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第3 1 卷 2 0 1 5 年 第1 7 期 9 月 农业工程学报 T r a n s a ct io n so ft h eC h in e s eS o cie t yo fA g r icu lt u r a lE n g in e e r in g V b l3 1N o 1 7 S e p 2 0 1 5 5 7 胎圈结构参数对机械弹性车轮接地压力分布的影响 付宏勋，赵又群，林桑，杜现斌，王强，朱明敏 ( 南京航空航天大学能源与动力学院，南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要：为了进一步掌握机械弹性车轮的接地特性，该文着重研究了胎圈结构参数对车轮接地压力分布的影响。建立了 车轮胎圈曲梁模型，通过对车轮承载变形的理论分析，确定影响车轮接地特性的结构参数为胎圈断面高宽比、弹性环断 面高宽比和弹性环分布位置。针对不同的胎圈结构参数，建立对应的车轮有限元模型并验证了模型有效性。利用有限元 分析软件A B A Q U S 对其作静态接地特性仿真试验，结果表明减小胎圈断面高宽比、弹性环断面高宽比或弹性环分布系数， 可不同程度地增大车轮接地长度和接地面积，并使车轮平均接地压力和接地压力偏度值减小。对比不同胎圈结构参数的 车轮，其接地长度最大增加7 2 ，接地面积最大增加2 1 6 。该文为优化机械弹性车轮的接地特性提供了参考。 关键词：轮胎；模型：有限元法；非充气轮胎；机械弹生车轮；曲梁模型；结构参数；接地特性 d o i：1 0 1 1 9 7 5 j is s n 1 0 0 2 - 6 8 1 9 2 0 1 5 1 7 0 0 8 中图分类号：U 4 6 3 3 4 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 2 6 8 1 9 ( 2 0 1 5 ) 一1 7 0 0 5 7 0 8 付宏勋，赵又群，林菜，杜现斌，王强，朱明敏胎圈结构参数对机械弹性车轮接地压力分布的影响 J 农业工程 学报，2 0 1 5 ，3 1 ( 17 ) ：5 7 6 4 d o i：1 0 1 1 9 7 5 j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 5 1 7 0 0 8 h t t p ：w w w t cs a e o r g F uH o n g x u n ，Z h a oY o u q u n , L inF e n , D uX ia n b in ，W a n gQ ia n g ，Z h uM in g m in I n f lu e n ce so fb e a ds t r u ct u r ep a r a m e t e r so nco n t a ct p r e s s u r ed is t r ib u t io no f m e ch a n ica l e la s t icw h e e l J T r a n s a ct io n so f t h eC h in e s eS o cie t yo f A g r icu lt u r a lE n g in e e r in g ( T r a n s a ct io n so f t h e C S A E ) ，2 0 1 5 ，3 1 ( 1 7 ) ：5 7 6 4 ( inC h in e s ew it hE n g lis ha b s t r a cOd o i：1 0 1 1 9 7 5 ，j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 5 1 7 0 0 8h t t p ：w w w t cs a e o r g 0 引 言 轮胎在使用中依靠与路面接触的区域来传递驱动力 矩和各种载荷。因此，研究轮胎接地问题，尤其是分析接 地区域的压力分布尤为重要。接地压力分布的合理与否， 对轮胎的高速、安全、节能、耐磨和舒适性等性能有着直 接的影响，而压力分布状况与轮胎结构设计关系密切【lo 。 近年来，研究人员对轮胎接地特性作了大量工作，主要是 利用数值仿真 4 - 6 或试验 _ 7 。1 1 等方法。这些研究主要是针对 普通充气轮胎，而充气轮胎结构与机械弹性车轮存在本质 区别，其研究结论不适用于机械弹性车轮。 随着人们对汽车安全性、操纵稳定性、舒适性要求 不断提高，对安全轮胎的研究也日益升温。目前，安全 轮胎主要有泄气保用轮胎 1 2 - 1 4 1 和非充气车轮 1 5 - 2 0 】。由于泄 气保用轮胎没有摆脱原有的充气结构，其安全性能的提 升空问有限。非充气车轮是以弹性体结构取代充气轮胎 中的空气，在满足普通充气轮胎各项性能的基础上，使 车轮不存在扎破、爆胎等安全问题。 机械弹性车轮是一种非充气安全轮胎，其负荷主要 由胎圈和铰链组承担，承载方式、接地特性不同于充气 收稿日期：2 0 1 5 0 5 2 8修订日期：2 0 1 5 - 0 7 - 2 2 基金项目：总装探索研究项目( N H A l3 0 0 2 ) ；江苏省普通高校研究生科研 创新计划资助项目、江苏省研究生培养创新工程( K Y L X l50 2 5 4 ) 作者简介：付宏勋，男，山东淄博人，博士生，主要从事车辆系统动力学方 面的研究。南京南京航空航天大学能源与动力学院，2 1 0 0 1 6 。 E m a il：f u h o n g x u n 6 1 5 1 6 3 co m 通信作者：赵又群，男，河北秦皇岛人，教授，博士生导师，主要从事汽 车动态仿真与控制的研究。南京南京航空航天大学能源与动力学院， 2 1 0 0 1 6 。E m a ihy q z h a o n u a a e d u cn 轮胎。课题组已经对机械弹性车轮进行了力学特性、有 限元建模等方面的理论及试验研究 2 1 - 2 3 】；通过静态接地 特性试验，研究了机械弹性车轮静态径向刚度特性以及 接地压力分布随载荷的变化规律，并与充气轮胎作了对 比分析 2 4 - 2 6 。在上述研究的基础上，本文利用数值仿真 方法对机械弹性车轮的接地特性开展更加深入地研究， 分析不同胎圈结构参数对车轮接地特性的影响，为优化 机械弹性车轮的接地特性提供参考。 1 机械弹性车轮及胎圈曲梁模型 1 1 机械弹性车轮结构 机械弹性车轮由胎圈、铰链组和轮毂三部分构成， 如图1 a 所示。胎圈是由橡胶层及其包裹在内部的弹性环 组构成。弹性环组是用周向等角度分布的n 个卡环将横 向均匀排列的弹性环组合而成。轮毂置于车轮外圈中间， 用铰链组与车轮外圈内侧的卡环连接。 机械弹性车轮承载变形，如图1 b 所示。当车轮承受 垂向载荷时，胎圈上部受到来自从轮毂经铰链组传到弹 性环的拉力，下部受到来自地面对车轮的反作用力，使 其有设定范畴内的适度的类似椭圆的弹性变形；车轮接 地区域的铰链不受作用力，因胎圈变形而产生一定的弯 曲，其它的铰链组受拉力作用而张紧。 1 2 胎圈曲梁模型 机械弹性车轮的胎圈与地面直接接触，是决定车轮 接地特性的主要部件。由于弹性胎圈的厚度远小于车轮 半径，可将胎圈( 橡胶层、弹性环) 简化为T im o s h e n k o 曲梁模型【2 7 1 ，如图2 所示，以描述车轮承载变形特征。 这样可将车轮承载变形简化为极坐标系中的一维问题， 只考虑平面变形即可。 农业工程学报( h t t p ：w w w t e s a e o r g ) 2 0 1 5 焦 1 胎圈2 铰链组3 轮毂4 橡胶层5 弹性环6 卡环 1 B e a d 2 H in g eg r o u p 3 H u b4 R u b b e rla y e r5 E la s t ic r in g 6 E la s t ic r in gclip a 机械弹性车轮结构 a S t r u ct u r eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e l 1 胎圈2 铰链组3 轮毂 1 B e a d2 H in g eg r o u p3 H u b b 机械弹性车轮承载变形示意图 b D ia g r a mo f b e a r in gd e f o r m a t io no f m e ch a n ica l e la s t icw h e e l 图1 机械弹性车轮结构及其承载变形 F ig 1 S t r u ct u r ea n db e a r in gd e f o r m a t io no f m e ch a n ica le la s t ic w h e e l a 平面外变形三维模型 aO u t o f _ p la n ed e f o r m a t io n o f3 Dm o d e l q ， b 平面变形一维模型 b P la n es ir a ino n e d im e n s io n a lm o d e l 注：R 为曲梁中径，m ：H 为曲梁厚度，m ；B 为曲梁宽度，m ：0 为曲梁上 任一点到y 轴的角度，r a d ；0 I 、0 2 为曲梁两端到y 轴的角度，t a d ：U r 为径 向位移，m ；u o 为圆周方向位移，m ；妒为相对横截面中心的旋转角度，r a d ； 为截面内的轴向力，N ；y 为截面内的剪切力，N ；M 为横截面质心的内 力矩，N m ：q ，是施加在曲梁中分面的径向均布载荷，N m 1 ；q o 是施加在曲 梁中分面的沿圆周方向均布的载荷，N m - 1 ；下同。 N o t e ：Rism e a nr a d iu so fcu r v e db e a m , m Hist h ick n e s so fcu r v e db e a m , m B is w id t h o f cu r v e d b e a m , m 0 isa n g le f r o m a n y p o in t o f cu r v e d b e a m t o Y a x is 口l，0 2isa n g lef r o mb o t h e n d so f cu r v e db e a mt oY a x is U risr a d ia ld is p la ce m e n t , m u 0iscir cu m f e r e n t ia ld is p la ce m e n t ，m pisr o t a t io na n g lew it hr e s p e ctt 0 ce n t r o ido fcr o s s s e ct io n t a d Nisa x ia lf o r ceo ncr o s ss e ct io n , N Viss h e a r f o r ceo ncr o s ss e ct io n ，N Mism o m e n to ff o r ce0 1 1cr o s ss 虹o nce n t r o id ，N m q ，isr a d ia ld is t r ib u t e dlo a d sa p p lie da tm id - s u r f a ce , N m q oiscir cu m f e r e n t ia l d is 仃ib u t e dlo a d sa p p lie da tm id s u r f a ce N 。m _ 1 S a m ea sb e lo w 图2 胎圈T im o s h e n k o 曲梁模型 F ig 2 B e a dT im o s h e n k ocu r v e db e a mm o d e l 曲梁中任意一点的位移场可表示为： h ( ，护) = 咋( R ，0 ) = U r ( 0 ) h ( ，0 ) = u o ( O ) + ( r - R ) f o ( O ) 式中：U ，为径向位移，m ；U 口为圆周方向位移，m ；，为 曲梁上任意点到圆心的距离，m ；0 为曲梁上任一点到y 轴的角度，r a d ；R 为曲梁中径，m ；p 为相对横截面中心 的旋转角度，r a d 。 极坐标下的应变分量表达式为： O U ， 知2 _ = O r = 吾斋+ 等 = 吾等+ 警专 式中：为径向正应变；E 0 0 为环向正应变；啪为切应变。 横截面质心的内力矩、轴向力和剪切力可分别表示为： 膨= L ( ，一R ) o - , , d A N = A O o o d A ( 3 ) y = ，r 8 d l 式中：M 为横截面质心的内力矩，N m ；N 为截面内的轴 向力，N ；y 为截面内的剪切力，N ；为径向正应力， P a ：O a O 为环向正应力，P a ；铂为切应力，P a ；A 为曲梁 的横截面面积，m 2 。 由式( 2 ) 式( 3 ) 得曲梁的静力平衡方程： 面d N + 矿= 一船弛 一蔷= 吼 ( 4 ) d M 一R V ：0 d O 式中：B 为曲梁宽度，m ；q o 是施加在曲梁中分面的沿圆 周方向均布的载荷，N m ；q r 是施加在曲梁中分面的径向 均布载荷，N m 。 引入刚度系数并调整( 4 ) 式【2 7 1 ，得： 以氅d O “ 一G A + ( 尉+ 倒) 盖 + R G 省妒= 一R 2 B q 8 一G A d d 2 u , + 尉蚱+ c删+ 倒，等。5 ， 一R 例署= R 2 地 日粤一R 2 G A p R G A d u , d 0 2 d 目 + R G A u 口= 0 式中：E A 为周向刚度；豇为弯曲刚度；G A 为剪切刚度； ，为曲梁横截面的惯量，k e J m 。 微分方程( 5 ) 的边界条件为： 第1 7 期付宏勋等：胎圈结构参数对机械弹性车轮接地压力分布的影响 5 9 黑：_ G A Au,一+R毗Rd O 矿( 鼠) 、 9 叶 iu ；而o ( g ) ：E A ( 一d u o + “，) b(6)R d O ( 谚) “唧 器丝R 业d O ，2 通过对胎圈曲梁模型的承载变形理论分析可知，影 响车轮下沉量及接地压力分布的主要结构参数有：胎圈 截面高度、宽度及胎圈中径；弹性环截面高度、宽度及 弹性环中径等。设胎圈截面的高度为日，宽度为曰，胎圈 断面高宽比为H B ；设弹性环截面高度为胁，宽度为曰r ， 弹性环断面高宽比为H d B “ 设胎圈中径为R ，弹性环中 径为尺，弹性环分布系数为R C R 。本文将针对不同的结 构参数( 胎圈断面高宽比H B 、弹性环断面高宽比H z B r 和弹性环分布系数R d R ) 进行车轮静态接地特性仿真试 验，探讨结构参数对车轮接地特性的影响。 2 机械弹性车轮有限元模型 为提高仿真效率，在保证计算精度的前提下，对车 轮模型作以下适当简化：将铰链组简化为1 2 组沿车轮周 向均匀分布的三连杆结构；忽略轮毂中对计算结果影响 较小的几何特征；忽略车轮胎面花纹。 根据机械弹性车轮实际结构及上述简化，建立了车 轮三维有限元模型( 图3 ) 。此模型充分考虑了橡胶材料 不可压缩性、车轮与路面的接触非线性以及车轮大变形 等非线性特征。表1 列出了机械弹性车轮各部件的材料 属性。橡胶层采用不可压缩的M o o n e y R iv lin 材料模型。 橡胶层采用C 3 D 8 H 单元进行建模，弹性环、铰链组和轮 毂等采用C 3 D 8 R 单元建模。考虑了硬路面，故对车轮与 路面的接触区域进行了网格细化，并将路面视为刚体。 整个车轮有限元模型有1 8 53 4 6 个节点、1 6 25 7 8 个单元。 0O a 目L 械弹r I 乍轮 b 弹4 p 叫、 aM e ch a n ica le la s t icw h e e lbE la s t ic I in g 图3 机械弹性车轮有限元模型 F ig 3 F in it ee le m e n tm o d e lo f m e ch a n ica le la s t icw h e e l 机械弹性车轮有限元模型的胎圈外径R 。、胎圈截面 宽度B 等基本结构尺寸为定值，胎圈外径凡为9 0 0 衄， 胎圈截面宽度占为2 4 0r a in 。通过改变胎圈截面高度日， 获取不同的胎圈断面高宽比H B ；通过改变弹性环截面的 高度H r 和宽度B r ，获取不同的弹性环断面高宽比为 H z B 胎圈截面高度日和胎圈中径R 一定，通过改变弹 性环中径R r ，获取不同的弹性环分布系数R d R 。针对车 轮不同的胎圈断面高宽比、弹性环断面高宽比以及弹性 环分布系数，将车轮模型作相应修改，设计方案见表2 。 表1 机械弹性车轮材料属性 T a b le1M a t e r ia lp r o p e r t yo f m cch a n ca le la s t icw h e e l c。嚣。攀攀s 墨巽 C 1 0 C 0 t 橡胶层R u b b e rla y e r一一一 0 8 5- 0 2 0 弹性环E la s t icr in g 2 0 x l矿0 2 67 8 5 0 一 一 铰链组H in g eg r o u p 2 1 1 0 30 2 77 8 5 0 一 一 轮毂H u b 7 1 1 0 0 3 l2 8 1 0 一一 注：M o o n e y R iv lin 是一种描述不可压缩橡胶力学性能的模型。 N o t e ：M o o n e y R iv linisak n ido fm o d e lt od e s cr ib em e ch a n ica lp r o p e r t ie so f in co m p r e s s ib ler o b b e r 表2 胎圈结构参数设计方案 T a b le2 D e s ig ns ch e m eo f b e a ds t r u ct u r ep a r a m e t e r s 编号 堕塑叁墼垒塑j 堕! 些里坚些! 堕 备注 S cr imn u m b e r H BH d B rR d R R e m a r k s 注：H B 为胎圈断面高宽比；H d B r 为弹性环断面高宽比；R C R 为弹性环分 布系数，下同。 N o t e ：H Bisb e a ds e ct io nr a t io H d B rise la s t ic r in gs e ct io nr a t io R d Rise la s t ic r in gd is t r ib u t io nco e f f icie n t S a m ea sb e lo w 3 仿真结果分析 利用有限元软件A B A Q U S 对表2 中的设计方案分别进 行车轮静态接地特性仿真试验，并对仿真结果进行分析。 3 1 接地特性评价指标 为科学地评价机械弹性车轮的接地特性，引入接地 特性评价指标。评价指标主要包括胎面接地长度三、胎面 接地宽度肌接地面积S 、平均接地压力n 、接地压力 偏度值a 等【2 昏2 9 1 。平均接地压力n 定义为单位接地面积 内所承受的垂向载荷，其大小直接影响轮胎的抓地性能， 同时平均接地压力越大，车轮磨损越严重。接地压力偏 度值口是衡量车轮接地压力分布离散程度的指标。 a = 酾 ( 7 ) 式中：a 为接地压力偏度值；以为测量点数；只为各测量 点的压力值，M P a ；P A 为n 个测量点压力的平均值，即 平均接地压力，M P a 。 3 2 车轮有限元模型验证 利用机械弹性车轮物理样机的静态接地特性试验结 果验证机械弹性车轮初始模型的有效性。初始模型的基 本结构参数( 见表2 ) 与车轮物理样机的相同。车轮静态 接地特性试验在自制的车轮刚度试验台上进行。通过试 验获取不同垂向载荷下的车轮下沉量，并采用压敏膜法 提取车轮接地特性评价指标。图4 是机械弹性车轮垂向 载荷与下沉量之间的关系曲线。从图4 可以看出，仿真 结果与实测结果具有较好的一致性，最大误差为6 2 5 。 表3 给出了额定载荷3 5k N 时机械弹性车轮物理样机和 农业工程学报( h t t p ：w w w t cs a e o r g ) 2 0 1 5 钲 有限元模型的接地评价指标计算结果。对比表3 中数据 可知，车轮物理样机和有限元初始模型的试验结果非常 接近，最大误差为3 0 5 。综上，机械弹性车轮有限元模 型满足建模精度要求。 羔 墨2 。 鱼 s 卜1 。 i 垂向栽荷V e r t ica lI o a d k N 图4 机械弹性车轮载荷下沉量曲线 F ig 4 F o r ce - d e f le ct io ncu lN eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e l 表3 车轮接地特性评价指标计算结果( 额定载荷3 5k N ) T a b le3C a lcu la t io nr e s u lt so f e v a lu a t io nin d e xf o rm e ch a n ica l e la s t icw h e e lco n t a ctb e h a v io r s ( r a t e dlo a d3 5 心n 接地压力 C o n t a ctp r e s s u r e M P a 10 7 9 10 3 4 98 9 le 0 l 94 4 le 0 l 89 9 2 e 一0 1 85 4 2 e 0 1 8 0 9 3 e 0 1 76 4 3 e - 0 1 67 4 4 e 0 l 62 9 4 e 0 l 58 4 5 e 0 1 53 9 5 e - O l 49 4 5 e 0 1 44 9 6 e 0 l 40 4 6 e 0 l 35 9 7 e 0 I 3 1 4 7 e 0 1 26 9 8 e 0 l 22 4 8 e 0 1 l7 9 8 e 0 l l3 4 9 e 0 1 89 9 2 e 0 2 44 9 6 e 0 2 0 a 胎圈断面高宽比为02 5 aB e a ds e ct io nr a t iois02 5 接地压力 C o n t a ctp r e s s u r e M P a l0 1 0 96 7 6 e 0 l 9 2 5 6 e - 0 1 88 3 5 e 0 l 84 1 4 e 0 I 79 9 3 e 0 I 75 7 3 e O l 71 5 2 e 0 1 67 3 le 0 1 63 1 le 0 1 58 9 0 e 一0 1 54 6 9 e 0 1 5 0 4 8 e 0 1 46 2 8 e 0 1 42 0 7 e 0 l 37 8 6 e 0 1 33 6 6 e 0 1 29 4 5 e 0 l 25 2 4 e 0 l 2 1 0 4 e 0 l l6 8 3 e 0 l l2 6 2 e 0 1 84 1 4 e 0 2 42 0 7 e 0 2 0 3 3 不同胎圈断面高宽比车轮的接地特性分析 图5 是不同胎圈断面高宽比H B 下，机械弹性车轮 载荷与下沉量之间的关系曲线。由图5 可知，垂向载荷 一定时，胎圈断面高宽比月份分别为0 2 5 、0 2 8 和0 3 1 时，随着胎圈断面高宽比的增大，车轮下沉量逐渐减小， 车轮垂向刚度增大，即胎圈断面高宽比与车轮垂向刚度 呈正相关。 g 鼍 毫 凸 鲫 壁 垂向载荷V e r t ica lI o a d k N 图5 不同胎圈断面高宽比车轮载荷下沉量曲线 F ig 5 F o r ce d e f le ct io ncu r v eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e lw it h d if f e r e n tb e a ds e ct io nr a t io 图6 为胎圈断面高宽比分别为0 2 5 、0 2 8 和O 3 l的 机械弹性车轮在额定载荷3 5k N 下的接地压力分布。3 种 规格的机械弹性车轮接地压力分布规律相似，即最大接 地压力在接地区域的中心部位，从中心向边缘逐渐降低， 直至接地区边缘下降至最小值，接地印记形状近似矩形。 b 胎圈断面高宽比为02 8 bB e a ds e ct io nr a t iois0 2 8 接地压力 C o n t a ctp r e s s u r e M P a l4 3 6 13 7 6 13 1 6 12 5 7 11 9 7 11 3 7 l0 7 7 l0 1 7 95 7 4 e 0 l 89 7 6 e 0 1 83 7 7 e 0 1 77 7 9 e 0 l 71 8 1 e 0 l 65 8 2 e 0 1 59 8 4 e 0 l 53 8 6 e 0 l 47 8 7 e 0 l 41 8 9 e 0 1 35 9 0 e 0 1 29 9 2 e 一0 1 23 9 4 e 0 l 17 9 5 e 一0 1 1 1 9 7 e 0 1 59 8 4 e 0 2 0 c胎圈断面高宽比为03 1 cB e a ds e ct io nr a t iois03 1 图6 不同胎圈断面高宽比的接地压力分布( 载荷3 5k N ) F ig 6 C o n t a ctp r e s s u r eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e lw it hd if f e r e n tb e a ds e ct io nr a t io ( 1 0 a d3 5 上述3 种规格车轮的接地特性评价指标计算结果， 见表4 。对比表4 数据，可知：1 ) 随着胎圈断面高宽比 H B 减小，车轮接地长度、接地面积显著增大。对比胎圈 断面高宽比H B 分别为O 3 1 和0 2 5 时的车轮，后者接地 长度增加7 2 ，接地面积增加2 1 6 。这说明减小胎圈 断面高宽比，可增大车轮接地时的胎面变形，提升车轮 抓地性，当然滚动阻力也较大。2 ) 随着胎圈断面高宽比 减小，车轮平均接地压力、接地压力偏度值均减小，这 说明减小胎圈断面高宽比，可使车轮具有更好的平均磨 损性能。 第1 7 期 付宏勋等：胎圈结构参数对机械弹性车轮接地压力分布的影响 6 1 表4 接地特性评价指标计算结果( 不同胎圈断面高宽比) T a b le4C a lcu la t io nr e s u lt so f co n t a ctb e h a v io r se v a lu a t io nin d e x f 、) I r it hd if f e r e n tb e a ds e ct io nr a t io ) 评价指标 E v a lu a t io nin d e x 胎圈断面高宽比 B ca ds e ct io nr a t ioH | B 0 2 50 2 80 _ 3 1 胎面接地长度 T r e a dco n t a ctle n g t hL m m 胎面接地宽度 T r e a dco n t a ctw id t hW m m 接地面积 C o n t a cta r e aS r a m 2 平均接地压力 A v e r a g eg r o u n dp r e s s u r eP A M P a 接地压力偏度值 2 1 1 6 3 5 3 7 7 27 9 4 9 0 4 8 l 2 0 5 0 3 5 4 0 1 9 7 4 3 3 7 3 7 16 3 3 65 98 5 5 0 0 4 8 90 5 8 5 S k e w n e s sv a lu eo f co n t a ct 0 2 90 3 00 4 5 P 堡! 坠! 望型! 堡1 3 4 不同弹性环断面高宽比车轮的接地特性分析 图7 是不同弹性环断面高宽比马佃r 下，机械弹性 车轮载荷与下沉量之间的关系曲线。由图7 可知，随着 弹性环断面高宽比H r B r 增大，车轮下沉量减小，车轮 接地压力 C o n t a ctp r e s s u r e M P a 10 9 8 l0 4 9 10 0 3 95 7 8 e 0 l 9 1 2 2 e o l 86 6 5 e o l 8 2 0 9 e - 0 l 7 7 5 3 e - o l 7 2 9 7 e - o I 6 8 4 le - 0 1 63 8 5 e 0 l 5 9 2 9 e - 0 l 5 4 7 3 e - 0 l 5 0 1 7 e - 0 1 4 5 6 1 e - 0 1 4 1 0 5 e - - 0 1 3 6 4 9 e - 0 l 3 1 9 3 e - o l 2 7 3 6 e 0 1 2 2 8 0 e - 0 1 18 2 4 e o l 13 6 8 e - 0 l 9 1 2 2 e 0 2 44 6 1 e - 0 2 0 接地压力 C o n t a ctp r e s s u r e M P a 1O lO 96 7 6 e 0 I 92 5 6 e 0 l 88 3 5 e 0 l 8 4 1 4 e 0 l 79 9 3 e 一0 l 7 5 7 3 e 0 l 7l5 2 e 0 1 67 3 le 一0 1 6 3 1 le - 0 l 5 8 9 0 e 一0 1 54 6 9 e 0 1 5 0 4 8 e - 0 1 4 6 2 8 e 0 1 42 0 7 e 0 l 37 8 6 e - 0 1 33 6 6 e - 0 l 29 4 5 e 一0 l 25 2 4 e - 0 l 21 0 4 e - 0 l l6 8 3 e 0 l l2 6 2 e 0 l 84 1 4 e 0 2 42 0 7 e 0 2 0 垂向刚度增大，即弹性环断面高宽比与车轮垂向刚度呈 正相关。 7 。 6 0 喜s 。 i 4 0 盆3 0 星2 0 1 。 0 掸性环断面高宽比 垂向裁荷V e r t ica lI o a d k N 图7 不同弹性环断面高宽比车轮载荷下沉量曲线 F ig 7 F o r ce d e f le ct io ncu r v eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e lw it h d if f e r e n te la s t ic r in gs e ct io nr a t io 接地压力 C o n t a ctp r e s s u r e M P a l0 5 9 l0 1 5 97 0 5 e 0 l 92 6 4 e 0 1 88 2 3 e 0 1 83 8 2 e 0 1 79 4 le - 0 1 75 0 0 e 0 l 7 0 5 9 e 0 1 6 6 l7 e - 0 l 61 7 6 e - 0 l 57 3 5 e 一0 1 5 2 9 4 e 0 1 4 8 5 3 e 一0 1 4 4 1 2 e 0 l 3 9 7 0 e 0 1 35 2 9 e - 0 l 30 8 8 e 一0 l 26 4 7 e - 0 1 22 0 6 e - 0 l 1 7 6 5 e - 0 1 l3 2 3 e - 0 l 88 2 3 e - 0 2 44 1 2 e - 0 2 0 a 弹性环断面高宽比为03b 弹性环断面高宽比为06C 弹性环断面高宽比为l0 a E la s t icr in gs e ct io nr a t iois0 3bE la s t icr in gs e ct io nr a t iois0 6CE la s t icr in gs e ct io nr a t iois10 图8 不同弹性环断面高宽比的接地压力分布( 载荷3 5k N ) F ig 8 C o n t a ctp r e s s u r eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e lw it hd if f e r e n te la s t icr in gs e ct io nr a t io ( 1 0 a d3 5 心n 不同弹性环断面高宽比H B r 的机械弹性车轮在额 定载荷3 5l斟下的接地压力分布，如图8 所示。3 种规格 的机械弹性车轮接地压力分布规律相似。计算车轮接地 特性评价指标，结果见表5 ，对比分析得：随弹性环断面 高宽比H r B r 减小，车轮接地长度、接地面积增大，平均 接地压力、接地压力偏度值减小，但变化幅度不大。比 较弹性环断面高宽比为1 0 和0 3 的车轮，后者接地长度 增加4 3 ，接地面积增加5 7 。这说明减小弹性环断面 高宽比，可小幅度地提升车轮的抓地性能、驱动及制动 性能和平均磨损性能。 3 5 不同弹性环分布系数车轮的接地特性分析 图9 是机械弹性车轮不同弹性环分布系数R C R 时载 荷与下沉量的关系曲线。从图9 可以发现，施加相同载 荷时，随着弹性环分布系数R 批增大，车轮下沉量逐渐 增大，车轮垂向刚度减小，即弹性环分布系数与车轮垂 向刚度呈负相关。 表5 接地特性评价指标计算结果( 不同弹性环断面高宽比) T a b le5C a lcu la t io nr e s u lt so f co n t a ctb e h a v io r se v a lu a t io nin d e x ( w it hd if f e r e n te la s t icr in gs e ct io nr a t io ) 评价指标 E v a lu a t io nin d e x 弹性环断面高宽比 E la s t ic r in gs e ct io nr a t ioH C B r O - 3O 61 O 胎面接地长度 T r e a dco n t a ctle n g t hL m m 胎面接地宽度 T r e a dco n t a ctw id t hW m m 接地面积 C o n t a cta mS r a m 2 平均接地压力 A v e r a g eg r o u n dp r e s s u r eP a M P a 接地压力偏度值 2 1 2 52 0 5 02 0 3 8 3 5 0 43 5 4 03 4 5 7 7 22 5 2 57 l6 3 3 6 46 83 4 1 2 0 4 8 40 4 8 90 5 1 2 S k e w n e s sv a lu eo f co n t a ct 0 3 00 3 00 3 1 巴塑坠壁型塑! 6 2农业工程学报( h t t p ：w w w t cs a e o r g ) 2 0 1 5 正 弹性环分布系数 图9 不同弹性环分布系数车轮载荷下沉量曲线 F ig 9 F o r ce d e f le ct io ncu r v eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e lw it h d if f e r e n te la s t icr in gd is t r ib u t io nco e f f f icie n t 图1 0 为不同弹性环分布系数R 艘时，机械弹性车轮 在额定负荷3 5k N 下的接地压力分布。3 种规格的机械弹 性车轮接地压力分布规律相似。计算车轮接地特性评价 指标，结果见表6 ，对比分析得：随弹性环分布系数尺出 接地压力 C o n t a clp g cs s u t e M P a 接地压力 C o n t a ct1 2 f cs s u icJ M P a 减小，接地长度、接地面积增大，平均接地压力、接地 压力偏度值减小。对比弹性环分布系数分别为1 0 4 和O 9 6 的车轮，后者接地长度增大4 8 ，接地面积增大8 6 。 这说明减小R 嘏，可提升车轮的抓地性能、驱动及制动 性能和平均磨损性能。 表6 接地特性评价指标计算结果( 不同弹性环分布系数) T a b le6C a lcu la t io nr e s u lt so fco n t a ctb e h a v io r se v a lu a t io nin d e x ( w it hd if f e r e n te la s t icr in gd is t r ib u t io nco e f f icie n t ) 评价指标 E 。矧i。渤。蓑嚣篡要淼。；咖凡嘏 E v m 州io nin d e x 1 厩 1 而 了盂一 胎面接地长度 T r e a dco n t a ctle n g t hL m m 胎面接地宽度 T r e a dco n t a ctw id t hW m m co n 薏憋舄栅2 7 31 2 0 57 1 6 3 3 66 73 1 1 2 平均接地压力 A v e r a g eg r o u n dp r e s s u r e 0 4 7 80 4 8 90 5 1 9 n ，M 衅a 接地压力偏度值 S k e w n e s sv a lu eo f co n t a ct0 2 90 3 00 3 2 P 堡! 塑望型! 堡! 接地压力 C o n t a ctp r e s s m e M P a a 弹性环分布系数为09 6b 弹性环分布系数为10 0 c，弹性环分布系数为10 4 aE la s t icr in gd is t r ib u t io nco e f f icie n tis0 9 6bE la s t icr in gd is t r ib u t io nco e f f icie n tisl0 0cE la s t icr in gd is t r ib u t io nco e f f icie n tis10 4 图1 0 不同弹性环分布系数的接地压力分布( 载荷3 5 k N ) F ig 1 0 C o n t a ctp r e s s u r eo f m e ch a n ica le la s t icw h e e lw it hd if f e r e n te la s t ic r in gd is t r ib u t io nco e f f icie n t ( 1 0 a d3 5 4 结论 1 ) 胎圈断面高宽比H B 、弹性环断面高宽比H r B ， 与车轮垂向刚度均呈正相关；弹性环分布系数尺艘与车 轮垂向刚度均呈负相关。 2 ) 不同结构参数的车轮接地压力分布规律相似。不 同结构参数的车轮接地印记形状均近似矩形；接地压力 在接地区域的中心部位最大，从中心向边缘逐渐降低， 直至接地区边缘下降至最小值。 3 ) 随着胎圈断面高宽比H B 、弹性环断面高宽比 日 研或弹性环分布系数尺艘的减小，车轮接地长度和接 地面积增大，平均接地压力和接地压力偏度值减小。对 比胎圈断面高宽比分别为0 3 1 和0 2 5 的车轮，后者接地 长度增加7 2 ，接地面积增加2 1 6 ；对比弹性环断面 高宽比分别为1 0 和0 3 的车轮，后者接地长度增加4 3 ， 接地面积增加5 7 ；对比弹性环分布系数分别为1 0 4 和 0 9 6 的车轮，后者接地长度增大4 8 ，接地面积增大 8 6 。因此，减小胎圈断面高宽比、弹性环断面高宽比 或弹性环分布系数，能够不同程度地改善车轮的接地性 能，提升车轮抓地性能和平均磨损性能等。 参考文献 1 俞淇，戴元坎，张凯静负荷下轮胎接地压力分布测试的 研究 J 轮胎工业，1 9 9 9 ，1 9 ( 4 ) ：2 0 3 - - 2 0 7 Y uQ i，D a i Y u a n k a n ，Z h a n gK a iS t u d yo nd e t e r m in a t io no f t ir eco n t a cta r e ap r e s s u r ed is t r ib u t io nu n d e rs t a t ic lo a d J T ir eI n d u s t r y ，1 9 9 9 ，1 9 ( 4 ) ：2 0 3 2 0 7 ( inC h in e s ew it h E n g lis ha b s t r a ct ) 2 】徐延海，贾丽萍，葛剑敏，等结构参数对子午线轮胎特 性的影响 J 汽车工程，2 0 0 4 ，2 6 ( 2 ) ：1 6 8 - - 1 7 1 0000000000000000000000割剖争掣剖剖争剖剖剖争争剖卜争争争争争争94l2233344555667丑g虿6趵H矾侉M拎舛钳似卯HM为弘鲫盼 l998887766554443322840 000000000000000000000a0 争伊掣p割剖剖剖剖剖掣剖剖剖争争剖剖纠剖割争 06654332109876654于324 775397539642064108矗L0 06284957 3840627395U6242 1998877766555443322218 4 0 枷帅枷咖棚棚印锄棚栅棚枷神枷曲印枷曲曲印栅枷0黜裟器端黜黜黜熘溜篙踹 髓舛鳃钉们配”拍舳”螂撕毁弱“他嬲舭弘蚴矧 1999887766554443322l940 第1 7 期付宏勋等：胎圈结构参数对机械弹性车轮接地压力分布的影响6 3 X uY a n h a i，J iaL ip in g ，G eJ ia n m in ，e ta 1 A nin v e s t ig a t io n in t ot h ee f f e ct so fs t r u