基于三维点阵材料的免充气轮胎设计*

张甲瑞，苏洪明，谭千雄，张知华

基于三维点阵材料的免充气轮胎设计*

张甲瑞，苏洪明，谭千雄，张知华

（重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆 401520）

根据当前国内外典型免充气轮胎的结构性能和优缺点，结合三维点阵材料设计了一款新型免充气轮胎，为解决目前免充气轮胎在汽车上实用性低提供一种全新思路，为新能源汽车发展及未来智能汽车发展在汽车零部件选用上提供更多的可能。

免充气轮胎；三维点阵材料；立体菱形

引言

免充气轮胎的出现最早是为了某些特殊行业（比如军用和采矿行业）应用的汽车轮胎因为无法承受反复撞击出现爆胎而丧失性能的问题，但是在民用轿车运用较少，但是随着车速的提升及车辆使用环境的扩展，家用车对轮胎性能的要求也在不断提高。

1 免充气轮胎国内外发展现状

由于充气性的特点和橡胶材料固有的特性，提升充气轮胎安全性能的空间毕竟有限，轮胎一旦失去气压，性能就会急剧下降[1]；而免充气轮胎设计的结构免维护、安全性好；与现有的缺气轮胎相比，容易更换、重量轻、成本低[2]。因此，国内外对免充气轮胎的研究和开发一直都在进行。最具代表性的免充气轮胎是法国米其林公司的TWEEL[3]和美国固铂公司研发的蜂巢结构轮胎。

1.1 免充气Tweel轮胎

2005年法国米其林公司生产的免充气Tweel轮胎在奥迪A4上的测试使用获得巨大成功，一时间免充气轮胎获得极大的关注。米其林公司提出TWEEL辐条状轮胎（如图1），在奥迪A4上进行了装配测试，TWEEL与当时的汽车配套充气轮胎在承载能力、减震性能、行驶平顺性、滚动阻力、燃油消耗水平和质量等方面接近，但操控性能更佳[1]。该轮胎在免充气轮胎研发史上具有重要里程碑意义。但是当时的TWEEL在设计上还有一些局限性问题没有解决：（1）材料方面，主要涉及辐条的弯曲应力、剪切粱的剪切分布和剪切粱周向剪切力的滞后损失，如图2；（2）行驶时的滚动阻力较大；（3）高速行驶时辐条寿命缩短且发出强烈的噪声[1]。

图1 TWEEL辐条状轮胎

图2 TWEEL辐条状轮胎受力表现

TWEEL轮胎的主要问题在于辐条材料问题，车轮负荷完全由上半部分辐条产生的张力来承担[1]。要求其材料弹性与疲劳寿命必须良好，而车辆加速行驶时发出的噪声也是辐条发出的，因为其轮胎没有反冲吸能架构。

1.2 蜂巢结构免充气轮胎

在现有为数不多的免充气轮胎中，蜂巢结构轮胎（如图3）应用仿生原理，以蜂巢状六边形结构替代轮胎充气部分具有与普通充气轮胎相当的支撑和减振作用[4-5]，蜂窝结构免充气轮胎在完全战斗负荷下行驶里程超过8000km，在受到子弹射击后仍能行驶，且蜂窝网结构毁坏达30%的情况下继续使用[1]，这种免充气轮胎的力学性能指标优于普通充气轮胎而普通充气轮胎常因无法承受反复撞击而丧失性能，从而影响工作任务的进行。

图3 蜂窝结构轮胎

图4 蜂窝状免充气轮胎运用在军用战车上

蜂窝结构轮胎，结构设计灵感源于大自然结构稳定，其高分子材料研制成本较高，其目的是为美国军用战车的防弹性能、野战性能、战场表现设计，目前仅限于在美国军方运用（如图4）蜂窝状免充气轮胎运用在军用战车上，目前没有运用在家用轿车上。

目前国内免充气轮胎的研究尚无太多踪迹可寻，江苏江昕轮胎有限公司发明了一项免充气空心轮胎，但都只是运用在自行车、电动自行车、电动代步车等一些小型车上面。

2 立体菱形式免充气轮胎

受蜂窝轮胎结构启发，作者在研究新型三维点阵结构时，产生了将新型三维点阵材料应用于免充气轮胎的想法，为此设计出了一款新型免充气轮胎——立体菱形式免充气轮胎。

该轮胎相比国内外免充气轮胎首次采用了立体菱形结构作为其核心部件，并使用复合材料采用绝无仅有的编织方式完成该核心部件制作。从轮胎结构到材料选取，从成型工艺到力学特性，该轮胎都表现出了独一无二的一面。

该免充气轮胎兼具复合材料和三维点阵材料特性，其结构稳定大大提升了轮胎道路表现性能，在受到压力与障碍时表示会十分出色。同时，其吸能、减震等特点也大大提升了驾乘人员的舒适性和安全性。

2.1 立体菱形式免充气轮胎结构

立体菱形式免充气轮胎结构示意图如图5所示，其结构主要包括轮辋、立体菱形轮辐、胎面。立体菱形轮辐为此轮胎核心部件，采用高性能复合材料编制而成，具有独特的加工工艺，具有轻质、高比强度、高比刚度、减震吸能抗冲击等优点。

图5 立体菱形式免充气式轮胎

2.2 设计思路及研究内容

（1）搜集资料，研究整理目前国内外免充气轮胎技术现状，对比分析现有免充气轮胎优缺点。

（2）根据所掌握资料研究新型免充气轮胎结构，确定本作品以“轮辋-轮辐-胎面”三结构的形式呈现。

（3）设计轮辋结构：轮辋结构形式以“新颖、动感、时尚”为主题，如图5所示。

（4）设计立体菱形轮辐结构：立体菱形轮辐为此作品核心部件，其决定了该轮胎的综合性能，为此借鉴三维点阵材料结构形式，设计出如图6所示立体菱形结构。

（5）运用三维建模软件——CATIA对轮胎以上各结构进行建模设计，验证设计可行性。

（6）轮胎各部分材质的确定：立体菱形轮辐作为该轮胎主要支撑和减震架构，拟采用新型复合材料（如玻璃纤维、碳纤维等）编制而成，编制后经固化处理与轮辋和胎面固定在一起，轮辋与胎面采用常规材料。

图6 新型立体菱形结构

（7）轮胎力学性能的确定：拟采用试验方法完成该新型免充气轮胎的性能分析，编制出立体菱形轮辐样品，进行力学实验。

（8）完成整个轮胎样品制作，根据需求安装在相关车体上进行装车试验。

2.3 技术关键和主要技术指标

（1）立体菱形结构示意图如图7所示，由图可知，立体菱形轮辐的性能受以下几点影响：

①菱形结构角度α和β；

②菱形杆长L；

③线径φ。

图7 立体菱形结构示意图

以上参数影响单个立体菱形结构的力学性能，从而影响整个轮胎性能，因此需要经过试验验证选取最优值。

（2）立体菱形结构的单层个数和层数（见图6）影响轮胎力学性能和偏平率。

（3）立体菱形结构的编织，前期以手工编织为主，后期应开发机械编织工艺，并在编织时规范编织工艺，从而保证单个立体菱形结构一致性，避免出现因立体菱形个体差异而影响整个轮胎性能。

（4）胎面、立体菱形轮辐、轮辋三者固定在一起的方法需要进一步研究论证。

3 小结

新型免充气轮胎在经济性、环保性、安全性和行驶平顺性等方面优于普通充气轮胎或者实心轮胎，其性能特点符合社会发展主题，必将对未来轮胎与汽车设计制造技术发展产生影响。本文是作者在研究三维点阵材料期间开发的该材料的应用案例，目前处于样品试制阶段，更多的内容需要后续更加深入的研究，才能使其实际应用成为可能。

[1] 徐立.新型免充气轮胎发展现状[J].轮胎工业,2015,35.

[2] 一种空间桁架式免充气轮胎.橡胶技术与装备（橡胶）.

[3] 王若云,贺建芸,丁玉梅,等.蜂巢式塑料轮胎力学性能研究[J].工程塑料应用,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] 张仲志,吕建刚,宋彬,等.非充气轮胎技术的分析与展望[J].轮胎工业,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

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1671-7988(2019)18-54-03

张甲瑞（1984-），男，重庆工商职业学院讲师/工程师，硕士研究生，就职于重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，主要从事新材料研究及其在汽车上的应用开发工作。

重庆市教委科学技术研究项目（KJQN201804007）资助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.019