影響車輪疲勞壽命因素的研究

【摘要】為提高機械彈性車輪的可靠性和耐久性，對其疲勞壽命進行了研究。結合機械彈性車輪的結構及承載方式，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過程；基于Miner線性疲勞累積損傷理論進行疲勞壽命預測。分析表明：車輪骨架的疲勞破壞主要集中在彈性環組合卡與鉸鏈組的連接部位；隨著鉸鏈組個數、鉸鏈組橫截面積的增加，疲勞壽命呈非線性增加；隨著實際負荷的增加，疲勞壽命呈下降趨勢。基于Miner線性疲勞累積損傷理論，模擬動態彎曲疲勞試驗對機械彈性車輪骨架進行疲勞壽命預測。

【關鍵詞】機械彈性車輪 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的重要組成，其功用主要是支撐整車、緩和路面沖擊、產生驅動/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、操縱穩定性、輪胎磨損與噪聲產生重要的影響。輪胎接地壓力過高或分布不均將導致輪胎快速磨損產生噪聲，影響車輛舒適性并直接導致輪胎壽命的下降；本文探索了一種新型非充氣式機械彈性安全車輪，并進行了一系列模型建立、徑向剛度特性、力學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、車輪結構等因素，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律，為車輪結構及整車動力學特性優化提供參考。結合機械彈性車輪的結構及承載方式，建立適用于機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，為其設計優化和推廣應用提供指導。

1.機械彈性車輪的結構

機械彈性車輪突破傳統車輪和充氣輪胎的分體式設計，采用鉸鏈組連接彈性車輪外圈和輪轂的非充氣結構，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、彈性環組合卡及帶有胎面花紋的橡膠層組成。鉸鏈組為彈性材料，由三節鉸鏈構成，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的側向運動，保證車輪具有良好的側向穩定性和一定的側向剛度。

2.車輪有限元模型的建立

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

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）忽略銷軸結構，不研究其疲勞壽命，用轉動副模擬其運動特性；

3）胎圈結構為非線性材料，特性復雜，不考慮其對機械彈性車輪骨架應力歷程的影響；

4）假設所有材料屬性為各向同性，車輪骨架結構相對輪心完全對稱；

5）不考慮溫度變化對機械彈性車輪骨架各項性能的影響。

3.機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構是剛性輪，通過直接壓縮輪轂到地面接觸的區域來承載，在承載的任意時刻，只有此壓縮區域受力。 底部承載方式單位質量的承載能力較差。頂部承載輪子的典型結構是張拉式輻輪，輪輻張力的矢量和與承載負荷相平衡，在承載的任意時刻，所有輪輻均受力，因此單位質量的承載能力得到提高。傳統充氣輪胎車輪的承載方式就屬于頂部承載。機械彈性車輪的承載和變形的形式如下：當車輪靜止承受垂直載荷時，彈性車輪外圈受力變形，接地區域變平。除地面接觸區域的鉸鏈組外，其余均承受拉力。該承載方式既有頂部承載單位質量承載能力高的特點，又能從結構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，使其產生設定范疇內的類橢圓彈性變形。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，可得到以下結論：當鉸鏈組的剛度增加時，車輪變形減小，徑向剛度、側向剛度和縱向剛度均增大；反之，當鉸鏈組剛度減小時，車輪變形變大，徑向剛度、側向剛度和縱向剛度均減小。因此，在車輪設計時要考慮鉸鏈組剛度的選擇。此外，鉸鏈組的設計還受車輪下沉量、車輛結構參數等限制。

4.結論

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

1）車輪動態彎曲疲勞試驗中，機械彈性車輪骨架結構的危險點承受非對稱應力循環，在鉸鏈組第一節鉸鏈內側產生最大應力。

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

3）機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，且機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力集中。機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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