越野车新型安全防爆轮胎的设计

王新博，刘双燕，王迪，崔洪杰，赵文明

(泰安航天特种车有限公司技术中心，山东泰安 271000)

0 引言

随着现代化建设的推进，我国已建成规格齐全的轮胎工业体系，发展成世界轮胎生产大国，并获得了一系列创新性的国际前沿技术。子午胎已实现无内胎、宽断面、扁平化，并通过了高速、高载考验，达到世界先进水平。近年来，更多安全、节能、环保轮胎正稳步走向国际市场。大宽度、大内径、较大扁平比轮胎成为汽车轮胎发展的潮流，因其胎壁短，胎面宽阔，接地面积大，附着力强，能保持较好的行驶稳定性和较小的摩擦，所以能承受更大的压力，转弯时侧向抵抗能力强，对路面反应灵敏，有利于减震和提高车速,车辆操控更平稳。

工程机械车辆如装载机、推土机、挖掘机、平整土地机、压路机和石方作业机等，行驶速度不高，但使用的路面条件和载荷性能要求苛刻，其轮胎主要采用斜交胎结构。重型越野汽车轮胎通常轮辋直径在45.72～60.96 cm(18～24英寸)，断面宽度17.78 cm(7英寸)以上,由于其行驶路况复杂，有碎石路、泥泞路、冰雪路等，行驶速度一般不超过80 km/h。特种车辆轮胎例如炮车轮胎、装甲车轮胎、沙漠轮胎、防爆车辆轮胎等，由于车辆载荷大，路况复杂，环境恶劣，对轮胎除了可靠性及使用寿命外还会有特殊要求。

1 防爆轮胎的理念

轮胎有充气轮胎和非充气轮胎[1-2]，充气轮胎因其内胎富有弹性而获得承载和缓冲能力，但其需要保持足够的气压，缺乏防爆能力。充气轮胎分为低压胎和真空胎：低压胎有内胎，多用于普通汽车和摩托车；真空轮胎没有内胎，外胎兼起了内胎的作用，多用于轿车和轻型车。真空轮胎是法国米其林轮胎公司在1959年推出的，胎内壁紧贴一层内膜令车胎在高速运转时不易聚热，内膜有一层密封自粘层，轮胎受到钉子等尖锐物穿破后不易立即泄完气，可使汽车继续行驶一段距离。但缺气行驶状态下轮胎下沉量增大，与地面摩擦剧烈，胎温急剧上升，容易爆裂。而非充气轮胎具有耐磨耐扎防爆的特点[3-4]，可在高负荷下使用，但实心轮胎一般硬度较大，缺乏柔性，舒适性差[5]。

2 设计与仿真

为适应全方位立体运输的要求，保障电子设施安全平稳运输[6-8]，现设计开发一种新型网络防爆轮胎，以满足电子设备载车行驶路况复杂、平稳性要求高的特殊工作要求，实现行驶过程安全舒适，仪器工作正常。该新式轮胎采用在轮辋上固定焊接网状弹性支撑体代替充气轮胎内胎获得承载和缓冲能力以增强轮胎柔韧性，减轻轮胎自身重力。该轮胎具有实心轮胎耐扎、耐磨且承载性能高的特性，也具备充气轮胎富有弹性、舒适性好的特点。它主要包括胎体、网状弹性支撑体、轮辋等三部分，其结构如图1所示。

图1 防爆轮胎结构示意

充气轮胎气压在载荷变化时会产生变形和回弹，以保持足够的柔性，保证行驶平稳性和舒适度。而网络防爆轮胎则是通过网状弹性支撑体的弹性来保证轮胎的柔性。网状弹性支撑体被设计为两种长度以实现二级变刚度：长的网状弹性支撑体，金属丝直径0.8 mm，圆柱茎外直径13 mm，从根部到球冠长度255 mm，球冠外直径60 mm；短的网状弹性支撑体，金属丝直径0.5 mm，圆柱茎外直径13 mm，从根部到球冠长度195 mm，球冠外直径60 mm，相邻圆柱茎所张圆心角为6°。结构设计如图2所示，金属丝材料为高韧性、高强度的合金材料，这样在变形较大时，刚度也变大，既能保证柔性，又能保证其承载能力。空腔内填充新型膨化材料，固定弹性支撑体并提供匹配阻尼的作用，细小空腔壁依据仿生学原理采用抗变形的鸡蛋外形，并能获得一种负泊松比[9]。

对轮胎建立有限元模型并做仿真计算得到轮胎的弹性变形[10]，载荷为75 kN时，位移云图如图3所示。

图3 75 kN载荷下轮胎位移云图

并做四级载荷变形量的对比，载荷为100 kN时的位移及应力云图如图4所示，最大变形量为48.2 mm。

图4 100 kN载荷下轮胎的位移及应力云图

载荷为140 kN时的位移及应力云图如图5所示，最大变形量为67.7 mm。

图5 140 kN载荷下轮胎的位移及应力云图

载荷为180 kN时的位移及应力云图如图6所示，最大变形量为87.2 mm。

载荷为200 kN时的位移及应力云图如图7所示，最大变形量为97 mm。

图6 180 kN载荷下轮胎的位移及应力云图

图7 200 kN载荷下轮胎的位移及应力云图

计算结果表明轮胎满足柔性及强度要求。

3 试验验证

由技术、研发、质检、生产等部门协作组织试验，对轮胎外观、外缘尺寸、轮胎质量、X光射线检验、轮胎的强度、耐久、高速以及耐环境温度、盐雾试验进行鉴定检验，并随车记录相关数据。防爆轮胎鉴定试验流程如图8所示。

图8 防爆轮胎鉴定试验流程

试验要求如下：

3.1 装车鉴定试验

试验车辆满载状态，单轮静载不小于50 kN。

3.2 高速持续行驶试验

以85 km/h速度持续行驶6 h。

3.3 制动距离试验

车辆以30 km/h的初始速度行驶，并以最大减速度制动停车，测量制动距离并检查跑偏情况。

3.4 越障试验

按GB/T12541-1990的规定进行通过垂直障碍物试验。

3.5 耐环境温度试验

汽车分别在高寒(不低于-40 ℃)地区和高温地区(不高于60 ℃)行驶。

3.6 盐雾试验

汽车在盐碱地区行驶后，轮胎不得有被腐蚀现象且性能正常。

3.7 测试测量要求

钢板尺和金属卷尺(不带弧度)：公差±1 mm；游标卡尺：公差±0.1 mm；花纹深度尺：公差±0.02 mm。

3.8 转鼓试验机

试验机转鼓鼓面为平滑的钢质面,其宽度大于等于试验轮胎的断面总宽度，速度能力满足试验要求，速度精度0～2 km/h，径向跳动量不大于0.25 mm。试验加载装置的精度为满量程的±1.5%，加载能力满足试验要求。

4 结束语

新型网络防爆轮胎既保持了充气轮胎的高弹性，又具有防爆免充气性能，避免了普通实心轮胎较大的簧下质量及驻波现象，符合现代化精密仪器运输对轮胎的新要求。