張甲瑞，蘇洪明，譚千雄，張知華

基于三維點陣材料的免充氣輪胎設(shè)計*

張甲瑞，蘇洪明，譚千雄，張知華

（重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520）

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外典型免充氣輪胎的結(jié)構(gòu)性能和優(yōu)缺點，結(jié)合三維點陣材料設(shè)計了一款新型免充氣輪胎，為解決目前免充氣輪胎在汽車上實用性低提供一種全新思路，為新能源汽車發(fā)展及未來智能汽車發(fā)展在汽車零部件選用上提供更多的可能。

免充氣輪胎；三維點陣材料；立體菱形

引言

免充氣輪胎的出現(xiàn)最早是為了某些特殊行業(yè)（比如軍用和采礦行業(yè)）應(yīng)用的汽車輪胎因為無法承受反復(fù)撞擊出現(xiàn)爆胎而喪失性能的問題，但是在民用轎車運用較少，但是隨著車速的提升及車輛使用環(huán)境的擴展，家用車對輪胎性能的要求也在不斷提高。

1 免充氣輪胎國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于充氣性的特點和橡膠材料固有的特性，提升充氣輪胎安全性能的空間畢竟有限，輪胎一旦失去氣壓，性能就會急劇下降[1]；而免充氣輪胎設(shè)計的結(jié)構(gòu)免維護、安全性好；與現(xiàn)有的缺氣輪胎相比，容易更換、重量輕、成本低[2]。因此，國內(nèi)外對免充氣輪胎的研究和開發(fā)一直都在進行。最具代表性的免充氣輪胎是法國米其林公司的TWEEL[3]和美國固鉑公司研發(fā)的蜂巢結(jié)構(gòu)輪胎。

1.1 免充氣Tweel輪胎

2005年法國米其林公司生產(chǎn)的免充氣Tweel輪胎在奧迪A4上的測試使用獲得巨大成功，一時間免充氣輪胎獲得極大的關(guān)注。米其林公司提出TWEEL輻條狀輪胎（如圖1），在奧迪A4上進行了裝配測試，TWEEL與當(dāng)時的汽車配套充氣輪胎在承載能力、減震性能、行駛平順性、滾動阻力、燃油消耗水平和質(zhì)量等方面接近，但操控性能更佳[1]。該輪胎在免充氣輪胎研發(fā)史上具有重要里程碑意義。但是當(dāng)時的TWEEL在設(shè)計上還有一些局限性問題沒有解決：（1）材料方面，主要涉及輻條的彎曲應(yīng)力、剪切粱的剪切分布和剪切粱周向剪切力的滯后損失，如圖2；（2）行駛時的滾動阻力較大；（3）高速行駛時輻條壽命縮短且發(fā)出強烈的噪聲[1]。

圖1 TWEEL輻條狀輪胎

圖2 TWEEL輻條狀輪胎受力表現(xiàn)

TWEEL輪胎的主要問題在于輻條材料問題，車輪負(fù)荷完全由上半部分輻條產(chǎn)生的張力來承擔(dān)[1]。要求其材料彈性與疲勞壽命必須良好，而車輛加速行駛時發(fā)出的噪聲也是輻條發(fā)出的，因為其輪胎沒有反沖吸能架構(gòu)。

1.2 蜂巢結(jié)構(gòu)免充氣輪胎

在現(xiàn)有為數(shù)不多的免充氣輪胎中，蜂巢結(jié)構(gòu)輪胎（如圖3）應(yīng)用仿生原理，以蜂巢狀六邊形結(jié)構(gòu)替代輪胎充氣部分具有與普通充氣輪胎相當(dāng)?shù)闹魏蜏p振作用[4-5]，蜂窩結(jié)構(gòu)免充氣輪胎在完全戰(zhàn)斗負(fù)荷下行駛里程超過8000km，在受到子彈射擊后仍能行駛，且蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)毀壞達30%的情況下繼續(xù)使用[1]，這種免充氣輪胎的力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)于普通充氣輪胎而普通充氣輪胎常因無法承受反復(fù)撞擊而喪失性能，從而影響工作任務(wù)的進行。

圖3 蜂窩結(jié)構(gòu)輪胎

圖4 蜂窩狀免充氣輪胎運用在軍用戰(zhàn)車上

蜂窩結(jié)構(gòu)輪胎，結(jié)構(gòu)設(shè)計靈感源于大自然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其高分子材料研制成本較高，其目的是為美國軍用戰(zhàn)車的防彈性能、野戰(zhàn)性能、戰(zhàn)場表現(xiàn)設(shè)計，目前僅限于在美國軍方運用（如圖4）蜂窩狀免充氣輪胎運用在軍用戰(zhàn)車上，目前沒有運用在家用轎車上。

目前國內(nèi)免充氣輪胎的研究尚無太多蹤跡可尋，江蘇江昕輪胎有限公司發(fā)明了一項免充氣空心輪胎，但都只是運用在自行車、電動自行車、電動代步車等一些小型車上面。

2 立體菱形式免充氣輪胎

受蜂窩輪胎結(jié)構(gòu)啟發(fā)，作者在研究新型三維點陣結(jié)構(gòu)時，產(chǎn)生了將新型三維點陣材料應(yīng)用于免充氣輪胎的想法，為此設(shè)計出了一款新型免充氣輪胎——立體菱形式免充氣輪胎。

該輪胎相比國內(nèi)外免充氣輪胎首次采用了立體菱形結(jié)構(gòu)作為其核心部件，并使用復(fù)合材料采用絕無僅有的編織方式完成該核心部件制作。從輪胎結(jié)構(gòu)到材料選取，從成型工藝到力學(xué)特性，該輪胎都表現(xiàn)出了獨一無二的一面。

該免充氣輪胎兼具復(fù)合材料和三維點陣材料特性，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定大大提升了輪胎道路表現(xiàn)性能，在受到壓力與障礙時表示會十分出色。同時，其吸能、減震等特點也大大提升了駕乘人員的舒適性和安全性。

2.1 立體菱形式免充氣輪胎結(jié)構(gòu)

立體菱形式免充氣輪胎結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其結(jié)構(gòu)主要包括輪輞、立體菱形輪輻、胎面。立體菱形輪輻為此輪胎核心部件，采用高性能復(fù)合材料編制而成，具有獨特的加工工藝，具有輕質(zhì)、高比強度、高比剛度、減震吸能抗沖擊等優(yōu)點。

圖5 立體菱形式免充氣式輪胎

2.2 設(shè)計思路及研究內(nèi)容

（1）搜集資料，研究整理目前國內(nèi)外免充氣輪胎技術(shù)現(xiàn)狀，對比分析現(xiàn)有免充氣輪胎優(yōu)缺點。

（2）根據(jù)所掌握資料研究新型免充氣輪胎結(jié)構(gòu)，確定本作品以“輪輞-輪輻-胎面”三結(jié)構(gòu)的形式呈現(xiàn)。

（3）設(shè)計輪輞結(jié)構(gòu)：輪輞結(jié)構(gòu)形式以“新穎、動感、時尚”為主題，如圖5所示。

（4）設(shè)計立體菱形輪輻結(jié)構(gòu)：立體菱形輪輻為此作品核心部件，其決定了該輪胎的綜合性能，為此借鑒三維點陣材料結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出如圖6所示立體菱形結(jié)構(gòu)。

（5）運用三維建模軟件——CATIA對輪胎以上各結(jié)構(gòu)進行建模設(shè)計，驗證設(shè)計可行性。

（6）輪胎各部分材質(zhì)的確定：立體菱形輪輻作為該輪胎主要支撐和減震架構(gòu)，擬采用新型復(fù)合材料（如玻璃纖維、碳纖維等）編制而成，編制后經(jīng)固化處理與輪輞和胎面固定在一起，輪輞與胎面采用常規(guī)材料。

圖6 新型立體菱形結(jié)構(gòu)

（7）輪胎力學(xué)性能的確定：擬采用試驗方法完成該新型免充氣輪胎的性能分析，編制出立體菱形輪輻樣品，進行力學(xué)實驗。

（8）完成整個輪胎樣品制作，根據(jù)需求安裝在相關(guān)車體上進行裝車試驗。

2.3 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

（1）立體菱形結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，由圖可知，立體菱形輪輻的性能受以下幾點影響：

①菱形結(jié)構(gòu)角度α和β；

②菱形桿長L；

③線徑φ。

圖7 立體菱形結(jié)構(gòu)示意圖

以上參數(shù)影響單個立體菱形結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，從而影響整個輪胎性能，因此需要經(jīng)過試驗驗證選取最優(yōu)值。

（2）立體菱形結(jié)構(gòu)的單層個數(shù)和層數(shù)（見圖6）影響輪胎力學(xué)性能和偏平率。

（3）立體菱形結(jié)構(gòu)的編織，前期以手工編織為主，后期應(yīng)開發(fā)機械編織工藝，并在編織時規(guī)范編織工藝，從而保證單個立體菱形結(jié)構(gòu)一致性，避免出現(xiàn)因立體菱形個體差異而影響整個輪胎性能。

（4）胎面、立體菱形輪輻、輪輞三者固定在一起的方法需要進一步研究論證。

3 小結(jié)

新型免充氣輪胎在經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性和行駛平順性等方面優(yōu)于普通充氣輪胎或者實心輪胎，其性能特點符合社會發(fā)展主題，必將對未來輪胎與汽車設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生影響。本文是作者在研究三維點陣材料期間開發(fā)的該材料的應(yīng)用案例，目前處于樣品試制階段，更多的內(nèi)容需要后續(xù)更加深入的研究，才能使其實際應(yīng)用成為可能。

[1] 徐立.新型免充氣輪胎發(fā)展現(xiàn)狀[J].輪胎工業(yè),2015,35.

[2] 一種空間桁架式免充氣輪胎.橡膠技術(shù)與裝備（橡膠）.

[3] 王若云,賀建蕓,丁玉梅,等.蜂巢式塑料輪胎力學(xué)性能研究[J].工程塑料應(yīng)用,2014(9):42-45.

[4] Kim K, Kim D M.Contact Pressure of Non-Pneumatic Tires with Hexagonal Lattice Spokes[C].SAE Technical Paper Series,2011.

[5] 張仲志,呂建剛,宋彬,等.非充氣輪胎技術(shù)的分析與展望[J].輪胎工業(yè),2014,34(9): 523-52.

Design of Non-pneumatic Tire Based on Three-dimensional Lattice Material*

Zhang Jiarui, Su Hongming, Tan Qianxiong, Zhang Zhihua

( Institute of intelligent manufacturing and automotive of Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 401520 )

According to the structure, performance, advantages and disadvantages of the typical non-pneumatic tire at home and abroad, a new type of non- pneumatic tire is designed according to the three-dimensional lattice material, which provides a new idea for solving the low practicability of the non-pneumatic tire in the automobile at present, and provides more possibilities for the development of new energy vehicles and the future development of intelligent vehicles in the selection of automobile parts.

Non-pneumatic tire; Three-dimensional lattice material; Stereoscopic rhomboid

U463.341

A

1671-7988(2019)18-54-03

U463.341

A

1671-7988(2019)18-54-03

張甲瑞（1984-），男，重慶工商職業(yè)學(xué)院講師/工程師，碩士研究生，就職于重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，主要從事新材料研究及其在汽車上的應(yīng)用開發(fā)工作。

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目（KJQN201804007）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.019