一种军民两用可呼吸安全不爆轮胎技术研究

黄应军 曹晓蕾 夏涛 刘爽

摘 要：现有的轮胎工业主要产品为普通充气轮胎，其在使用过程中经常发生爆胎事故，对于人的生命和财产具有非常大的安全隐患。基于这些问题，本文提出和设计了一种新型的可呼吸安全不爆轮胎，其具有特殊结构和精巧妙用力学原理，主要优点表现为免维护、不爆胎、防戳、承载能力强、耐高低温、低油耗、重量輕等。在现如今军民融合的大背景下，这种新型的轮胎在军用汽车上也具有非常好的使用前景，能够为军用车辆的行驶作战提供有力的安全保障。

关键词：不爆轮胎；特殊结构；力学原理；军用车辆

中图分类号：U466 文献标识码：A 文章编号：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

轮胎工业发展距离今年整整有130年历史，到今天俨然已经成为了一门独立的学科，在社会的进程当中充气轮胎起到了不可磨灭的作用。品种出现了争相斗艳的形势，其中按照胎体结构可分为实心胎和充气胎，按照连线排布结构可分为斜交胎和子午线胎，根据组成结构不同可分为无内胎充气轮胎和有内胎充气轮胎等[1，2]。

普通轮胎从外到内大致可分为胎冠、带束层、帘布层、气密层和胎圈部等几个部分。但是，普通充气轮胎在使用中最严重的问题是发生爆胎变形，这是由于胎冠在反复与地面摩擦的过程中会变薄，使用过度后有安全隐患，特别是在遇到复杂路面及尖锐物体时，更是不堪一击，从而阻碍了车辆的正常行驶，同时也危险到了驾乘人员的生命安全。因此陆续出现了实心轮胎，缺气保用轮胎，填充材料自动修复轮胎以及更具有创造性的免充气轮胎[3]。毫无疑问的是免充气轮胎的性能显著地优越于以上几种传统的轮胎，其代表有美国军方的蜂巢轮胎[4]和法国的米其林免充气轮胎[5]，但其运用之余不乏有不足之处，主要体现在不具备高速行驶及重载等缺点。

相比与普通充气轮胎、实心轮胎、缺气保用轮胎、自动修复轮胎等，本文主要介绍一种新型的可呼吸不爆安全轮胎[6]，如图1（b，d）所示，可呼吸不爆安全轮胎由特殊的镂空结构及仿生鱼鳃的呼吸胎帘，在轮胎运动时，可让胎面产生的热量与空气随时进行交换，形似于我们的呼吸，其具有免维护、不爆胎、防戳，可高速行驶、承载能力强、耐高温、耐低温、低油耗、重量轻等优异功能，在这轮胎新革命时期，对于轮胎的未来发展具有的显著影响，同时更重要的是体现在未来战场上，为机动行驶作战中提供了有力的安全保障。

1 结构模型及性能

可呼吸不爆安全轮胎是一种彻底改变了现代轮胎必须由压缩空气提供支撑的新型轮胎技术，其主要利用轮胎侧面辐射开来的网状支撑结构来提供整条轮胎的刚性，为轮胎提供支撑，同时通过网状结构中辐条的伸缩来实现轮胎的防震和过障，从而改善其舒适性。轮胎主要包括三个结构：小型充气轮胎（图中1）的内承压减震层、主要轮胎受力网状支撑结构（图中2）和保持现有轮胎的结构胎面（图中3）。

1.1 小型充气层

小型充气层，保留了其优秀、最可靠的气密连接方式，因超扁平及用材的特殊，在满足了高强度制动剪切力作用的同时，其主要作用有两点：一是保持了原有与轮毂的连接方式，不用额外增加其它的连接固定方式，使其使用我们的可呼吸轮胎的成本降低；二是在可呼吸轮胎高速行驶及遇障时，可以有效改善轮胎在变形时所产生的剪切力，从而保证了优异普通轮胎的舒适性及降低了能量转换时所产生的热量。

1.2 网状支撑结构

如图1（c）所示为可呼吸安全不爆轮胎的夹层（内外层相互制约）网状支撑结构，是用来连接与固定可呼吸轮胎内外承压圈，与此同时，还兼顾着外承压的应力传导，使其充气层与内承压圈联合调整整个轮胎的受力，并使应力分散。

1.3 结构胎面

胎面是由丁睛橡胶与碳黑及石墨烯做成的复合材料，主要用来与地面接触摩擦，具有传统轮胎的花纹结构，这样的结果非常完美的利用传统轮胎在胎面的研究技术和成熟的使用技术。

由于可呼吸不爆安全轮胎具有以上的特殊结构，所以其在实际的应用中相比于普通的轮胎具有非常显著地优异性，主要可以表现为以下的方面。

首先，当纵向受到冲击载荷时，其内部的支撑结构具有相比于普通的充气轮胎大得多的型变量，导致车辆在通过崎岖路面时，轮胎传递到悬架和车身的路面冲击被减轻，極大提升了车辆的舒适性。而在高速通过长距离高频次的障碍物时，得益于轮胎较大的型变量和较快的回弹力，轮胎能够极大的降低车辆的抛离感，提升越野驾驶过程中的行驶稳定性。此外，由于轮胎在承受纵向冲击时拥有优秀的变形和回弹性能，所以在低附着力的越野路面条件下，通过支撑结构的变形可以大幅度的增加胎面与地面的接触面积，提升轮胎的附着力，在胎面与地面的接触部分形成一小块小小的履带效应，帮助车辆脱困。

其次，当横向受到冲击载荷时，轮胎外部受力与支撑结构受力的作用方向一致，此种受力导致其网状结构间的间隙失效，最终轮胎主要是网状支撑结构来支撑，轮胎横向的型变量变小，提高轮胎的侧偏刚度，继而提升车辆的侧向支撑，保证操控稳定性。同一规格的轮胎，可呼吸轮胎的重量轻于普通轮胎11%（例：碳纤、芳纶复合材料）。

对于车辆轮胎而言，除了簧下质量对驾乘舒适性有影响的同时，纵向刚性的好坏也影响到了驾乘的舒适性，而横向刚性的好坏则直接影响到操控稳定性。这也就是高性能的街道跑车往往愿意选择低扁平比的轮胎，而越野车又亲睐于高扁平比轮胎的原因所在。一个注重于横向刚度以提升高速过弯时的侧向支撑，提高过弯极限；而另一个则注重于纵向刚度以保证越野过程中的舒适性，也提升轮胎在越野过程中的寿命。

本文中的可呼吸防爆轮胎由于可以直接安装在轮毂和钢圈上的结构，再配合上高强度复合材料作为主要的受力部分，从而组成其特殊的结构，相比于传统轮胎的组合，安装可呼吸不爆安全轮胎的车辆在高速直行和急速过弯都可以完美的达到其所需要的力学原理。

同时在经济性方面，可呼吸防爆轮胎由于在结构上将胎侧和胎面完全分离开来，所以在胎面的设计上可以更为大胆的运用低滚阻的橡胶配方。而且由于轮胎结构的简化，我们的轮胎在运动过程中由于轮胎反复变形带来的能量损失被大幅度的减小，继而达到提升车辆燃油经济性的效果。更加重要的是可呼吸不爆轮胎在运动过程运作较为稳定，又因不考虑轮胎在舒适上的橡胶配比，因此我们可以在胎面的配比上可增加耐磨的材料，这导致轮胎胎面的耐磨程度是普通轮胎的3倍以上。

2 力学技术原理

可呼吸不爆安全轮胎，在胎面内层是整个轮胎的受力承压环，承压环在辐条作用下均匀受力，当承压环所受内力、剪力、弯矩的情况下，就内力、剪力、弯矩及承压环内的辐条支撑纵面刚度的获取，我们用运固体力学里的弹性和结构两种力学方法，来计算出承压环在均匀受压时的三种力及辐条支撑纵面受力刚度进行论述。

2.1 弹性力学分析（参照造桥铰拱原理）

轮胎可视为一个有厚度的圆（图2），半径a，厚度外的半径b，厚度内壁受力p1，厚度外受力p2。为了更加方便的分析轮胎的力学性能，取一个图2（b）圆微单位体进行具体分析，其具体的力学计算如下：

对于承压环在受力的情况下，控制制作承压环材料的刚度、模量、力学性能均是设计的最主要的因素，因此我们轮胎的承压承重环（无铰拱）的力学分析决定我们可呼吸不爆轮胎的载重及舒适度（具体数据我们需综合考虑）。

3 轮胎路面行驶实验及数据

可呼吸不爆安全轮胎在行驶30公里过程中路面复杂，还有人为的设障如破胎器、可戳穿轮胎的大长钉。首先将车辆轮胎换成可呼吸不爆安全轮胎以时速40公里的速度行驶，第一经过的是人为设障破胎器、可戳穿轮胎的大长钉组成的路段，经过时，车内驾驶人员听见破胎器与大长钉刺穿轮胎时与胎面橡胶发出的咯吱咯吱的声音，此时下车检查发现由于可呼吸不爆安全轮胎的镂空结构，我们看到的是部分破胎器与大长钉扎在胎面，而轮胎完好无损，毫无瘪塌的现象，我们继续前行，在经过减速带及由砖块设置的高坎，在车辆时速40公里的速度行驶，车辆平稳，震动较小，柔和舒适，从过障时的照片可以看到（如图1b所示），车辆在过障时可呼吸不爆安全轮胎胎面呈现凹面，接下来车辆按时速60公里的速度行驶20公里，且经过人为的破胎器、大长钉、减速带、高坎等人为路障，在20公里未停的行驶过程中驾乘人员体验到的噪音与普通轮胎不分上下，由于手工制作在工艺上与机器制作实有差距，为安全实验的前提下，我们一次20公里测试，共测试了680公里的距离。

4 结论及展望

本文设计的可呼吸不爆安全轮胎是一种具有特殊的结构组成和巧妙力学应用的新型创新型轮胎，其具有免维护、免爆胎、免泄露和成本低等优异性能。基于以上的优异性能，此种可呼吸不爆安全轮胎不仅可以满足普通轮胎市场的需求，同时在其他的一些特殊领域也可以得到更加显著地应用，例如：国防军事特种车辆、特殊作业车辆及高载量要求车辆等。可呼吸不爆安全轮胎这种新型轮胎技术的创新，对于未来的轮胎市场具有非常显著地影响，极大地增强了轮胎技术产业的发展。在未来这种不爆轮胎的技术发展，其研究的重点主要集中于新型材料的选择和提升，记忆性材料应用有可能使轮胎在行驶的过程中，遇物体或生命物种时会，瞬间形成凹陷面，从而使物体或生命物种受伤害的程度达到最低，由此实现轮胎发展成为记忆性让物安全轮胎。

参考文献：

[1]朱由锋，王泽鹏，薛风先.智能轮胎技术的发展现状及前景[J].橡胶工业，2005，52（2）：114-117.

[2] 庄继德.现代汽车轮胎技术[M].北京理工大学出版社，2001.

[3]张仲志，吕建刚，宋彬.非充气轮胎技术的分析与展望[J].轮胎工业，2014，34（9）：523-527.

[4]董玉芬，许再宏，张丽等.仿生学蜂窝轮胎，CN：102501728AP.2012.

[5]徐立.新型免充气轮胎发展现状[J].轮胎工业，2015，35（11）：643-653.

[6]夏涛.一种新型高效防爆轮胎，ZL201310019015.8.2013.

[7]卢伟煌.基坑支护圆环受力分析[C]// 建筑结构学术会议.2011：1-2.