M1(α)，剪力為FS1(α)，軸力為FN1(α)；設BC段彎矩為M2(α)，剪力為FS2(α)，軸力為FN2(α)；設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　彈性環左半圓環AD段受力分析

當α∈[0°,30°]時，有

(3)

當α∈(30°,60°]時，有

(4)

當α∈(60°,90°]時，有

(5)

對CD段，建立圖5所示的分析模型，設彎矩為M4，剪力為FS4，軸力為FN4，α∈[0°,90°]，由平衡方程可得

圖5　彈性環左半圓環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)是關于α的函數，通過求導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

車輪滾動半徑為r1，車輛最大牽引質量為mTmax，驅動輪個數為nq，所以分配到每個車輪的牽引質量m1=mTmax/nq，車身質量引起的牽引力為Fm，所以每個車輪受到的牽引力矩為

T=m1gr1+Fmr1

(9)

外懸轂通過n對銷軸和鉸鏈組連接，共有n對力矩，則每對銷軸受到的力矩T1=T/n。

1.2.4鉸鏈組結構受力分析

圖6所示為鉸鏈組結構圖，鉸鏈1、鉸鏈2和鉸鏈3通過銷軸連接在一起。

圖6　鉸鏈組結構圖

假定扭轉時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對懸轂的力Fd=T1/r。車輪鉸鏈組拉直后與垂向夾角為α，將鉸鏈3簡化為L形桿，設銷軸3所受力為Fcx、Fcy，銷軸5所受力為Fe，設銷軸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。根據平衡方程可得到各銷軸受力情況。

圖7　鉸鏈3簡化受力圖

1.2.5卡環危險部位受力分析

圖8所示為卡環組的結構，由于車輪圈是將卡環用橡膠包裹形成的，考慮車輪工作情況的受力分析可知，卡環與鉸鏈的連接處是其受力最大的危險部位，故分析其受力情況。

圖8　卡環組結構

設車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)

則對于根部，最大彎矩為

Mzwmax=Fazlzw

(11)

其中，lzw指其危險部位至根部長度，如圖8所示。

2　機械彈性車輪的重要結構參數分析

2.1重要結構參數分類

機械彈性車輪的重要結構參數主要分為主參數、從參數和獨立參數。其中，主參數控制整個零件的形狀特征，又稱為驅動參數；從參數主要通過國家標準和工程設計準則、企業標準和經驗以及分析計算結果等來確定與主參數之間的聯系；獨立參數相對主參數和從參數來說具有相對獨立性，不受其變化的影響。機械彈性車輪結構主要設計參數見表1。

2.2自上而下參數約束關系的建立

自下而上參數約束關系的建立，是一種為了避免主參數驅動變形出錯的建模技巧，即從基礎特征開始，建立一個特征定義一步尺寸，并同時建立與上層之間的約束關系。機械彈性車輪的參數約束關系如圖9所示。

3　機械彈性車輪結構參數化設計實現

3.1總體結構設計

ME-Wheel Design是基于VC++開發的適用于機械彈性車輪結構參數化的設計平臺，該系統由總體設計模塊、車輪圈設計模塊、輪轂設計模塊、鉸鏈組設計模塊、整體裝配設計模塊組成。各個模塊相互獨立，但又有一定的聯系：五大模塊完成各自對應的設計內容，設計結果保存在相應的工程數據庫中；設計中的某些參數需從其他模塊的工程參數庫中調用。ME-Wheel Design系統總體結構設計流程如圖10所示。

表1　機械彈性車輪結構主要設計參數

注：主參數用P表示，從參數用N表示，獨立參數用I表示。

圖9　機械彈性車輪的參數約束關系

圖10　ME-Wheel Design系統的總體結構設計流程

3.2數據庫管理系統的搭建

機械彈性車輪的設計過程需要查詢大量輪胎行業標準及設計手冊的大量數據，ME-Wheel Design系統借助Access建立相應的數據庫管理系統。利用Access數據庫建立零件參數數據庫之后，以ADO作為數據庫訪問接口實現對數據的調用、修改、添加等訪問操作。實例運行后，ADO訪問彈簧鋼材料及力學性能如圖11所示。

圖11　ADO訪問彈簧鋼材料及力學性能

3.3結構參數校核的設計實現

以車輪圈設計模塊的結構校核的設計實現為例進行重點介紹，其他模塊結構校核的設計實現類似。車輪圈模塊的校核分析流程如圖12所示。

圖12　車輪圈設計模塊的校核分析流程

車輪圈設計校核分析主要包括彈性環校核分析、卡環組校核分析和橡膠層校核分析。首先，彈性環結構相對簡單，彈性環校核分析無需進行幾何約束校核，只需進行強度校核；其次，卡環組校核分析需進行幾何約束校核和危險面強度校核；最后，橡膠層校核分析只需進行幾何約束校核，確定合適的設計參數。

3.4零件參數化的設計實現

3.4.1零件參數化模型庫的搭建

參數化設計方法的目的是存儲設計的整個過程，從而設計出一系列的產品模型。不同型號的產品往往只是尺寸不同而結構相同，映射到幾何模型中，就是幾何信息不同而拓撲信息相同。因此，在對零件進行拓撲結構歸類的基礎上建立參數化模型，所有的參數化模型構成參數化模型庫。

以彈性環參數化模型的搭建為例進行說明。彈性環的鋼絲根數不同，鋼絲排布也有所差異，鋼絲根數分別取8、9、10、12時，鋼絲排布見表2。

表2　彈性環排布說明

首先，根據鋼絲根數的不同，需要建立與之相對應的彈性環三維模型樣板；其次，利用Pro/E的Family Table、Pro/Program等功能模塊，在已創建的彈性環三維模型樣板的基礎上，建立一組可以完全控制三維模型形狀尺寸的主控參數(即鋼絲半徑rx、彈性環半徑Rx和鋼絲材料等)，進而實現參數化模型的建立。該參數化模型不僅定義了幾何信息，而且定義材質庫或指定密度等非幾何信息。

3.4.2零件參數化程序的設計流程

Pro/Toolkit二次開發共分為同步模式和異步模式。ME-Wheel Design系統采用異步模式的Pro/E二次開發技術，機械彈性車輪的零件參數化設計過程可獨立于Pro/E運行，并且可以實現其他CAD系統的無縫結合。零件參數化程序設計流程如圖13所示。

圖13　零件參數化程序設計流程

程序流程的核心是將用戶輸入的外部參數與參數化模型的內部參數建立關聯關系。首先從參數化模型庫中將待設計的模型調入Pro/E內存，并初始化模型及其內部參數；其次定義參數對象和參數值對象，用來存儲用戶輸入的設計參數值；最后將模型參數與定義的參數值對象建立關系，用戶輸入的設計參數值傳遞給參數化模型的內部參數，再生后可得到新的模型。實例運行后，零件彈性環參數化模型再生如圖14所示。

圖14　零件彈性環參數化設計

3.5工程圖參數化的設計實現

如上文所述，零件參數化模型定義了幾何信息和非幾何信息，Pro/E具有全數據相關的特點，零件參數化模型定義的所有信息可以通過傳遞工程模板傳遞到工程圖中。本文工程圖的參數化就是對工程模板的參數化，其設計流程如圖15所示。

圖15　工程圖參數化設計流程

工程圖參數化設計程序實現的核心函數是ProDrawingFromTmpltCreate ()。在調用該函數之前必須為新創建的工程圖制定工程圖模板庫并設置工程圖配置文件，系統將會按照工程圖模板自動生成相關視圖。實例運行后生成鉸鏈3的工程圖。

4　實例

首先，按照設計要求獲取機械彈性車輪設計的主參數值，見表3；其次，圍繞主設計參數展開一系列設計，主要包括胎圈設計、鉸鏈組設計和輪轂設計；最后，在ME-Wheel Design系統的主設計界面，點擊“生成裝配件”按鈕，系統自動生成變型設計的機械彈性車輪。鉸鏈組個數從12變成8，變型前后如圖16所示。

表3　機械彈性車輪設計的主參數值

(a)鉸鏈個數N=12

(b)鉸鏈個數N=8圖16　機械彈性車輪變型前后對比圖

5　結論

(1)綜合了VC++語言、Access數據庫管理系統和Pro/E軟件各自的優點。

(2)具有高質量的用戶界面，在實用的基礎上，強調操作者與計算機之間的人機友好性。

(3)計算與圖形系統一體化，可實現機械彈性車輪結構的參數化計算與繪圖，實用性良好。

(4)實現了基于Pro/E的二次開發子系統與CAD的無縫集成，不僅可以作為Pro/E系統的插件使用，而且可以獨立運行。

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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

閆樂樂，女，1989年生。南京航空航天大學能源與動力工程學院碩士研究生。主要研究方向為機械彈性車輪的參數化設計。趙又群，男，1968年生。南京航空航天大學能源與動力工程學院教授、博士研究生導師。付宏勛，男，1987年生。南京航空航天大學能源與動力工程學院博士研究生。王強，男，1985年生。南京航空航天大學能源與動力工程學院博士研究生。