CN104816598A - 避免超载的安全车轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了避免超载的安全车轮，所述车轮包括：车轮主体，其中，所述车轮主体上设有压力检测单元、分析单元、报警单元；所述压力检测单元用于检测所述车轮主体上承受的实时压力信息，并将所述实时压力信息传递给所述分析单元；所述分析单元用于对所述实时压力信息进行转换，将转换后的压力值与第一预设值进行比较，若转换后的压力值大于所述第一预设值，则发送报警信号到所述报警单元；所述报警单元基于所述报警信号进行报警，并在驾驶室中的显示单元中实时显示压力信息，实现了车轮设计合理，安全性较高，能够承受更多的压力，且能够在超载时进行报警的技术效果。

Description

避免超载的安全车轮

技术领域

本发明涉及车轮设计研究领域，尤其涉及一种避免超载的安全车轮。

背景技术

车轮是介于轮胎和和车轴之间所承受负荷的旋转组件，通常由两个主要部件轮辋和轮辐组成（GB/T2933―2009）；轮辋是在车轮上安装和支承轮胎的部件，轮辐是在车轮上介于车轴和轮辋之间的支承部件；车轮除上述部件外，有时还包含轮毂。分类：1.按轮辐的构造：车轮可分为辐板式车轮和辐条式车轮；2.按车轮材质：可分为钢制、铝合金、镁合金等车轮；3.按车轴一端安装一个或两个轮胎：可分为单式车轮和双式车轮。

在现有技术中，随着整车产销规模不断扩大，车轮配套需求量迅速增加。用户有时为了提高工作效率，追求更多的经济效益，不断提高载货汽车的装载量，进行超限超载运输。车轮承载着载货车自身和所装载货物的重量，负荷相当大，如果负荷超过了车轮自身强度的承受极限，会造成轮辋（安装轮胎部分）或轮辐（车轮与轮毂联接部分）的损坏，且在超载后，驾驶员无法获得车轮的实时情况，容易继续危险行驶。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的车轮存在无法在超载时进行报警，且现有的车轮在超载时容易损坏，安全性较低的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种避免超载的安全车轮，解决了现有的车轮存在无法在超载时进行报警，且现有的车轮在超载时容易损坏，安全性较低的技术问题，实现了车轮设计合理，安全性较高，能够承受更多的压力，且能够在超载时进行报警的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了避免超载的安全车轮，所述车轮包括：

车轮主体，其中，所述车轮主体上设有压力检测单元、分析单元、报警单元；

所述压力检测单元用于检测所述车轮主体上承受的实时压力信息，并将所述实时压力信息传递给所述分析单元；

所述分析单元用于对所述实时压力信息进行转换，将转换后的压力值与第一预设值进行比较，若转换后的压力值大于所述第一预设值，则发送报警信号到所述报警单元；

所述报警单元基于所述报警信号进行报警，并在驾驶室中的显示单元中实时显示压力信息。

其中，所述车轮主体的手孔数10个，辐底厚度为14mm。

其中，所述车轮主体在原轮辋体结构基础上，所述车轮主体的轮辋体轮缘端的长度大于原轮辋体结构的轮辋体轮缘端的长度，所述车轮主体的锁圈槽端和轮缘端厚度大于原轮辋体结构的锁圈槽端和轮缘端厚度。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了将避免超载的安全车轮设计为包括：车轮主体，其中，所述车轮主体上设有压力检测单元、分析单元、报警单元；所述压力检测单元用于检测所述车轮主体上承受的实时压力信息，并将所述实时压力信息传递给所述分析单元；所述分析单元用于对所述实时压力信息进行转换，将转换后的压力值与第一预设值进行比较，若转换后的压力值大于所述第一预设值，则发送报警信号到所述报警单元；所述报警单元基于所述报警信号进行报警，并在驾驶室中的显示单元中实时显示压力信息的技术方案，所以，有效解决了现有的车轮存在无法在超载时进行报警，且现有的车轮在超载时容易损坏，安全性较低的技术问题，进而实现了车轮设计合理，安全性较高，能够承受更多的压力，且能够在超载时进行报警的技术效果。

附图说明

图1是本申请实施例一中避免超载的安全车轮的组成示意图；

其中，1-车轮主体，2-压力检测单元，3-分析单元，4-报警单元。

具体实施方式

本发明提供了一种避免超载的安全车轮，解决了现有的车轮存在无法在超载时进行报警，且现有的车轮在超载时容易损坏，安全性较低的技术问题，实现了车轮设计合理，安全性较高，能够承受更多的压力，且能够在超载时进行报警的技术效果。

本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：

采用了将避免超载的安全车轮设计为包括：车轮主体，其中，所述车轮主体上设有压力检测单元、分析单元、报警单元；所述压力检测单元用于检测所述车轮主体上承受的实时压力信息，并将所述实时压力信息传递给所述分析单元；所述分析单元用于对所述实时压力信息进行转换，将转换后的压力值与第一预设值进行比较，若转换后的压力值大于所述第一预设值，则发送报警信号到所述报警单元；所述报警单元基于所述报警信号进行报警，并在驾驶室中的显示单元中实时显示压力信息的技术方案，所以，有效解决了现有的车轮存在无法在超载时进行报警，且现有的车轮在超载时容易损坏，安全性较低的技术问题，进而实现了车轮设计合理，安全性较高，能够承受更多的压力，且能够在超载时进行报警的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一：

在实施例一中，提供了避免超载的安全车轮，请参考图1，所述车轮包括：

车轮主体1，其中，所述车轮主体1上设有压力检测单元2、分析单元3、报警单元4；

所述压力检测单元2用于检测所述车轮主体上承受的实时压力信息，并将所述实时压力信息传递给所述分析单元；

所述分析单元3用于对所述实时压力信息进行转换，将转换后的压力值与第一预设值进行比较，若转换后的压力值大于所述第一预设值，则发送报警信号到所述报警单元；

所述报警单元4基于所述报警信号进行报警，并在驾驶室中的显示单元中实时显示压力信息。

其中，在本申请实施例中，所述车轮主体的手孔数10个，辐底厚度为14mm。

其中，在本申请实施例中，所述车轮主体在原轮辋体结构基础上，所述车轮主体的轮辋体轮缘端的长度大于原轮辋体结构的轮辋体轮缘端的长度，所述车轮主体的锁圈槽端和轮缘端厚度大于原轮辋体结构的锁圈槽端和轮缘端厚度。

其中，在本申请实施例中，对车轮原有结构的优化和改进：

目前重型商用车车轮大部分为型钢车轮，传统型钢车轮一般由轮辋、轮辐和挡圈三部分组成，其中，轮辋一般采用型材，通过圈圆、对焊而成，轮辐一般采用钢板冲压成型，基本呈等厚度、不等强度状态，重量较大。

根据我国实际运输及环境状况，因轮辐或轮辋体损坏而造成的索赔率约为3.3%，经济损失巨大，为了避免巨额索赔，我们在原有结构上进行了改进和优化，以提高车轮的强度，适应我国目前运输状况的需要，原有结构的改进包括轮辐和轮辋体结构的改进。

1.轮辐结构的改进

原有轮辐的辐底厚度为12mm，开有5个通风手孔。因这种轮辐辐底较薄，手孔沿轮辐圆周方向的长度较大，冲头不易符合轮辐曲面，且冲制手孔时剪切力较大，极易产生毛刺，造成应力集中，使轮辐实际疲劳强度大大低于理论值。

经对索赔返回旧件的分析和统计，发现绝大部分是因为轮辐手孔处出现撕裂或疲劳裂纹造成的，为解决应力集中问题，我们开发了新轮辐结构，新轮辐拟采用减小单个手孔面积，增加手孔个数的方法，最终方案为将手孔由原有的5个增至10个，同时把辐底厚度由12mm增至14mm，通过增加材料厚度来提高轮辐强度。手孔增至10个后，单个手孔面积较小，冲裁边线缩短，冲裁力也相应减小，模具凸模、凹模与轮辐曲面可以较好地符合在一起，可减轻断面毛刺现象。

为研究五手孔结构与十手孔结构对车轮强度的影响，我们通过有限元分析方法进行验证。

2.轮辋体结构的改进

在原8.5-20轮辋体结构基础上，首先加长轮辋体轮缘端的长度，同时将较为薄弱的锁圈槽端和轮缘端厚度加大，使轮辋体内腔两端壁厚增加，从而在较少增加轮辋体自重的基础上，大大提高轮辋体的承载量。将挡圈轮缘端尺寸相应增加，使之与加强轮辋体相配套。

性能分析

1.有限元分析建模

根据轮胎对车轮的作用力在车轮表面的分布情况进行模拟仿真，在负载相同的条件下对改进前后车轮的安全系数进行分析比较。

（1）建模过程说明：

环境：Solidworks Simulation。

建模流程：创建几何模型→划分载荷分布区域→创建有限元算例→添加应用材料→设定接触面组连接方式→添加约束及载荷→有限元网格划分。

①车轮几何模型的建立：为保证分析结果的准确性，几何模型完全按照图纸尺寸建立，未作模型轻化和特征压缩。

②载荷分布：根据轮胎气压对车轮的非均匀分布，设定了81000MPa压力非均匀分布，载荷分布后测得普通型车轮和加强车轮模型所受的合力分别为74215N和74468N，非常接近真实试验径向载荷（7580kg）。

③网格划分：采用标准网格器划分，采用4点雅克比点的形式划格，为优化运算速度，单元格大小按照各部件体积的大小分别设定：轮辋及轮辐单元格为10mm；挡圈单元格为8mm。

④分析类型：静态（代替动态）。

⑤材质设定：轮辋：12LW，轮辐：Q235B，挡圈：Q345(16Mn)。

⑥约束位置及形式：辐底固定。

⑦接触面连接形式：接合。

⑧解算器：FFEPLUS。

（2）五手孔改为十手孔的必要性验证

为了验证五手孔改为十手孔以后的结构对车轮强度的影响，在此建立一个14mm厚五手孔式的加强型车轮模型（14mm厚五手孔式轮辐与加强型轮辋体、挡圈配合）。

应力云图显示该模型的最小安全系数为2.71，位置在轮辐手孔两端。

根据前面的应力分析，我们已经得出：十手孔式加强车轮的最小安全系数为3.17，较五手孔式加强型车轮提高了17%。

根据手孔面积计算，在冲制手孔时十手孔加强型轮辐的材料去除量略多于五手孔加强轮辐，而分析显示加强型轮辐强度较高，可见十手孔结构更为合理。

（3）普通型车轮的有限元分析：

车轮总体重量为55.6kg，整体安全系数满足强度要求。可以确定轮辐断裂现象为车辆严重超载或极恶劣使用条件造成的疲劳破坏所致。

通过观察轮辐的应力云图可以得出：轮辐的应力分布不均衡，轮辐手孔边缘处有严重的应力集中，应力值最大。产品中最小安全系数的位置在轮辐手孔沿轮辐圆周方向的两端。在设定载荷下得出的轮辐最小安全系数为2.17。

通过在模型表面设置探测器我们还可以得出：轮辋体的最小安全系数为6.21，位置在轮缘大耳外侧根部。挡圈最小安全系数为11.04，位置在挡圈大耳内侧根部。

经统计，索赔返回旧件中绝大多数产品失效形式为从手孔两端产生疲劳性裂纹损伤。模型分析结果与实际吻合，说明建模设定条件基本符合实际工况。

（4）加强型车轮的有限元分析及改进效果对比：

加强型车轮的总体质量为61.4kg，质量较普通型车轮增加10.4%。查看轮辐的应力云图可以发现加强型车轮轮辐表面的应力分布得到优化，分布相对均衡，手孔边缘应力值大大降低，经模拟传感器测定，轮辐依然是最为薄弱的部位，但轮辐最小安全系数提高为3.17，总体最小安全系数较普通型车轮提高了46.1%，车轮强度显著提高。

通过探测器还可以测得轮辋体的最小安全系数为7.96，位置在轮缘大耳内侧根部，较普通型车轮大耳根部强度明显加强。

挡圈最小安全系数为10.40，考虑可能是大耳高度增加，轮胎气压形成的轴向压力增大，故安全系数略有下降。

2.实物试验论证

根据结构改进，对新结构车轮进行试验验证。对车轮总成做了性能试验，对轮辐弯曲、轮辋径向以及总成的焊接强度进行了试验。

（1）轮辐弯曲实验：

样件进行了车轮性能实验—轮辐弯曲实验，按照GB/T5909-1995（《载货汽车车轮性能要求和实验方法》），连续运转了额定转数6万转后，实验品均未出现裂纹及其他失效特征等缺陷，满足了标准规定的性能要求。

（2）加强轮辋体径向实验：

为了提高车轮的载重能力，我们加强了轮辋体的部分厚度，为此我们专门进行了车轮性能实验—轮辋体径向实验，按照GB/T5909-1995，连续运转了额定转数50万转后，实验品均无失效状态，达到设计标准，满足了标准规定的对循环转数的性能要求，产品合格。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

由于采用了将避免超载的安全车轮设计为包括：车轮主体，其中，所述车轮主体上设有压力检测单元、分析单元、报警单元；所述压力检测单元用于检测所述车轮主体上承受的实时压力信息，并将所述实时压力信息传递给所述分析单元；所述分析单元用于对所述实时压力信息进行转换，将转换后的压力值与第一预设值进行比较，若转换后的压力值大于所述第一预设值，则发送报警信号到所述报警单元；所述报警单元基于所述报警信号进行报警，并在驾驶室中的显示单元中实时显示压力信息的技术方案，所以，有效解决了现有的车轮存在无法在超载时进行报警，且现有的车轮在超载时容易损坏，安全性较低的技术问题，进而实现了车轮设计合理，安全性较高，能够承受更多的压力，且能够在超载时进行报警的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.避免超载的安全车轮，其特征在于，所述车轮包括：

车轮主体，其中，所述车轮主体上设有压力检测单元、分析单元、报警单元；

所述压力检测单元用于检测所述车轮主体上承受的实时压力信息，并将所述实时压力信息传递给所述分析单元；

所述分析单元用于对所述实时压力信息进行转换，将转换后的压力值与第一预设值进行比较，若转换后的压力值大于所述第一预设值，则发送报警信号到所述报警单元；

所述报警单元基于所述报警信号进行报警，并在驾驶室中的显示单元中实时显示压力信息。

2.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于，所述车轮主体的手孔数10个，辐底厚度为14mm。

3.根据权利要求2所述的车轮，其特征在于，所述车轮主体在原轮辋体结构基础上，所述车轮主体的轮辋体轮缘端的长度大于原轮辋体结构的轮辋体轮缘端的长度，所述车轮主体的锁圈槽端和轮缘端厚度大于原轮辋体结构的锁圈槽端和轮缘端厚度。