机械弹性车轮的模态特性研究

发布时间：2020-10-28 08:18

　　 机械弹性车轮是一种新型的非充气安全车轮,它利用弹性结构代替普通轮胎的充气弹性。在实现普通轮胎基本性能的同时,使车轮不出现扎破、爆胎等安全隐患。车轮的振动特性将直接影响整车的平顺性、舒适性和噪声。利用有限元的方法研究轮胎的模态特性,将是轮胎设计师的一个非常重要的工具,它将有助于轮胎材料的选择,可以更加高效的优化轮胎尺寸并且更好的与车辆匹配。另外,模态特性对轮胎的影响也将是汽车工程师们优化悬架系统和车轮以及降低噪声的第一步。本文针对课题组研究的机械弹性车轮,采用有限元方法结合LMS试验设备对车轮的静态模态及其影响因素进行研究,在此基础上,利用模态分析的方法对车轮的损伤进行识别,为车轮结构的健康状态检测提供一定的支持,同时计算了滚动状态下机械弹性车轮的共振频率,了解转速对车轮共振频率的影响规律,从而得到滚动状态下机械弹性车轮的模态特性。为优化车轮的结构与匹配整车提供了重要参考依据。主要研究内容如下:(1)系统的介绍了机械弹性车轮的基本结构和工作原理,对车轮的承载方式和承载变形进行分析。叙述了车轮有限元模型的建立过程。最后利用静态加载试验来验证有限元模型的精度,为后面的仿真分析奠定基础。(2)利用所建立的有限元模型对车轮进行静态模态分析,获得车轮的固有频率及振型。并且研究了机械弹性车轮的材料参数(弹性模量、密度)对车轮模态的影响,机械弹性车轮的结构参数(0轮结构、布置铰链组的方式、铰链组长度)对车轮模态的影响,最后利用正交试验法进行模态仿真,确定对车轮的一阶固有频率影响水平,为机械弹性车轮振动特性的结构优化设计提供一定的参考。(3)介绍了试验模态分析的基本理论知识即实模态理论、模态试验仪器和设备和机械弹性车轮模态试验过程。通过有效地组织试验,研究了支承方式、载荷、不同激振力幅对轮胎模态参数的影响规律,获得不同试验条件下车轮的模态参数。通过模态频率和振型相关性分析,来进一步对模型的精度和试验的有效性进行验证。(4)介绍了关于损伤的基本理论,通过机械弹性车轮疲劳仿真试验和装车试验来确定车轮危险区域的位置。利用频率变化、振型变化、模态应变能方法来进行车轮的损伤识别。结果表明:利用模态分析的方法可以识别出机械弹性车轮结构的损伤,为机械弹性车轮的健康状态检测提供了一定的指导。(5)将稳态滚动下的机械弹性车轮作为研究对象,考虑了由于滚动引起的惯性力效应,得出转速对于车轮共振频率的影响规律和机理。加之在某设定工况下,由于车轮的结构和材料没有发生变化,所以载荷、结构和材料参数等关键因素,对静止状态下机械弹性车轮模态特性的影响规律同样适用于滚动车轮。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U463.34
【部分图文】：

时远距离技术类型自密封技术特制轮辋技术内支撑技术1. 双内腔型轮胎双内腔型（Double Inner Cavity）轮胎主要在橡胶内腔中增添隔膜来达到双腔结构[1]。如图1.1（a）和（b），一旦外腔被扎漏气，第二层内腔还能继续提供支撑作用，让汽车继续行驶一段距离。图（c）可以认为有两个子午线轮胎并排粘结在一起，当一个发生漏气时，另一个还能继续支撑车轮[6]。图（d）是双腔结构的另一种形式[4]。（a）内层小轮胎 （b）内层隔膜 （c）双腔室连体 （d）纵向层隔膜图 1. 1 双内腔结构安全轮胎类型示意图2. 自密封轮胎自密封型（Self-Sealing）轮胎是通过一种特殊的工艺，在轮胎的内壁均匀地分批次地喷涂一种高分子薄膜，而且在这层薄膜与橡胶轮胎内表面之间的体积填充密封剂[7]。当轮胎在工作过程中与尖锐物接触时，胎内密封剂就会在瞬间膨胀，将接触部位的伤口全方位紧紧封住，防止轮胎漏气，由于密封过程与刺穿过程几乎同时进行，所以基本不影响汽车正常行驶。如图 1.2所示为自封闭安全轮胎自封过程[4]。目前，德国大陆轮胎公司、法国米其林轮胎公司、美国固

图 1. 2 自密封安全轮胎自封原理示意图3. 自体支撑型轮胎自体支撑（ Self- Supporting）轮胎在胎侧进行加厚处理或者是填充了特制的补强件，物使相应部件的刚性增大，在轮胎发生爆胎的情况下，刚性增大的部件也能够支撑起的重量，同时因为填充物都是抗热和耐疲劳的，所以轮胎的行驶轮廓也不会由于爆胎高温而被毁坏。 轮胎的结构原理如图 1.3 所示。(a)胎侧加强件结构 (b)正常工作状态 (c)非正常工作状态图 1. 3 自体支撑型安全轮胎结构原理示意图

特异轮胎橡胶公司等轮胎厂商已经向汽车制造商提供配套自密封轮胎。但这种轮胎遇到较大孔和爆胎时无法发挥其自密封效果，而且工艺复杂成本高，逐渐被淘汰。图 1. 2 自密封安全轮胎自封原理示意图3. 自体支撑型轮胎自体支撑（ Self- Supporting）轮胎在胎侧进行加厚处理或者是填充了特制的补强件，这填充物使相应部件的刚性增大，在轮胎发生爆胎的情况下，刚性增大的部件也能够支撑起整车身的重量，同时因为填充物都是抗热和耐疲劳的，所以轮胎的行驶轮廓也不会由于爆胎后行驶高温而被毁坏。 轮胎的结构原理如图 1.3 所示。
【参考文献】

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1 付宏勋;赵又群;林棻;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;2015年17期

2 赵又群;李小龙;张明杰;臧利国;李波;;机械弹性车轮随机振动理论与数值分析[J];哈尔滨工业大学学报;2015年07期

3 苏博;张浩成;;全球非充气轮胎市场概况及专利技术分析[J];中国橡胶;2013年20期

4 冯希金;郑小刚;危银涛;李红卫;;轮胎振动特性的有限元分析及关键影响因素研究[J];轮胎工业;2013年01期

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本文编号：2859834