Многоспицевая безвоздушная шина из композита: прочность и жесткость

Abstract

Представлена многоспицевая модель безвоздушного колеса, обладающая характеристиками прочности и жесткости, сравнимыми с традиционными пневматическими шинами. В качестве начальной схемы была выбрана конструкция колеса с наклонными спицами, отличающаяся надёжностью и универсальностью за счет возможности изменения формы и угла наклона спиц. Для обоснования конструкции безвоздушного колеса были выполнены предварительные аналитические исследования. Начальные параметры конструкции колеса и действующие нагрузки выбраны на основе аналога – пневматической шины 7,50–20. Были определены зависимости жесткости и прочности гибких спиц от их геометрических параметров и физико-механических свойств конструкционного материала методом сопротивления материалов. Работоспособность полученной конструкции была проверена с помощью анализа напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов (МКЭ), при двух основных режимах нагружения транспортного средства: максимальная сила тяги и максимальная статическая нагрузка. МКЭ позволил уточнить параметры спиц, принимая во внимание неравномерность нагружения спиц по окружности ко- леса, получить нелинейную нагрузочную характеристику безвоздушного колеса (аналогично пневматическому колесу) учитывая возможность контакта спиц между собой при превышении определенного уровня нагрузки. Таким образом, обеспечены размеры необходимого пятна контакта колеса с опорной поверхностью и высокая жесткость при повышенных нагрузках. Полученные результаты позволяют считать предложенную многоспицевую конструкцию безвоздушной шины вполне работоспособной, обладающей повышенной надежностью и возможностью применения в гражданских и военных транспортных средствах. Model of multispoke airless tires, possessing strength and stiffness comparable to classical pneumatic tires is presented in this paper. The wheel structure with inclined spokes was used as the initial design, it has high reliability and flexibility through the ability to change of the form and angle of inclination of the spokes. Confirmation of the structure of airless tires was carried out by initial analytical research. The initial design of the wheel and the load are selected based on the analogue - pneumatic tire 7,50-20. Stiffness and strength of flexible spokes have been identified according to their geometry and physical-mechanical properties of the structural material by the mechanics of materials’ method. The efficiency of obtained design was verified by analyzing the stress–strain state of the finite element method (FEM), with two main modes of vehicle loading: maximum traction and maximum static load. Parameters of spoke wheels have been clarified by using the FEM, taking into account the nonuniformity of loading of the spokes, and nonlinear characteristic of normal stiffness airless wheel was obtained (similar to pneumatic wheel), considering the possibility of contact between the spokes is above a certain load level. Thus, obtained the required contact spot between the wheel and the road surface, and provided high stiffness under increased loads. The results of this work allow considering the proposed design multispoke airless tire enough a functioning, possessing increased reliability and the possibility of use for civilian and military vehicles.