Рассматриваются следующие конструкции колес:
1. Спицевое колесо с втулкой, подвешенной на предварительно растянутых проволочных спицах. Представляет пространственную предварительно напряжённую стержневую систему. Как правило, спицы изготавливаются из высоколегированных (нержавеющих) сталей. При малом весе имеет достаточно высокую прочность, жёсткость и устойчивость.
2. Дисковое колесо, обод которого опирается на две конусные мембраны. Представляет тонкостенную оболочечно-стержневую систему. Такие колеса обладают высокой жёсткостью и хорошей аэродинамикой.Однако их повышенная парусность создаёт проблемы управления на виражах и при боковом ветре. Обладает высокой жёсткостью, низким демпфированием, хорошей аэродинамикой.
3. Колесо со спицами большой жёсткости на изгиб. Представляет плоскую рамную конструкцию. Спицы работают не только на растяжение-сжатие, но также на изгиб (воспринимают поперечную нагрузку).
4. Суперколесо из углепластика со спицами в виде пустотелых криволинейных стержней переменного поперечного сечения. Спицы работают на растяжение-сжатие и изгиб.
Известно несколько методов и моделей расчета спицевых колес:
1. Классическое решение Н.Е.Жуковского [1], в котором реализуется континуальная расчётная модель. Колесо с большим количеством спиц рассматривается как кольцевой брус, опирающийся на упругое основание.
2. Решение [2], в нём используется дискретная расчётная модель. Колесо рассматривается как пространственная стержневая система.
3. Решения на основе МКЭ. При построении конечно-элементных моделей используются как стержневые, так и пространственные конечные элементы. Метод конечных элементов реализуется на ЭВМ, это обеспечивает более точный и полный анализ напряжённо-деформированного состояния.
Новизна работы состоит в расчётном исследовании деформаций и напряжений при помощи программы Cosmos Work 2006. При создании пространственной конечно-элементой модели используется программный комплекс AutoCAD - Autodesk Mechanical Desktop 2006.
На основании плоской и пространственной расчётных моделей спицевых колёс получены напряжения в ободе и спицах и формы деформирования при статическом действии сосредоточенной нагрузки, приложенной к втулке.
При разработке пространственной модели колеса учитывались следующие особенности конструкции:
- Спицы расположены под углом к осевой линии обода, колесо имеет два "зонтика".
- Спицы установлены на некотором расстоянии от оси колеса с эксцентриситетом, что позволяет передавать крутящий момент.
- Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. М.: Наука. 1992. - 365 с.
- Киртаев Е.А. Расчёт колеса велосипеда методом конечных элементов. Известия Вузов. Машиностроение. 1984. №1 - С.26-29.