楊冠男 張瑩 彭麗軍

摘 要 采用線彈性模型對(duì)彈性車輪剛度進(jìn)行有限元分析，并對(duì)彈性車輪進(jìn)行剛度試驗(yàn)，結(jié)果表明：線彈性模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果具有很高的一致性。

關(guān)鍵詞 彈性車輪;有限元分析;剛度設(shè)計(jì)

引言

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，汽車在城市中的數(shù)量急劇增加。與此同時(shí)，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展繼續(xù)推進(jìn)，城市人口的持續(xù)增加和城市規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大威脅，也使城市交通更加擁堵、生態(tài)環(huán)境更加惡劣。城市軌道交通已逐步成為城市規(guī)劃和建設(shè)的重點(diǎn)，而城市軌道交通車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲問題也備受關(guān)注。

彈性車輪采用彈性隔層將輪輞和輪芯分隔，使輪輞與輪芯保持彈性連接關(guān)系，從而形成第三級(jí)懸掛系統(tǒng)，可明顯降低簧下質(zhì)量，其彈性隔層也能夠有效降低輪軌作用力和由線路不平順?biāo)a(chǎn)生的噪聲。在許多發(fā)達(dá)國家的城市軌道車輛上，彈性車輪的運(yùn)用已有多年歷史，而我國對(duì)彈性車輪的研究仍處于初始階段。

彈性車輪主要采用橡膠作為減振元件材料。根據(jù)彈性元件受力情況，彈性車輪可分為3種不同形式：壓縮型、剪切型和壓剪復(fù)合型[1]。壓縮型彈性車輪在工作狀態(tài)下，其彈性元件僅承受壓應(yīng)力作用，無法滿足車輪在運(yùn)行狀態(tài)下承受較大橫向力的要求，軸向剛度小，徑向剛度大。剪切型彈性車輪彈性元件在垂向力作用下承受徑向和切向壓力，在橫向力作用下輪輞橫向發(fā)生位移后受剪切作用，軸向剛度較小，徑向剛度較大。壓剪復(fù)合型彈性車輪采用V型結(jié)構(gòu)彈性元件，既能承受徑向力作用，又能保證在軸向力作用下承受剪切作用。根據(jù)橫向載荷和徑向載荷的比例，調(diào)整V型結(jié)構(gòu)的夾角，可使其軸向剛度與徑向剛度達(dá)到合理的匹配[2]，因此，壓剪復(fù)合型彈性車輪逐漸被廣泛應(yīng)用到軌道交通運(yùn)輸中。

1 分析方法

彈性車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很大的一項(xiàng)工作是其剛度設(shè)計(jì)，剛度直接影響彈性車輪在車輛運(yùn)行的性能，彈性車輪的徑向剛度決定其最大的垂向位移，若剛度過小而載荷過大，車輪整體垂向位移過大，導(dǎo)致車輛失穩(wěn);車輪的軸向剛度決定了車輪相對(duì)于軌道的橫向位移，若剛度過小，有可能導(dǎo)致脫軌等行為。不同剛度下，輪箍與輪芯的相對(duì)位移如圖1所示。

彈性車輪主要的彈性元件其結(jié)構(gòu)尺寸及安裝方式直接影響彈性車輪的剛度，在彈性車輪剛度設(shè)計(jì)中，彈性元件的設(shè)計(jì)計(jì)算是核心，但是由于彈性元件的非線性特性，且不同配方的彈性元件其非線性的特性值各不相同，則導(dǎo)致彈性車輪在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中的存在更多的不確定性。

根據(jù)工程實(shí)踐中的多次經(jīng)驗(yàn)，彈性元件在已經(jīng)存在一定預(yù)壓縮量后，其剛度曲線在一定的范圍內(nèi)趨于線性，所以本文利用此項(xiàng)特性，在彈性車輪剛度計(jì)算過程中將彈性元件的非線性的特性改為線性特性，在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)簡化整個(gè)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程。

以下是彈性車輪的剛度計(jì)算方法。

（1）徑向剛度

彈性車輪的徑向剛度是在一定載荷作用下輪輞在Y方向和Z方向上的位移，即彈性元件在徑向和切向上的變形。在本文中，考慮實(shí)際剛度試驗(yàn)中的載荷加載方式，僅施加徑向載荷。不考慮輪箍本身的剛度，車輪徑向剛度為：

（2）軸向剛度

當(dāng)輪箍發(fā)生橫向位移時(shí)，彈性元件與輪箍連接，并阻礙其橫向運(yùn)動(dòng)。軸向剛度體現(xiàn)的是輪箍相對(duì)輪芯在相應(yīng)載荷作用下的位移量，不考慮輪箍本身的剛度，軸向剛度可定義為：

根據(jù)正常運(yùn)行工況下的輪軌橫向作用力，最大橫向作用力為0.7Q。在本節(jié)有限元計(jì)算中，車輪在承受一定垂向載荷作用時(shí)同時(shí)承受橫向載荷，取垂向載荷Fa=50kN，橫向載荷Fz=28kN，載荷加載情況如圖2所示。

2 建模剛度計(jì)算及實(shí)物剛度試驗(yàn)對(duì)比

輪箍和輪芯分別采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)鋼材牌號(hào)，彈性模量MPa、泊松比為0.3;橡膠材料為采用線彈性理論，經(jīng)過多次預(yù)壓試驗(yàn)后，取其線性區(qū)間段的參數(shù)值，彈性模量E=800MPa、泊松比為0.495（此參數(shù)僅適用于某單一配方的彈性元件，沒有通用性）。

鋼材料采用C3D8六面體單元?jiǎng)澐?，橡膠材料采用C3D8六面體單元?jiǎng)澐帧Ｓ邢拊Ｐ偷淖鴺?biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，Z軸為軌道方向，Y軸為正向垂直向上，X軸遵循“右手定則”，為車輪的軸向方向，具體模型如圖3所示。

彈性車輪靜剛度試驗(yàn)在液壓垂向加載試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，包括徑向剛度、軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)。本文僅對(duì)徑向剛度和軸向剛度進(jìn)行介紹，將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

彈性車輪徑向剛度試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比結(jié)果如圖4所示，軸向剛度試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

由圖4、圖5可知，有限元分析結(jié)果與實(shí)際剛度試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，表明計(jì)算結(jié)果可靠度高。在靜剛度試驗(yàn)中，在80kN的徑向載荷下，平均徑向剛度為825.55kN/mm，在50kN徑向載荷和28kN軸向載荷下，平均軸向剛度為75.89kN/mm。

3 結(jié)束語

彈性車輪的剛度對(duì)于車輪的服役情況乃至車輛運(yùn)行安全性具有非常大的影響。不同的運(yùn)行條件對(duì)彈性車輪的剛度有不同的要求，所以彈性車輪的剛度設(shè)計(jì)意義重大，本文通過有限元分析與彈性車輪實(shí)物試驗(yàn)，可以得出彈性元件在壓縮及形變較小的狀態(tài)下，其剛度設(shè)計(jì)可以通過線性模型進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果實(shí)際相符。

參考文獻(xiàn)

[1] 文娟，李巿，丁軍君，李剛.彈性車輪在城市軌道交通車輛中的發(fā)展與運(yùn)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（1）：1-8.

[2] 郭曉輝，鄭劍云，戚援.橡膠彈性車輪結(jié)構(gòu)及性能試驗(yàn)研究[J].機(jī)車車輛工藝，2008（1）：27-28，32.