黃應(yīng)軍 曹曉蕾 夏濤 劉爽

摘 要：現(xiàn)有的輪胎工業(yè)主要產(chǎn)品為普通充氣輪胎，其在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生爆胎事故，對(duì)于人的生命和財(cái)產(chǎn)具有非常大的安全隱患?；谶@些問(wèn)題，本文提出和設(shè)計(jì)了一種新型的可呼吸安全不爆輪胎，其具有特殊結(jié)構(gòu)和精巧妙用力學(xué)原理，主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為免維護(hù)、不爆胎、防戳、承載能力強(qiáng)、耐高低溫、低油耗、重量輕等。在現(xiàn)如今軍民融合的大背景下，這種新型的輪胎在軍用汽車(chē)上也具有非常好的使用前景，能夠?yàn)檐娪密?chē)輛的行駛作戰(zhàn)提供有力的安全保障。

關(guān)鍵詞：不爆輪胎；特殊結(jié)構(gòu)；力學(xué)原理；軍用車(chē)輛

中圖分類(lèi)號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）01-0068-05

Abstract： Current mainstream product of tire is the ordinary pneumatic tire， which has led to frequent tire explosion in daily use and has been a safety hazard for human life and property. Confronting with this problem， the article proposes and designs a new type of tire which is breathable， safe and non-explosive. It uses a special structure and an ingenious utilization of mechanics and features in maintenance-free， non-explosive， anti-press， strong-capacity， temperature resistant， fuel-sipping， light-weighted， etc. In the context of military-civilian integration， this new type of tire also has a wide potential in military vehicles use. It could provide strong safety guarantee for military vehicles in driving and fighting， for instance.

Key Words： non-explosive tires； special structures； mechanics； military vehicles

輪胎工業(yè)發(fā)展距離今年整整有130年歷史，到今天儼然已經(jīng)成為了一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，在社會(huì)的進(jìn)程當(dāng)中充氣輪胎起到了不可磨滅的作用。品種出現(xiàn)了爭(zhēng)相斗艷的形勢(shì)，其中按照胎體結(jié)構(gòu)可分為實(shí)心胎和充氣胎，按照連線(xiàn)排布結(jié)構(gòu)可分為斜交胎和子午線(xiàn)胎，根據(jù)組成結(jié)構(gòu)不同可分為無(wú)內(nèi)胎充氣輪胎和有內(nèi)胎充氣輪胎等[1，2]。

普通輪胎從外到內(nèi)大致可分為胎冠、帶束層、簾布層、氣密層和胎圈部等幾個(gè)部分。但是，普通充氣輪胎在使用中最嚴(yán)重的問(wèn)題是發(fā)生爆胎變形，這是由于胎冠在反復(fù)與地面摩擦的過(guò)程中會(huì)變薄，使用過(guò)度后有安全隱患，特別是在遇到復(fù)雜路面及尖銳物體時(shí)，更是不堪一擊，從而阻礙了車(chē)輛的正常行駛，同時(shí)也危險(xiǎn)到了駕乘人員的生命安全。因此陸續(xù)出現(xiàn)了實(shí)心輪胎，缺氣保用輪胎，填充材料自動(dòng)修復(fù)輪胎以及更具有創(chuàng)造性的免充氣輪胎[3]。毫無(wú)疑問(wèn)的是免充氣輪胎的性能顯著地優(yōu)越于以上幾種傳統(tǒng)的輪胎，其代表有美國(guó)軍方的蜂巢輪胎[4]和法國(guó)的米其林免充氣輪胎[5]，但其運(yùn)用之余不乏有不足之處，主要體現(xiàn)在不具備高速行駛及重載等缺點(diǎn)。

相比與普通充氣輪胎、實(shí)心輪胎、缺氣保用輪胎、自動(dòng)修復(fù)輪胎等，本文主要介紹一種新型的可呼吸不爆安全輪胎[6]，如圖1（b，d）所示，可呼吸不爆安全輪胎由特殊的鏤空結(jié)構(gòu)及仿生魚(yú)鰓的呼吸胎簾，在輪胎運(yùn)動(dòng)時(shí)，可讓胎面產(chǎn)生的熱量與空氣隨時(shí)進(jìn)行交換，形似于我們的呼吸，其具有免維護(hù)、不爆胎、防戳，可高速行駛、承載能力強(qiáng)、耐高溫、耐低溫、低油耗、重量輕等優(yōu)異功能，在這輪胎新革命時(shí)期，對(duì)于輪胎的未來(lái)發(fā)展具有的顯著影響，同時(shí)更重要的是體現(xiàn)在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，為機(jī)動(dòng)行駛作戰(zhàn)中提供了有力的安全保障。

1 結(jié)構(gòu)模型及性能

可呼吸不爆安全輪胎是一種徹底改變了現(xiàn)代輪胎必須由壓縮空氣提供支撐的新型輪胎技術(shù)，其主要利用輪胎側(cè)面輻射開(kāi)來(lái)的網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)來(lái)提供整條輪胎的剛性，為輪胎提供支撐，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中輻條的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)輪胎的防震和過(guò)障，從而改善其舒適性。輪胎主要包括三個(gè)結(jié)構(gòu)：小型充氣輪胎（圖中1）的內(nèi)承壓減震層、主要輪胎受力網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)（圖中2）和保持現(xiàn)有輪胎的結(jié)構(gòu)胎面（圖中3）。

1.1 小型充氣層

小型充氣層，保留了其優(yōu)秀、最可靠的氣密連接方式，因超扁平及用材的特殊，在滿(mǎn)足了高強(qiáng)度制動(dòng)剪切力作用的同時(shí)，其主要作用有兩點(diǎn)：一是保持了原有與輪轂的連接方式，不用額外增加其它的連接固定方式，使其使用我們的可呼吸輪胎的成本降低；二是在可呼吸輪胎高速行駛及遇障時(shí)，可以有效改善輪胎在變形時(shí)所產(chǎn)生的剪切力，從而保證了優(yōu)異普通輪胎的舒適性及降低了能量轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的熱量。

1.2 網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)

如圖1（c）所示為可呼吸安全不爆輪胎的夾層（內(nèi)外層相互制約）網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，是用來(lái)連接與固定可呼吸輪胎內(nèi)外承壓圈，與此同時(shí)，還兼顧著外承壓的應(yīng)力傳導(dǎo)，使其充氣層與內(nèi)承壓圈聯(lián)合調(diào)整整個(gè)輪胎的受力，并使應(yīng)力分散。

1.3 結(jié)構(gòu)胎面

胎面是由丁睛橡膠與碳黑及石墨烯做成的復(fù)合材料，主要用來(lái)與地面接觸摩擦，具有傳統(tǒng)輪胎的花紋結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)果非常完美的利用傳統(tǒng)輪胎在胎面的研究技術(shù)和成熟的使用技術(shù)。

由于可呼吸不爆安全輪胎具有以上的特殊結(jié)構(gòu)，所以其在實(shí)際的應(yīng)用中相比于普通的輪胎具有非常顯著地優(yōu)異性，主要可以表現(xiàn)為以下的方面。

首先，當(dāng)縱向受到?jīng)_擊載荷時(shí)，其內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)具有相比于普通的充氣輪胎大得多的型變量，導(dǎo)致車(chē)輛在通過(guò)崎嶇路面時(shí)，輪胎傳遞到懸架和車(chē)身的路面沖擊被減輕，極大提升了車(chē)輛的舒適性。而在高速通過(guò)長(zhǎng)距離高頻次的障礙物時(shí)，得益于輪胎較大的型變量和較快的回彈力，輪胎能夠極大的降低車(chē)輛的拋離感，提升越野駕駛過(guò)程中的行駛穩(wěn)定性。此外，由于輪胎在承受縱向沖擊時(shí)擁有優(yōu)秀的變形和回彈性能，所以在低附著力的越野路面條件下，通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)的變形可以大幅度的增加胎面與地面的接觸面積，提升輪胎的附著力，在胎面與地面的接觸部分形成一小塊小小的履帶效應(yīng)，幫助車(chē)輛脫困。

其次，當(dāng)橫向受到?jīng)_擊載荷時(shí)，輪胎外部受力與支撐結(jié)構(gòu)受力的作用方向一致，此種受力導(dǎo)致其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)間的間隙失效，最終輪胎主要是網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)來(lái)支撐，輪胎橫向的型變量變小，提高輪胎的側(cè)偏剛度，繼而提升車(chē)輛的側(cè)向支撐，保證操控穩(wěn)定性。同一規(guī)格的輪胎，可呼吸輪胎的重量輕于普通輪胎11%（例：碳纖、芳綸復(fù)合材料）。

對(duì)于車(chē)輛輪胎而言，除了簧下質(zhì)量對(duì)駕乘舒適性有影響的同時(shí)，縱向剛性的好壞也影響到了駕乘的舒適性，而橫向剛性的好壞則直接影響到操控穩(wěn)定性。這也就是高性能的街道跑車(chē)往往愿意選擇低扁平比的輪胎，而越野車(chē)又親睞于高扁平比輪胎的原因所在。一個(gè)注重于橫向剛度以提升高速過(guò)彎時(shí)的側(cè)向支撐，提高過(guò)彎極限；而另一個(gè)則注重于縱向剛度以保證越野過(guò)程中的舒適性，也提升輪胎在越野過(guò)程中的壽命。

本文中的可呼吸防爆輪胎由于可以直接安裝在輪轂和鋼圈上的結(jié)構(gòu)，再配合上高強(qiáng)度復(fù)合材料作為主要的受力部分，從而組成其特殊的結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)輪胎的組合，安裝可呼吸不爆安全輪胎的車(chē)輛在高速直行和急速過(guò)彎都可以完美的達(dá)到其所需要的力學(xué)原理。

同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性方面，可呼吸防爆輪胎由于在結(jié)構(gòu)上將胎側(cè)和胎面完全分離開(kāi)來(lái)，所以在胎面的設(shè)計(jì)上可以更為大膽的運(yùn)用低滾阻的橡膠配方。而且由于輪胎結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，我們的輪胎在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于輪胎反復(fù)變形帶來(lái)的能量損失被大幅度的減小，繼而達(dá)到提升車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。更加重要的是可呼吸不爆輪胎在運(yùn)動(dòng)過(guò)程運(yùn)作較為穩(wěn)定，又因不考慮輪胎在舒適上的橡膠配比，因此我們可以在胎面的配比上可增加耐磨的材料，這導(dǎo)致輪胎胎面的耐磨程度是普通輪胎的3倍以上。

2 力學(xué)技術(shù)原理

可呼吸不爆安全輪胎，在胎面內(nèi)層是整個(gè)輪胎的受力承壓環(huán)，承壓環(huán)在輻條作用下均勻受力，當(dāng)承壓環(huán)所受內(nèi)力、剪力、彎矩的情況下，就內(nèi)力、剪力、彎矩及承壓環(huán)內(nèi)的輻條支撐縱面剛度的獲取，我們用運(yùn)固體力學(xué)里的彈性和結(jié)構(gòu)兩種力學(xué)方法，來(lái)計(jì)算出承壓環(huán)在均勻受壓時(shí)的三種力及輻條支撐縱面受力剛度進(jìn)行論述。

2.1 彈性力學(xué)分析（參照造橋鉸拱原理）

輪胎可視為一個(gè)有厚度的圓（圖2），半徑a，厚度外的半徑b，厚度內(nèi)壁受力p1，厚度外受力p2。為了更加方便的分析輪胎的力學(xué)性能，取一個(gè)圖2（b）圓微單位體進(jìn)行具體分析，其具體的力學(xué)計(jì)算如下：

對(duì)于承壓環(huán)在受力的情況下，控制制作承壓環(huán)材料的剛度、模量、力學(xué)性能均是設(shè)計(jì)的最主要的因素，因此我們輪胎的承壓承重環(huán)（無(wú)鉸拱）的力學(xué)分析決定我們可呼吸不爆輪胎的載重及舒適度（具體數(shù)據(jù)我們需綜合考慮）。

3 輪胎路面行駛實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

可呼吸不爆安全輪胎在行駛30公里過(guò)程中路面復(fù)雜，還有人為的設(shè)障如破胎器、可戳穿輪胎的大長(zhǎng)釘。首先將車(chē)輛輪胎換成可呼吸不爆安全輪胎以時(shí)速40公里的速度行駛，第一經(jīng)過(guò)的是人為設(shè)障破胎器、可戳穿輪胎的大長(zhǎng)釘組成的路段，經(jīng)過(guò)時(shí)，車(chē)內(nèi)駕駛?cè)藛T聽(tīng)見(jiàn)破胎器與大長(zhǎng)釘刺穿輪胎時(shí)與胎面橡膠發(fā)出的咯吱咯吱的聲音，此時(shí)下車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)由于可呼吸不爆安全輪胎的鏤空結(jié)構(gòu)，我們看到的是部分破胎器與大長(zhǎng)釘扎在胎面，而輪胎完好無(wú)損，毫無(wú)癟塌的現(xiàn)象，我們繼續(xù)前行，在經(jīng)過(guò)減速帶及由磚塊設(shè)置的高坎，在車(chē)輛時(shí)速40公里的速度行駛，車(chē)輛平穩(wěn)，震動(dòng)較小，柔和舒適，從過(guò)障時(shí)的照片可以看到（如圖1b所示），車(chē)輛在過(guò)障時(shí)可呼吸不爆安全輪胎胎面呈現(xiàn)凹面，接下來(lái)車(chē)輛按時(shí)速60公里的速度行駛20公里，且經(jīng)過(guò)人為的破胎器、大長(zhǎng)釘、減速帶、高坎等人為路障，在20公里未停的行駛過(guò)程中駕乘人員體驗(yàn)到的噪音與普通輪胎不分上下，由于手工制作在工藝上與機(jī)器制作實(shí)有差距，為安全實(shí)驗(yàn)的前提下，我們一次20公里測(cè)試，共測(cè)試了680公里的距離。

4 結(jié)論及展望

本文設(shè)計(jì)的可呼吸不爆安全輪胎是一種具有特殊的結(jié)構(gòu)組成和巧妙力學(xué)應(yīng)用的新型創(chuàng)新型輪胎，其具有免維護(hù)、免爆胎、免泄露和成本低等優(yōu)異性能?；谝陨系膬?yōu)異性能，此種可呼吸不爆安全輪胎不僅可以滿(mǎn)足普通輪胎市場(chǎng)的需求，同時(shí)在其他的一些特殊領(lǐng)域也可以得到更加顯著地應(yīng)用，例如：國(guó)防軍事特種車(chē)輛、特殊作業(yè)車(chē)輛及高載量要求車(chē)輛等?？珊粑槐踩喬ミ@種新型輪胎技術(shù)的創(chuàng)新，對(duì)于未來(lái)的輪胎市場(chǎng)具有非常顯著地影響，極大地增強(qiáng)了輪胎技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在未來(lái)這種不爆輪胎的技術(shù)發(fā)展，其研究的重點(diǎn)主要集中于新型材料的選擇和提升，記憶性材料應(yīng)用有可能使輪胎在行駛的過(guò)程中，遇物體或生命物種時(shí)會(huì)，瞬間形成凹陷面，從而使物體或生命物種受傷害的程度達(dá)到最低，由此實(shí)現(xiàn)輪胎發(fā)展成為記憶性讓物安全輪胎。

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