摘要：为了对机械弹性车轮在直线行驶工况下承受因路面不平而产生的随机载荷所能达到的最大行驶里程进行预测，对其耐久性进行了研究。结合车轮的结构特性，建立用于耐久性研究的有限元模型。在考虑路面不平度的基础上，确定车速与车轮动载荷、动载系数的关系，并以等效循环载荷加载至车轮。基于疲劳损伤理论和疲劳试验方法，利用Fe-safe对车轮的耐久性进行预测，最大行驶里程为8787km。再对危险零部件卡环进行热力耦合耐久性分析，最小寿命位置为中间销耳处，最大行驶里程为5258km。
关键词：机械弹性车轮;耐久性;有限元分析;热力耦合;随机载荷
0引言
车轮和轮胎是汽车行驶系统中的重要组成部件，是汽车与地面接触的唯一媒介，起到支撑载荷，向地面传递制动力、驱动力和转向力，缓冲减振以及保证转向稳定性等作用。此外，轮胎还具有安全性、耐久性、经济性和舒适性等要求，而其中安全性尤为重要。轮胎要承受来自不平路面的激励，可能遭遇穿孔、爆胎等情况，为适应现代汽车工业发展需要，安全车轮技术应运而生。
米其林公司开发了集成轮胎和轮毂的组合体“Tweel”[1]、[2]，ResilientTechnologies公司开发了蜂窝结构的非充气安全车轮[3]，韩泰公司研制了非充气轮胎iFlex[4]，南京航空航天大学赵又群教授团队研发出一种采用悬毂结构的全新非充气安全轮胎——“机械弹性安全车轮”[5]、[6]。
车辆的行驶相当于对车轮施加循环加载，这会引起车轮材料发生渐进和局部结构损坏[7]、[8]。ErcanS[9]利用有限元分析法研究了商用车钢轮在动态径向疲劳试验中的通风孔上产生疲劳失效的起因，并确定了预期疲劳失效的应力集中区域。刘献栋等[10]提出了一种精确度较高的评估商用车车轮疲劳寿命的方法，并利用双轴车轮试验和疲劳寿命估算进行了仿真分析。ZhaoY等[11]提出利用对轻合金车轮试件的数值模拟研究，来估算平面应力条件下转弯疲劳试验中客车车轮的疲劳寿命。郝琪等[12]以有限元分析的应力值为基本参数，分别采用名义应力法、局部应力应变法、疲劳分析软件Fe-Safe预测了车轮的疲劳寿命。
将循环载荷加载至车轮中心进行寿命预测是现阶段研究机械弹性车轮耐久性的主要方法[13]，本文在此基础上，通过确定车速与车轮动载荷、动载系数的关系，以等效循环载荷代替随机载荷进行耐久性加载试验。为了提高预测的准确性，对车轮的危险零部件进行热力耦合分析，仿真计算得到最小寿命位置，为机械弹性车轮整体结构以及关键零部件的优化提供了理论基础。
1机械弹性车轮结构
区别于传统充气车轮的结构，机械弹性车轮的总体结构如图1所示，主要是由輮轮、悬毂、销轴、铰链组、弹性环、卡环等部件构成[14]、[15]。
机械弹性车轮的胎圈外部嵌入了硫化的帘线层，由橡胶层包裹在其内的弹性环以及卡环组成了輮轮，輮轮内无充气结构。车轮的胎圈内部是车轮的骨架结构，由多组卡环等角度圆周分布，卡环将5束弹性环锁卡在一起，构成弹簧钢圈整体，如图2所示。
悬毂通过多组铰链组安置于车轮的中心。为了匹配机械弹性车轮的结构需求，悬毂的构造与传统充气胎的轮毂不同，除了与半轴匹配安装的安装孔外，悬毂周围还分布了与铰链组匹配安装的安装孔，数目与铰链组数目相同。
铰链组由三节铰链组成，每节铰链均可以沿销轴自由转动，铰链组可以实现自由弯曲。第一节铰链与輮轮内的卡环安装连接，最后一节铰链与悬毂安装连接。铰链组的主要作用是将来自半轴的驱动力传递至輮轮，并配合輮轮内的弹性环缓冲部分路面冲击。
弹性环是由若干股弹性钢丝缠绕构成，在卡环的紧扣锁止下，具有较高的强度与承载能力，并且弹性减震性能表现优秀，能够满足越野车等重型车辆的承载行驶需求。
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通过上述对机械弹性车轮的结构分析，车轮的整体结构由于采用“輮轮-铰链组-轮毂”的一体化设计，在保障了良好减震性的同时，从根本上解决了传统充气轮胎的扎胎、爆胎等安全问题。
2载荷工况的确定
2.1车速与随机载荷的关系
因实际路面不平度的存在，汽车行驶在道路上时车轮会承受一定的随机动载荷。因此在计算直线行驶时机械弹性车轮所承受的随机载荷之前，需要先计算确定路面功率谱密度，可选择式(1)和(2)来表示路面不平整度随频率的分布情况[16]。
2.2等效循环载荷的确定
在进行机械弹性车轮耐久性仿真试验时，本文采用将旋转的弯矩加载至固定车轮的方法来完成耐久性仿真试验：在车轮的悬毂中心施加一个大小不变但方向随时间改变的载荷，该载荷可以被分解为两个方向互相垂直且幅值、频率都相同的正弦载荷和余弦载荷，如图5所示。
3有限元模型的建立
3.1简化条件
基于上文对机械弹性车轮的零部件介绍，为了减少计算规模与时间，在保证计算精度的条件下，对机械弹性车轮的模型进行适当简化：
(1)设定车轮内所有的机械连接处均为刚性连接，不存在相对位移;
(2)假设车轮完全对称，忽略车轮主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角等车轮定位参数，车轮所受的载荷假设为集中力并作用在轮心处;
(3)弹簧钢圈与胎体视为整体部件，不存在相对位移;
(4)忽略輮轮内的弹性环与卡环之间的接触关系;
(5)忽略车轮胎面花纹的影响，由于胎面花纹的复杂性，考虑到计算效率，对车轮的胎面花纹做光滑处理;
(6)以单根粗钢丝代替由多股细钢丝缠绕而成的弹性环，在卡环卡紧锁止下的多股细钢丝几乎没有位移。
3.2材料属性
参考相关资料，根据实际需求选择车轮各零部件的材料属性[18]、[19]，具体的材料属性参数如表1所示。
3.3网格划分
对车轮规则的几何体部分单元形状采用六面体单元，网格划分方法采用扫掠划分网格，对不规则的几何体部分单元形状采用采用四面体，网格划分方法采用自由划分网格，并对某些关键部位与零件进行单独布种划分网格。建模中不同部件单元类型及模块的选择：
(1)輮轮的橡胶层部分采用实体单元;
(2)橡胶层中的弹性环组合体采用梁单元;
(3)通过*EMBEDDEDELEMENT*命令完成弹性环组合体内嵌至輮轮橡胶层的过程。——论文作者：张晨赵又群郑鑫杜宜燕
