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摘 要： 摘要：為了對機械彈性車輪在直線行駛工況下承受因路面不平而產生的隨機載荷所能達到的最大行駛里程進行預測，對其耐久性進行了研究。結合車輪的結構特性，建立用于耐久性研究的有限元模型。在考慮路面不平度的基礎上，確定車速與車輪動載荷、動載系數的關系
摘要：為了對機械彈性車輪在直線行駛工況下承受因路面不平而產生的隨機載荷所能達到的最大行駛里程進行預測，對其耐久性進行了研究。結合車輪的結構特性，建立用于耐久性研究的有限元模型。在考慮路面不平度的基礎上，確定車速與車輪動載荷、動載系數的關系，并以等效循環載荷加載至車輪。基于疲勞損傷理論和疲勞試驗方法，利用Fe-safe對車輪的耐久性進行預測，最大行駛里程為8787km。再對危險零部件卡環進行熱力耦合耐久性分析，最小壽命位置為中間銷耳處，最大行駛里程為5258km。
關鍵詞：機械彈性車輪;耐久性;有限元分析;熱力耦合;隨機載荷
0引言
車輪和輪胎是汽車行駛系統中的重要組成部件，是汽車與地面接觸的唯一媒介，起到支撐載荷，向地面傳遞制動力、驅動力和轉向力，緩沖減振以及保證轉向穩定性等作用。此外，輪胎還具有安全性、耐久性、經濟性和舒適性等要求，而其中安全性尤為重要。輪胎要承受來自不平路面的激勵，可能遭遇穿孔、爆胎等情況，為適應現代汽車工業發展需要，安全車輪技術應運而生。
米其林公司開發了集成輪胎和輪轂的組合體“Tweel”[1]、[2]，ResilientTechnologies公司開發了蜂窩結構的非充氣安全車輪[3]，韓泰公司研制了非充氣輪胎iFlex[4]，南京航空航天大學趙又群教授團隊研發出一種采用懸轂結構的全新非充氣安全輪胎——“機械彈性安全車輪”[5]、[6]。
車輛的行駛相當于對車輪施加循環加載，這會引起車輪材料發生漸進和局部結構損壞[7]、[8]。ErcanS[9]利用有限元分析法研究了商用車鋼輪在動態徑向疲勞試驗中的通風孔上產生疲勞失效的起因，并確定了預期疲勞失效的應力集中區域。劉獻棟等[10]提出了一種精確度較高的評估商用車車輪疲勞壽命的方法，并利用雙軸車輪試驗和疲勞壽命估算進行了仿真分析。ZhaoY等[11]提出利用對輕合金車輪試件的數值模擬研究，來估算平面應力條件下轉彎疲勞試驗中客車車輪的疲勞壽命。郝琪等[12]以有限元分析的應力值為基本參數，分別采用名義應力法、局部應力應變法、疲勞分析軟件Fe-Safe預測了車輪的疲勞壽命。
將循環載荷加載至車輪中心進行壽命預測是現階段研究機械彈性車輪耐久性的主要方法[13]，本文在此基礎上，通過確定車速與車輪動載荷、動載系數的關系，以等效循環載荷代替隨機載荷進行耐久性加載試驗。為了提高預測的準確性，對車輪的危險零部件進行熱力耦合分析，仿真計算得到最小壽命位置，為機械彈性車輪整體結構以及關鍵零部件的優化提供了理論基礎。
1機械彈性車輪結構
區別于傳統充氣車輪的結構，機械彈性車輪的總體結構如圖1所示，主要是由輮輪、懸轂、銷軸、鉸鏈組、彈性環、卡環等部件構成[14]、[15]。
機械彈性車輪的胎圈外部嵌入了硫化的簾線層，由橡膠層包裹在其內的彈性環以及卡環組成了輮輪，輮輪內無充氣結構。車輪的胎圈內部是車輪的骨架結構，由多組卡環等角度圓周分布，卡環將5束彈性環鎖卡在一起，構成彈簧鋼圈整體，如圖2所示。
懸轂通過多組鉸鏈組安置于車輪的中心。為了匹配機械彈性車輪的結構需求，懸轂的構造與傳統充氣胎的輪轂不同，除了與半軸匹配安裝的安裝孔外，懸轂周圍還分布了與鉸鏈組匹配安裝的安裝孔，數目與鉸鏈組數目相同。
鉸鏈組由三節鉸鏈組成，每節鉸鏈均可以沿銷軸自由轉動，鉸鏈組可以實現自由彎曲。第一節鉸鏈與輮輪內的卡環安裝連接，最后一節鉸鏈與懸轂安裝連接。鉸鏈組的主要作用是將來自半軸的驅動力傳遞至輮輪，并配合輮輪內的彈性環緩沖部分路面沖擊。
彈性環是由若干股彈性鋼絲纏繞構成，在卡環的緊扣鎖止下，具有較高的強度與承載能力，并且彈性減震性能表現優秀，能夠滿足越野車等重型車輛的承載行駛需求。
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通過上述對機械彈性車輪的結構分析，車輪的整體結構由于采用“輮輪-鉸鏈組-輪轂”的一體化設計，在保障了良好減震性的同時，從根本上解決了傳統充氣輪胎的扎胎、爆胎等安全問題。
2載荷工況的確定
2.1車速與隨機載荷的關系
因實際路面不平度的存在，汽車行駛在道路上時車輪會承受一定的隨機動載荷。因此在計算直線行駛時機械彈性車輪所承受的隨機載荷之前，需要先計算確定路面功率譜密度，可選擇式(1)和(2)來表示路面不平整度隨頻率的分布情況[16]。
2.2等效循環載荷的確定
在進行機械彈性車輪耐久性仿真試驗時，本文采用將旋轉的彎矩加載至固定車輪的方法來完成耐久性仿真試驗：在車輪的懸轂中心施加一個大小不變但方向隨時間改變的載荷，該載荷可以被分解為兩個方向互相垂直且幅值、頻率都相同的正弦載荷和余弦載荷，如圖5所示。
3有限元模型的建立
3.1簡化條件
基于上文對機械彈性車輪的零部件介紹，為了減少計算規模與時間，在保證計算精度的條件下，對機械彈性車輪的模型進行適當簡化：
(1)設定車輪內所有的機械連接處均為剛性連接，不存在相對位移;
(2)假設車輪完全對稱，忽略車輪主銷后傾角、主銷內傾角、前輪外傾角等車輪定位參數，車輪所受的載荷假設為集中力并作用在輪心處;
(3)彈簧鋼圈與胎體視為整體部件，不存在相對位移;
(4)忽略輮輪內的彈性環與卡環之間的接觸關系;
(5)忽略車輪胎面花紋的影響，由于胎面花紋的復雜性，考慮到計算效率，對車輪的胎面花紋做光滑處理;
(6)以單根粗鋼絲代替由多股細鋼絲纏繞而成的彈性環，在卡環卡緊鎖止下的多股細鋼絲幾乎沒有位移。
3.2材料屬性
參考相關資料，根據實際需求選擇車輪各零部件的材料屬性[18]、[19]，具體的材料屬性參數如表1所示。
3.3網格劃分
對車輪規則的幾何體部分單元形狀采用六面體單元，網格劃分方法采用掃掠劃分網格，對不規則的幾何體部分單元形狀采用采用四面體，網格劃分方法采用自由劃分網格，并對某些關鍵部位與零件進行單獨布種劃分網格。建模中不同部件單元類型及模塊的選擇：
(1)輮輪的橡膠層部分采用實體單元;
(2)橡膠層中的彈性環組合體采用梁單元;
(3)通過*EMBEDDEDELEMENT*命令完成彈性環組合體內嵌至輮輪橡膠層的過程。——論文作者：張晨趙又群鄭鑫杜宜燕