機(jī)械彈性車輪提高輪胎的耐磨性和抓地性分析

(沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110159)

機(jī)械彈性車輪提高輪胎的耐磨性和抓地性分析

于維凱 李昊澤 劉新月

(沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110159)

汽車的行駛，靠著輪胎與路面之間相互接觸所產(chǎn)生的摩擦力與壓力為動(dòng)力的。輪胎的質(zhì)量以及與地面接觸面積大小影響著車輛的平穩(wěn)性，不利的條件會(huì)增加輪胎的磨損以及噪音，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致車輛的使用性能。對創(chuàng)新型機(jī)械彈性車輪的研發(fā)，可以有效的減少車輪接地壓力的偏度值，進(jìn)一步提升輪胎的抓地性以及耐磨性。我們將對機(jī)械彈性車輪的垂直靜態(tài)接地性進(jìn)行深入的探究。

機(jī)械彈性車輪；輪胎；耐磨性；抓地性

前言：車輛行駛中能量的傳遞是由輪胎與路面兩者之間的接觸面積決定的。當(dāng)行駛的不順暢時(shí)，極大的可能是輪胎與地面接觸發(fā)生接觸不全或輪胎漏氣等問題導(dǎo)致的。此文章主要研究輪胎與路面的接觸面積及其所承載的力，探討輪胎接地形變對車輛性能的影響，以便提升輪胎的抓地性與耐磨性，希望可以更好的解決此類問題。

一、探究機(jī)械彈性車輪的結(jié)構(gòu)及承載

新型機(jī)械彈性車輪的研發(fā)，有效的提升輪胎的防刺破、防爆胎以及安全防彈性能。首先我們主要研究車輪的系統(tǒng)構(gòu)成，建立有限元和彈性力學(xué)兩種模型，通過實(shí)驗(yàn)分別對其進(jìn)行計(jì)算，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析。實(shí)驗(yàn)顯示，兩種模型都可以體現(xiàn)出車輪的變形形狀，并且其相互一致。通過有限元模型對其通過性進(jìn)行分析，計(jì)算出車輪的滾動(dòng)半徑和位移，直接明了的體現(xiàn)掛鉤牽引力各個(gè)分力對其造成什么影響，進(jìn)一步為車輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一定的幫助。機(jī)械彈性車輪與普通充氣車輪的對比，我們不難發(fā)現(xiàn)在通過性方面前者具有較大的優(yōu)勢。

機(jī)械彈性車輪在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)車輪是有較大差異的。在車輪與輪胎之間就可以明顯的看出，機(jī)械彈性車輪在連接上，使用鉸鏈組將車輪的外圈和輪轂進(jìn)行串連，但是傳統(tǒng)的輪胎是與車輪相分離的。輪圈、鉸鏈組、制動(dòng)器及輪胎外圈組成機(jī)械彈性車輪，輪胎的外圈包括卡簧組合、吊式減震器以及彈性墊，這種非充氣組織的新型機(jī)械彈性車輪，可以在結(jié)構(gòu)上減少輪胎被扎而爆胎、漏氣的可能。

車輪承載分為底部承載和頂部承載兩種方式。剛性輪是通過對輪轂的壓縮，使其承載與地面的接觸的底部承載輪子。在剛性輪行駛過程中，與地面接觸受到物理作用力的壓強(qiáng)較大，存在著輪胎底面積受力性能差的問題。而張拉式輻條輪結(jié)構(gòu)的則是頂部輪胎，輻輪和負(fù)荷承載間存在相互的力。在正常使用的情況下，承載力是平均作用到輻輪上的，這樣就可以極大的提高單位質(zhì)量上承載的力。在傳統(tǒng)充氣輪胎使用中，就是利用了這種頂部承載受力的方式。

機(jī)械車輪的一種主要承載方式是懸轂式承載。我們理解懸轂式的承載為將輪轂懸吊在車輪外圈上，在車輪靜止不動(dòng)時(shí)，輪外圈會(huì)受到垂直向下的作用力，造成接地面產(chǎn)生形變，不包括與地面接觸的鉸鏈組之外的結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生一些物理形態(tài)上的變化。在這種承載方式中，頂部可以承載極高的單位質(zhì)量，有效的保證車輪附著性的特點(diǎn)。

二、對結(jié)果進(jìn)行分析

（一）解析負(fù)荷的特性

以實(shí)驗(yàn)的形式對負(fù)荷的特性進(jìn)行分析，首先將垂直放在桌面上的輪胎，開始對其直徑測試，將穩(wěn)固在輪胎圈內(nèi)的輪軸增大壓強(qiáng)，同時(shí)還要對受到壓力的車輪進(jìn)行直徑測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來后，用前面提到的力學(xué)模型對有限元模型的輪胎的承載負(fù)荷進(jìn)行解析。解析后顯示兩者的最大誤差值是在8.55%～8.6%之間，建模的精度與測試結(jié)果相符合，實(shí)驗(yàn)得出，兩個(gè)模型的建立可以準(zhǔn)確的表達(dá)出直線承載和輪胎的構(gòu)造優(yōu)點(diǎn)。以上分析，機(jī)械彈性車輪承受負(fù)荷形變的形變率和氣胎車輪相比較，機(jī)械彈性車輪較小些。這充分證明，在徑向剛度上，機(jī)械彈性車輪輪胎與氣胎相比較會(huì)較大一些，車輪胎的輪圈與合頁組所承受的決定因素就是其兩者構(gòu)造的關(guān)鍵因素，其材料剛度性較大些，因而，負(fù)荷承載較大物理量后，移動(dòng)距離就會(huì)明顯變小，這樣輪胎的圓度就被很好的維持了，還能夠有效的減少其滾動(dòng)時(shí)受到的阻力，使其滾動(dòng)時(shí)受到的物理反應(yīng)大大降低。

（二）分析靜態(tài)時(shí)接地的壓力

承載較小負(fù)荷的車輪輪胎，則是以橢圓形與接地面接觸的，輪胎接地面積越大變形也會(huì)隨著接觸面的增大而增大，這表明所受的負(fù)荷也會(huì)受到影響，則輪胎是以不定項(xiàng)的形式變形的。下面將充氣輪胎和機(jī)械彈性輪胎做靜態(tài)接地作對比。

充氣輪胎承受的荷載逐漸加強(qiáng)，對其接地面積也在不斷加大，則會(huì)以前后凸起的形狀顯像出來，然而，承受負(fù)荷逐漸的加強(qiáng)，所受的壓力與接觸地面積也會(huì)不斷加大。而承受負(fù)荷較為小時(shí)，就會(huì)造成車輪中心部分的壓力增大，且是以均勻的方式分布的，輪胎的頂部會(huì)受到中心點(diǎn)所轉(zhuǎn)載的壓力，都是因?yàn)槌惺艿妮d荷在不斷加大。

機(jī)械彈性車輪接觸地時(shí)，會(huì)以矩形的方式發(fā)生形變。當(dāng)承受負(fù)荷變小時(shí)，輪胎所承受的最大壓力值都會(huì)聚集在輪胎中心部位，承受力的不斷加強(qiáng)，輪胎所受的壓力慢慢會(huì)向中心點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)輪胎受到大壓強(qiáng)時(shí)，輪胎上部不會(huì)出現(xiàn)壓力集中的現(xiàn)象，這完全可以說明，當(dāng)機(jī)械彈性輪胎接觸地面所產(chǎn)生的壓力時(shí)，其壓力分布均勻能使輪胎的性能大大提升。

三、對機(jī)械彈性車輪進(jìn)行建模分析

機(jī)械彈性車輪與地面接觸發(fā)生直接關(guān)系，因而，輪胎外圈能夠定性于車輪的特征。機(jī)械彈性車輪的外輪圈的要比一般車輪的外圈厚度小一些，根據(jù)機(jī)械彈性輪胎的特點(diǎn)能夠在車輪外圈制造一個(gè)圓形梁。其圓形梁的作用能使輪胎受到剪力、彎矩等內(nèi)力得以簡單化，以便減少其所受里的影響。

合頁組是車輪外圈與車輪轂兩者間所受里的重要傳遞組織，車輪圓周方向則是合頁組受力點(diǎn)。分析機(jī)械彈性車輪的承受負(fù)荷，我們得知，車輪軸上所承載的負(fù)荷都是通過合頁組完成拉伸的，進(jìn)而機(jī)械彈性車輪才可以實(shí)現(xiàn)承載力，若排除接地面，也就是說，輪胎在承載負(fù)荷的同時(shí)，合頁組所承載的壓力只是通過其造作所完成的力。

四、結(jié)束語

文章所述，普通充氣車胎受力面積不定，而機(jī)械彈性車輪則是通過輪胎外圈發(fā)生形變來控制其接地面，使其接地面得以受力均勻，有力的減小與接地面的偏差。文章主要敘述了機(jī)械彈性車輪對輪胎的耐摩擦性能以及輪胎對地面接觸所產(chǎn)生的力進(jìn)行了解析，期待文章對輪胎所簡述分析與建議得以采用，對今后車輪使用性能得以有很大的用途。

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G322

A

1007-6344（2017）04-0342-01

于維凱（1997-）男，遼寧莊河人，車輛工程專業(yè)

李昊澤（1996-）男，遼寧本溪人，車輛工程專業(yè)

劉新月（1997-）女，遼寧大石橋人，車輛工程專業(yè)