CN107116973B - 一种梯度弹性非充气轮胎 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种梯度弹性非充气轮胎，包括支撑结构和环形带；所述环形带表面固定胎面；所述环形带由方形网格围绕构成；所述支撑结构包括内固定环、梯度弹性轮辐和外固定环，所述内固定环安装在车轮轮辋外侧，所述外固定环安装在环形带内侧，所述梯度弹性轮辐在内固定环和外固定环之间；所述梯度弹性轮辐包括刚性层和柔性层，所述刚性层的径向结构刚度大于柔性层的径向结构刚度；刚性层和柔性层在轮胎径向方向间隔分布，刚性层数大于柔性层数；所述柔性层的径向结构刚度沿轮胎径向直径的递减而增加。本发明通过设置柔性层和刚性层，使非充气轮胎变形时整体呈现较低的应力水平，有利于提高非充气轮胎的使用寿命，而且能获得优异的抓地能力。

Description

一种梯度弹性非充气轮胎
技术领域
本发明涉及轮胎领域，特别涉及一种梯度弹性非充气轮胎。
背景技术
自从充气轮胎出现，尤其是子午线轮胎出现以来，轮胎结构不断改善，性能趋于完善。充气轮胎能支撑载荷、吸收路面振动，且具有一些显著的优点：接地压力较低、滚动阻力较低且噪声比较小，已经广泛应用于各种车辆。但充气轮胎由于其结构原因，又存在着不可避免的缺点，比如，制造工艺复杂、需消耗大量的天然橡胶、需要维持一定的充气压力，且存在着爆胎的危险。
综合考虑充气轮胎的各种性能，目前已有多种新型非充气轮胎问世。
专利CN101687433B提出一种基于拉伸力的非充气轮胎，用于在拉伸力下支撑负载。该发明提出的非充气轮胎，只是从整体上考虑应力的总量，而未能考虑局部结构的应力集中，缺少对应情况下的应对方案。专利CN102398474B提出了一种实心轮胎，该发明突出实心轮胎的缓冲作用，但在承受载荷后并不能即是恢复到其原始形态，这对轮胎的抓地能力非常不利。专利CN104995036A公开了一种非充气轮胎，该发明中车轮内外部分结构刚度不同，是对车轮整体的要求，而未对车轮内局结构部作具体的要求，无法应对车轮变形时的产生的应力集中问题。
在上述多种非充气轮胎中，分别提出运用不同结构和材料进行设计的非充气轮胎，但目前的设计中，非充气轮胎结构不尽完善或者结构过于复杂，而本发明的非充气轮胎结构简单，易于制造，并且可以获得较好的抓地性能。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种梯度弹性非充气轮胎，通过设置柔性层和刚性层，合理分布梯度弹性轮辐中应力分布，使非充气轮胎变形时整体呈现较低的应力水平，有利于提高非充气轮胎的使用寿命，并降低轮胎滚动过程中的能量损耗。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种梯度弹性非充气轮胎，包括支撑结构和环形带；所述环形带表面固定胎面；所述环形带由方形网格围绕构成；所述支撑结构包括内固定环、梯度弹性轮辐和外固定环，所述内固定环安装在车轮轮辋外侧，所述外固定环安装在环形带内侧，所述梯度弹性轮辐在内固定环和外固定环之间；所述梯度弹性轮辐包括刚性层和柔性层，所述刚性层的径向结构刚度大于柔性层的径向结构刚度；刚性层和柔性层在轮胎径向方向间隔分布，刚性层数大于柔性层数；所述柔性层的径向结构刚度沿轮胎径向直径的递减而增加。
进一步，所述刚性层由筋板构成；所述柔性层由首尾相连的筋板构成波浪形；所述波浪形的柔性层设有波峰和波谷，所述波峰为在当前柔性层中距轮胎圆心距离最小的端点；所述波谷为在当前柔性层中距轮胎圆心距离最大的端点；所述波峰和波谷分别与刚性层的筋板连接。
进一步，所述刚性层的径向结构刚度不小于柔性层的径向结构刚度的10倍。
进一步，所述刚性层的筋板或柔性层的筋板均为板状结构或由纤维材料编制成的膜状结构；所述刚性层的筋板或柔性层的筋板的中面位置设加强层，所述加强层由高强度纤维的材料组成或者由等间隔平行排布的纤维帘线组成。
进一步，柔性层中首尾相连的所述筋板之间的夹角不小于90°。
进一步，所述刚性层包括第一刚性层、第二刚性层和第三刚性层；所述柔性层包括第一柔性层和第二柔性层；所述第一刚性层和第三刚性层的筋板按周向分布，且互不连接；所述第一刚性层的筋板的一端与内固定环连接，另一端与所述第一柔性层的波峰连接；所述第三刚性层的筋板的一端与外固定环连接，另一端与所述第二柔性层的波谷连接；所述第二刚性层由倒V型筋板组成，所述倒V型筋板的顶角与所述第一柔性层的波谷连接，所述倒V型筋板的两个底脚分别与所述第二柔性层的两个相邻的波峰连接。
进一步，所述第一刚性层和第三刚性层的筋板周向分布的角度小于30°。
进一步，所述第二刚性层的倒V型筋板的夹角小于90°。
进一步，所述第三刚性层中的筋板数量是第一刚性层中的筋板数量的整数倍，且倍数不少于2；所述第二柔性层的波浪形的周期为Td，所述第一柔性层的波浪形的周期为Tb，Td：Tb≥2。
进一步，所述第一柔性层中筋板的厚度大于第二柔性层中筋板的厚度，但小于第二柔性层的筋板厚度的2倍。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的梯度弹性非充气轮胎，通过设置柔性层和刚性层，合理分布梯度弹性轮辐中应力分布，使非充气轮胎变形时整体呈现较低的应力水平，有利于提高非充气轮胎的使用寿命，并降低轮胎滚动过程中的能量损耗。
2.本发明所述的梯度弹性非充气轮胎，通过设置两层径向刚度不同的柔性层，可以实现轮胎在变形过程中，轮胎径向刚度随轮胎变形量增加而增加，使轮胎在受到冲击时具有较好的缓冲效果。
3.本发明所述的梯度弹性非充气轮胎，通过设置两层径向刚度不同的柔性层，并合理设计刚性层中板状结构的数量，使本发明的非充气轮胎接地时，接地压力均匀分布，且接地印痕较长，由此获得优异的抓地能力。
附图说明
图1为本发明所述的梯度弹性非充气轮胎等轴侧视图。
图2为本发明所述的梯度弹性轮辐局部放大视图。
图3为本发明所述的梯度弹性非充气轮胎一个实施例在有限元仿真中，固定路面，轮胎下沉量为20mm时，轮胎变形后的形状及应力分布。
图4为本发明所述的梯度弹性非充气轮胎一个实施例在有限元仿真中，固定路面，轮胎下沉量为20mm时，轮胎接地区域压力分布曲线。
图5为本发明所述的梯度弹性非充气轮胎一个实施例在有限元仿真中，固定路面，轮胎下沉量最大达到40mm时，单位厚度的轮胎产生的载荷-位移曲线。
图中：
2-支撑结构；21-内固定环；22-梯度弹性轮辐；22a-第一刚性层；22b-第一柔性层；22c-第二刚性层；22d-第二柔性层；22e-第三刚性层；23-外固定环；3-环形带；4-胎面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种梯度弹性非充气轮胎，包括支撑结构2和环形带3；所述环形带3表面固定胎面4；所述环形带3由方形网格围绕构成；环形带3由方形网格围绕构成，通过铸造或者3D打印的方式，环形带3可以一体地形成。所述支撑结构2包括内固定环21、梯度弹性轮辐22和外固定环23，所述内固定环21安装在车轮轮辋外侧，所述外固定环23安装在环形带3内侧，所述梯度弹性轮辐22在内固定环21和外固定环23之间；所述梯度弹性轮辐(22)包括刚性层和柔性层，所述刚性层的径向结构刚度大于柔性层的径向结构刚度；刚性层和柔性层在轮胎径向方向间隔分布，刚性层数大于柔性层数；优选所述刚性层的径向结构刚度不小于柔性层的径向结构刚度的10倍。所述柔性层的径向结构刚度沿轮胎径向直径的递减而增加，即靠近内固定环21的柔性层的径向结构刚度大于远离内固定环21的柔性层径向结构刚度。本发明通过设置柔性层和刚性层，且所述刚性层的径向结构刚度大于柔性层的径向结构刚度，并合理分布梯度弹性轮辐中应力分布，使非充气轮胎变形时整体呈现较低的应力水平，有利于提高非充气轮胎的使用寿命，并降低轮胎滚动过程中的能量损耗。
如图2所示，所述刚性层由筋板构成；所述柔性层由首尾相连的筋板构成波浪形；柔性层中首尾相连的所述筋板之间的夹角不小于90°；所述波浪形的柔性层设有波峰和波谷，所述波峰为在当前柔性层中距轮胎圆心距离最小的端点；所述波谷为在当前柔性层中距轮胎圆心距离最大的端点；所述波峰和波谷分别与刚性层的筋板连接。所述筋板为板状结构或由纤维材料编制成的膜状结构；所述筋板的中面位置设加强层，所述加强层由高强度纤维的材料组成或者由等间隔平行排布的纤维帘线组成。通过设置两层径向刚度不同的柔性层，可以实现轮胎在变形过程中，轮胎径向刚度随轮胎变形量增加而增加，使轮胎在受到冲击时具有较好的缓冲效果。
图2所示，所述刚性层包括第一刚性层22a、第二刚性层22c和第三刚性层22e；所述柔性层包括第一柔性层22b和第二柔性层22d；所述第一刚性层22a和第三刚性层22e的筋板按周向分布，且互不连接；所述第一刚性层22a和第三刚性层22e的筋板周向分布的角度小于30°。所述第一刚性层22a的筋板的一端与内固定环21连接，另一端与所述第一柔性层22b的波峰连接；所述第三刚性层22e的筋板的一端与外固定环23连接，另一端与所述第二柔性层22d的波谷连接；所述第二刚性层22c由倒V型筋板组成，所述倒V型筋板的顶角与所述第一柔性层22b的波谷连接，所述倒V型筋板的两个底脚分别与所述第二柔性层22d的两个相邻的波峰连接。所述第二刚性层22c的倒V型筋板的夹角小于90°。
图2为本发明的梯度弹性非充气轮胎的梯度弹性轮辐22的具体实施例：所述第一刚性层22a的筋板与所述第一柔性层22b的波峰的夹角为108°；所述第二刚性层22c的倒V型筋板的夹角为68°，所述第三刚性层22e的筋板与所述第二柔性层22d的波谷的夹角为119°。
按照刚性层的径向结构刚度大于柔性层的径向结构刚度，由此选取柔性层和刚性层所采用的材料，第一刚性层22a、第二刚性层22c和第三刚性层22e中筋板采用弹性模量较大、几乎线性的工程塑料制造，比如聚碳酸酯(PC，弹性模量2.7GPa)；所述第一柔性层22b和第二柔性层22d中筋板采用弹性模量较小且具有超弹性特性的聚合物制造，比如聚氨酯(PU，等效弹性模量约为5MPa)。所述第一柔性层22b中筋板的厚度大于第二柔性层22d中筋板的厚度，但小于第二柔性层22d的筋板厚度的2倍，本实施例的支撑结构2中，设H代表结构板的厚度，H(22b)：H(22d)≈7:4。
所述第二柔性层22d的波浪形的周期为Td，所述第一柔性层22b的波浪形的周期为Tb，Td：Tb≥2。因为第二柔性层22d中筋板数量大于第一柔性层22b中筋板数量，一方面是为了限定两层柔性层中单个筋板长度关系。因为第二柔性层22d的径向结构刚度小于第一柔性层22b的径向结构刚度，如果两层柔性层中的筋板长度相同，那么轮胎变形时，在一定的载荷下，第二柔性层22d的径向变形量将会明显大于第一柔性层22b的径向变形量，这是应该避免发生的。为此，通过两层柔性层中波浪形的周期不同，保证第二柔性层22d中筋板长度小于第一柔性层22b中筋板长度，使两层柔性层在轮胎变形时的径向变形量不会相差过大。
所述第三刚性层22e中的筋板数量是第一刚性层22a中的筋板数量的整数倍，且倍数不少于2；为了方便设计和调整三层刚性层筋板的数量。三层刚性层中，第一刚性层22a主要作用是连接、支撑第一柔性层22b，所以第一刚性层22a中的板状结构可以设置为数量少、间隔远、形状粗大，以此节省材料；而第三刚性层22e，不仅要支撑第二柔性层22d，而且对其外侧的外固定环23产生作用力。如果第三刚性层22e中筋板间隔较大，则其中单个筋板内部承受较大的压缩力，其作用力将会较为容易地透过其外侧的所有结构(外固定环23、环形带3和胎面)，作用到路面，直观体现就是接地压力分布不均匀，接地压力中出现的多个峰值则对应第三刚性层22e中筋板的位置。所以，有必要使第三刚性层22e中板状结构间隔较小，即为增加其数量。
本发明的梯度弹性非充气轮胎的梯度弹性轮辐22的具体实施例中，以N(刚性层或柔性层)表示相应层中筋板数量，则有N(22a)：N(22b)：N(22c)：N(22d)：N(22e)＝1:2:2:4:2。
如图3所示，用有限元方法对本发明的一个实施例构建二维模型，进行力学特性仿真。仿真中，路面(图中未示出)固定不动，轮胎的支撑结构内固定环21整体下沉20mm，结果显示，由于刚性层的径向结构刚度大于柔性层的径向结构刚度，轮辐结构22中的刚性层的筋板变形很小，而第一柔性层22b和第二22d中筋板产生较大的弯曲。由于刚性层采用较硬的材料，而柔性层采用较软的材料，轮辐结构中应力集中出现在第一刚性层22a和支撑结构内固定环21的连接位置，其材料都为聚碳酸酯(PC)，应力大小为29.3MPa，小于材料的屈服应力81MPa；其中采用聚氨酯(PU)的柔性层中最大应力仅为11MPa，出现在筋板之间的连接位置。环形带中最大应力为49.1MPa，出现在轮胎接地边缘位置，分布较为均匀，且小于设定的最大应力60MPa。从结果上看，轮辐结构中整体呈现较低的应力水平，局部的应力集中的数值也在可以接受范围内。较低的应力水平有利于提高轮胎的使用寿命，而且减少轮胎使用过程中的生热量，进一步地降低轮胎滚动过程中的能量损耗。
图4显示的是本发明的一个实施例的非充气轮胎在产生20mm下沉量时的接地压力分布情况。按照本实施例所设定的结构参数，由于靠第一柔性层22b的径向结构刚度大于第二柔性层22d的径向结构刚度，而第一柔性层22b的筋板长度大于第二柔性层22d的筋板长度，两层柔性层的径向变形量差别不大；由于第三刚性层22e中筋板数量是第一刚性层22a中筋板数量的2倍，且在接地范围内压力分布较为均匀；另外，轮胎下沉20mm时接地长度已经达到109mm，相对比较长。目前对轮胎抓地能力的评价并没有统一而量化的标准，影响轮胎抓地能力的因素主要为接地长度和接地压力分布均匀程度，而从本发明实施例的仿真结果上看，本实施例的非充气轮胎具有良好的抓地能力。
图5显示的是本发明的一个实施例的非充气轮胎在静态条件下的载荷-位移曲线，由于第一柔性层22b的径向结构刚度大于第二柔性层22d的径向结构刚度，轮胎中心位移小于20mm时，地面反力增长较慢，即轮胎径向刚度较小，此时第二柔性层22d发挥主要作用；位移大于20mm后，地面反力开始较快增长，即轮胎径向刚度变大，此时第一柔性层22b和变形的第二柔性层22d共同起作用。如此变刚度的性能表现，使轮胎受到冲击时变形不会过大，有利于提高轮胎在受到冲击时的缓冲效果，使本发明的非充气轮胎在受到过大载荷时也能保持一个合理的变形。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，包括支撑结构(2)和环形带(3)；所述环形带(3)表面固定胎面(4)；所述环形带(3)由方形网格围绕构成；
所述支撑结构(2)包括内固定环(21)、梯度弹性轮辐(22)和外固定环(23)，所述内固定环(21)安装在车轮轮辋外侧，所述外固定环(23)安装在环形带(3)内侧，所述梯度弹性轮辐(22)在内固定环(21)和外固定环(23)之间；所述梯度弹性轮辐(22)包括刚性层和柔性层，所述刚性层的径向结构刚度大于柔性层的径向结构刚度；刚性层和柔性层在轮胎径向方向间隔分布，刚性层数大于柔性层数；所述柔性层的径向结构刚度沿轮胎径向直径的递减而增加；
所述刚性层由筋板构成；所述柔性层由首尾相连的筋板构成波浪形；所述波浪形的柔性层设有波峰和波谷，所述波峰为在当前柔性层中距轮胎圆心距离最小的端点；所述波谷为在当前柔性层中距轮胎圆心距离最大的端点；所述波峰和波谷分别与刚性层的筋板连接。
2.根据权利要求1所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，所述刚性层的径向结构刚度不小于柔性层的径向结构刚度的10倍。
3.根据权利要求1所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，所述刚性层的筋板或柔性层的筋板均为板状结构或由纤维材料编制成的膜状结构；所述刚性层的筋板或柔性层的筋板的中面位置设加强层，所述加强层由高强度纤维的材料组成或者由等间隔平行排布的纤维帘线组成。
4.根据权利要求1所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，柔性层中首尾相连的所述筋板之间的夹角不小于90°。
5.根据权利要求1-2中的任一项所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，所述刚性层包括第一刚性层(22a)、第二刚性层(22c)和第三刚性层(22e)；所述柔性层包括第一柔性层(22b)和第二柔性层(22d)；所述第一刚性层(22a)和第三刚性层(22e)的筋板按周向分布，且互不连接；所述第一刚性层(22a)的筋板的一端与内固定环(21)连接，另一端与所述第一柔性层(22b)的波峰连接；所述第三刚性层(22e)的筋板的一端与外固定环(23)连接，另一端与所述第二柔性层(22d)的波谷连接；所述第二刚性层(22c)由倒V型筋板组成，所述倒V型筋板的顶角与所述第一柔性层(22b)的波谷连接，所述倒V型筋板的两个底脚分别与所述第二柔性层(22d)的两个相邻的波峰连接。
6.根据权利要求5所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，所述第一刚性层(22a)和第三刚性层(22e)的筋板周向分布的角度小于30°。
7.根据权利要求5所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，所述第二刚性层(22c)的倒V型筋板的夹角小于90°。
8.根据权利要求5所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，所述第三刚性层(22e)中的筋板数量是第一刚性层(22a)中的筋板数量的整数倍，且倍数不少于2；所述第二柔性层(22d)的波浪形的周期为Td，所述第一柔性层(22b)的波浪形的周期为Tb，Td：Tb≥2。
9.根据权利要求5所述的梯度弹性非充气轮胎，其特征在于，所述第一柔性层(22b)中筋板的厚度大于第二柔性层(22d)中筋板的厚度，但小于第二柔性层(22d)的筋板厚度的2倍。
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