履带式车辆车轮的设计开发



履带式车辆车轮的设计开发

介绍了使用碳纤维复合材料制造20t级履带车车轮的方法，并对履带车辆复合承重车轮进行各种负荷条件下的台架试验。

使用Ansys软件对履带车辆承重轮进行参数化有限元建模，并通过迭代方法对车轮各种参数进行优化。传统铝合金车轮通过添加加强肋来加强其刚度和强度，而对于碳纤维复合材料车轮，由于其本身具有较高的刚度和强度，因而不需要额外的加强肋，这就表明两者需要采取不同的设计方案。碳纤维复合材料主要由碳纤维和环氧树脂构成。碳纤维作为原材料的主要原因是其具有较高的比刚度和比强度。环氧树脂作为基体材料主要原因是其具有耐高温、韧性好、易于加工和低粘度等特性。车轮需要支撑车辆并在车辆行驶过程中承受冲击和负荷，因而其不能因为制造缺陷导致损坏。空隙对碳纤维复合材料的力学性能有显著影响，因而采用模压成型技术制造车轮，使用热变形模具钢制造碳纤维复合材料车轮的模具。碳纤维铺设的方向至关重要，正确的铺设方向可以保证其刚度和强度。由于车轮是曲线腔，结构非常复杂，为了能正确铺设碳纤维，可以将车轮分割成弧形块并进行分层，之后逐层逐块重叠铺设。

在碳纤维复合材料制造过程中，树脂和固化剂以100∶23的比例充分混合，将碳纤维充分浸润在树脂和固化剂的混合物中，碳纤维和树脂的配比为1∶1。最终混合物将充分吸附在碳纤维表面，并将过量的树脂析出，因此层压板的碳纤维含量约为58%～62%。试验测试时，在试验装置上安装一个执行机构，其可以提供10t的应用负荷。由于履带车辆行驶地形的复杂性，因而测试时将对复合承重车轮施加各种不同类型的负荷。总的测试试验进行了65000次，相当于在不同负荷下行驶5000km。其中，最大负荷为8t，最小负荷为1.8t。试验中，采用碳纤维复合材料的车轮约为18kg，而铝合金车轮约为27kg，质量约减轻了33%。试验结果表明，车轮没有出现任何缺陷。

Pankaj Kumar Verma et al. SAE 2015-26-0062.

编译：王祥