CN110039957A - 一种安全绿色节能降噪非充气轮胎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，属于车辆结构设计与制造技术领域。轮胎包括轮胎本体结构、轮辋装配结构、轮辐支撑结构以及轮毂连接结构，轮胎本体结构可以由热塑性聚氨酯弹性体与石墨烯形成的复合材料制成，轮辋装配结构包括轮辋结构、燕尾凸起结构、V形凹槽结构和帘线结构组成。燕尾凸起结构以相互错开的“八字形”沿周向均匀分布于轮辋结构，V形凹槽结构沿周向均匀分布于所述轮辋结构表面的燕尾凸起结构，帘线结构沿周向缠绕于所述轮辋结构表面的所述V形凹槽结构内部并内嵌于轮胎本体结构，从而提升了所述轮胎本体结构与轮辋结构的装配稳固可靠性。本发明非充气轮胎可提升车辆行驶安全性能，简化传统橡胶制品的繁琐工艺流程。

Description

一种安全绿色节能降噪非充气轮胎

技术领域

本发明涉及一种新型高刚胎面安全绿色节能降噪非充气轮胎的结构设计与轮辋装配，特别是一种基于材料与结构刚柔耦合模型，采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料，并通过模塑成型和三维复印先进生产工艺实现高效制造的新型高刚胎面绿色节能降噪非充气电动乘用车轮胎的结构设计与轮辋装配，属于车辆结构设计与制造技术领域。

背景技术

轮胎作为汽车与地面接触的唯一部件，为汽车提供驱动、转向以及制动等各种运动所需的作用力，是保证汽车实现其各项操作的前提，同时也与汽车的燃油经济性、操纵稳定性、行驶安全性及乘坐舒适性等重要性能密切相关。近年来，汽车销量的增加刺激了轮胎的销售，但是随着2012年欧盟标签法规的正式实施，使得轮胎的性能更加透明，整个轮胎产业的发展也面临着众多制约因素，主要包括市场需求的变化、橡胶成本的上涨和出口环境的恶化等。于此同时，随着电动汽车领域的日趋发展，与之配套的轮胎配件也亟待得到发展与变革。与传统轮胎相比，具有高安全性能、低滚动阻力、高效成型制造、高效修补与维护、原材料支持循环利用等优点的新型轮胎，在行驶安全、整车操控、节能环保、生产效率、新材料、新工艺、用户体验等方面均凸显了巨大优势，无疑将是未来轮胎产品的发展新趋势。

虽然在车轮与橡胶融合后的近100年间轮胎技术有了很大的进步，但是目前乘用车轮胎产品仍然主要存在以下问题：首先，在传统设计理念中，轮胎除了需要满足基本承载要求还需要采用充气式的结构对整车起到减震作用，而这种充气式结构在特殊工况下极易因胎体破裂导致轮胎突然失去空气引发爆胎。有关统计数据显示，10％的高速公路交通事故由于轮胎故障引起，而其中爆胎一项就占轮胎故障引发事故总量的70％以上。此外，采用传统充气式设计理念时，为实现橡胶轮胎在整车中所发挥的减震性能，必将导致其在工况下需要满足较大的形变。从力学角度分析，这种过大的下沉量因破坏了理想车轮模型中的真圆度，增大了车轮运动中的翻转力臂，从而导致了运动中翻转力矩的增加、降低了能源转化效率，造成了能源的浪费。因此，就轮胎技术长远发展来看，其结构与设计理念的革新势在必行；其次，现有技术中的新型轮胎制造依然延续传统轮胎产品选用橡胶作为原材料，并分别通过密炼、半部件压延压出、成型和硫化四大工艺实现成品的生产与制造。然而，由于主要来源于三叶橡胶树的天然橡胶产量较少且成本较高，现阶段轮胎制造多采用人工合成橡胶作为主要原材料，然而这种合成橡胶材料复杂的物理性能与化学性能导致了橡胶制品工艺流程繁琐，制造周期较长，这也从根本上制约了目前轮胎产品的生产效率与投入产出；再次，随着社会物质水平的不断提高，驾乘舒适性也成为了目前轮胎产品结构设计的关键。传统设计理念中为实现轮胎在整车中所发挥的制动性能，轮胎胎面采取的横纵向花纹沟块设计所导致的轮胎振动与噪声问题愈发受到了广泛关注并在行业领域内被公认为技术研发亟待攻克的重点与难点问题；此外，目前轮胎产品的部件结构较为复杂，导致其维护效率及循环利用率较低。近年来，我国每年产生的废旧轮胎以8％至10％的速度递增，而回收利用率仅为50％左右，不符合资源可持续和环境友好型社会的发展愿景。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于结合绿色新型轮胎产品发展新趋势，提供一种新型高刚胎面安全绿色节能降噪非充气轮胎的结构设计与轮辋装配。首先，与现有技术中的新型轮胎相比较，提出了一种新型的轮胎设计理念，随着空气弹簧辅助减震技术在车辆悬架结构中的广泛应用，可将传统轮胎的减震性能移植于悬架系统。基于材料与结构刚柔耦合模型，轮胎采用非充气式结构设计方案，不仅从根本上消除了传统充气式轮胎在特殊工况下的爆胎隐患，大幅提升了车辆行驶安全性能，而且有效解决了传统设计理念中轮胎在承载和运动中过大下沉量因破坏理想车轮模型的真圆度，增大车轮运动中的翻转力臂，从而导致增加运动中翻转力矩、降低能源转化效率，造成能源浪费的弊端；其次，采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料取代传统人工橡胶材料，并通过模塑成型和三维复印先进生产工艺实现高效生产与制造。从根本上简化了传统橡胶制品的繁琐工艺流程，解决了其制造周期较长，生产效率较低与投入产出比较高等问题；再次，对现有轮胎设计理念进行了改进，随着车身空气动力制动装置可辅助改善车辆的制动性能技术的逐渐成熟，可将传统轮胎中的制动性能要求加以弱化。轮胎胎面则在满足一部分基本制动要求的条件下，采用简易平行四边形花纹设计方案，使沿所述轮辋结构周向分布的相邻两组花纹块在胎面的轴向首尾重叠，简化了注塑成型工艺的模具设计并控制了制造成本，有效避免了运动过程中简易花纹所引起的振动，同时高刚度胎面也很大程度上解决了传统轮胎因形变而产生的噪声问题；此外，不同于传统轮胎的复杂结构，本发明的高刚胎面绿色节能降噪非充气轮胎本体结构由采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料的单一部件组成，更加便于产品的修补与维护。由于原材料支持再生利用，因而显著提高了成品轮胎原料的使用寿命，从根本上解决了化工产品废弃物所导致的环境污染问题；最后，对现有轮辋结构进行了改进，通过设置燕尾凸起结构和V形凹槽结构使其轮辋结构装配模式更加符合上述新型轮胎的设计理念，从而提高了所发明新型轮胎的可行性与适用性。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题采用如下方案：一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，包括轮胎本体结构、轮辋装配结构、轮辐支撑结构以及轮毂连接结构，轮辐支撑结构以及轮毂连接结构与常规的轮胎的相同，所述的轮毂连接结构与车辆动力传动机构相连接，所述的轮辐支撑结构则作为所述轮辋结构与所述轮毂连接结构的支撑部分，所述的轮胎本体结构可以由单一材料注塑成型，材料可为热塑性聚氨酯弹性体与石墨烯形成的复合材料制成，复合材料的硬度根据使用要求确定，热塑性聚氨酯弹性体与石墨烯的复合材料导热性好，并具有很好的弹性。所述轮辋装配结构包括轮辋结构、燕尾凸起结构、V形凹槽结构和帘线结构组成。所述如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料轮胎本体结构通过模塑成型和三维复印先进生产工艺实现其成型并沿周向装配于所述轮辋结构，所述燕尾凸起结构以相互错开的“八字形”沿周向均匀分布于所述轮辋结构，所述V形凹槽结构沿周向均匀分布于所述轮辋结构表面的所述燕尾凸起结构，所述帘线结构沿周向缠绕于所述轮辋结构表面的所述V形凹槽结构内部并内嵌于所述轮胎本体结构，从而提升了所述轮胎本体结构与轮辋结构的装配稳固可靠性。

本发明新型高刚胎面安全绿色节能降噪非充气轮胎的生产制造主要包括所述轮胎主体结构制造和所述轮辋装配结构制造两个部分。其中，所述轮胎本体结构由采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料制造，并通过模塑成型和三维复印先进生产工艺实现其成型并沿周向装配于所述轮辋结构。所述轮辋装配结构中的所述轮辋结构、所述燕尾凸起结构、所述V形凹槽结构采用不锈钢材料铸造而成，而所述帘线结构则由聚酰胺尼龙材料制成。在制造过程中，首先沿所述轮辋结构周向共设置12组所述燕尾凸起结构，应使其满足在所述轮辋结构轴向，使沿所述轮辋结构周向的相邻两组所述燕尾凸起结构满足首尾重叠，以避免车轮接地中由于相邻所述燕尾凸起结构互不相连所引起不必要的振动问题；其次，为了避免所述轮胎本体结构、所述燕尾凸起结构、所述帘线结构、所述V形凹槽结构等配合结构在工况下发生疲劳破坏失效，首先采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料分别对所述轮辋结构、所述燕尾凸起结构、所述V形凹槽结构和所述帘线结构表面进行包胶处理；再次，将包胶的帘线结构沿周向缠绕于同样包胶的所述轮辋结构表面的所述V形凹槽结构；最后，所述轮胎本体结构通过模塑成型或三维复印先进生产工艺沿所述轮辋结构周向成型，从而使所述帘线结构在与所述V形凹槽结构固定的同时也内嵌于所述轮胎本体结构，并结合所述燕尾凸起结构的作用，显著避免了本发明轮胎工况下脱圈事故的发生，大幅提升了所述轮胎本体结构与轮辋结构的装配稳固可靠性。

本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

1.提出了一种新型的轮胎设计理念，随着空气弹簧辅助减震技术在车辆悬架结构中的广泛应用，可将传统轮胎中的减震性能移植于悬架系统。轮胎则采用非充气轮胎结构设计方案，不仅从根本上消除了传统充气式轮胎在特殊工况下的爆胎隐患，大幅提升了车辆行驶安全性能，而且有效解决了传统设计理念中过大下沉量因破坏理想车轮模型的真圆度，增大车轮运动中的翻转力臂，从而导致增加运动中翻转力矩、降低能源转化效率，造成能源浪费的弊端；

2.采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料取代传统人工橡胶材料，并通过模塑成型和三维复印先进生产工艺实现高效生产与制造。从根本上简化了传统橡胶制品的繁琐工艺流程，解决了其制造周期较长，生产效率较低与投入产出比较高等问题；

3.对现有轮胎设计理念进行了改进，随着车身空气动力制动装置可辅助改善车辆的制动性能技术的逐渐成熟，可将传统轮胎中的制动性能要求加以弱化。轮胎胎面则在满足一部分基本制动要求的条件下，采用简易平行四边形花纹设计方案，采用简易平行四边形花纹设计方案，使沿轮辋结构周向分布的相邻两组花纹块在胎面的轴向首尾重叠，有效避免了运动过程中简易花纹所引起的振动，简化了注塑成型工艺的模具设计并控制了制造成本，同时高刚度胎面也很大程度上解决了传统轮胎因形变而产生的噪声问题；

4.不同于传统轮胎复杂结构，本发明的新型高刚胎面安全绿色节能降噪非充气轮胎主体由采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料的单一部件组成，更加便于产品的修补与维护。由于原材料支持再生利用，因而显著提高了成品轮胎原料的使用寿命，从根本上解决了化工产品废弃物所导致的环境污染问题；

5.通过在轮辋结构外表面沿周向加装燕尾凸起结构、V形凹槽结构和帘线结构，对现有轮辋结构进行了改进，帘线结构沿周向缠绕于轮辋结构表面的V形凹槽结构内部并内嵌于轮胎本体结构，显著避免了本发明轮胎工况下脱圈事故的发生，大幅提升了所述轮胎本体结构与轮辋结构的装配稳固可靠性，使其装配模式更加符合上述新型轮胎的设计理念与结构，从而大幅提高了新型轮胎的可行性与适用性。

6.在制造过程中，首先沿所述轮辋结构周向共设置12组所述燕尾凸起结构，应使其满足在所述轮辋结构轴向，使沿所述轮辋结构周向的相邻两组所述燕尾凸起结构满足首尾重叠，以避免车轮接地中由于相邻所述燕尾凸起结构互不相连所引起不必要的振动问题。

7.为了避免所述轮胎本体结构、所述燕尾凸起结构、所述帘线结构、所述V形凹槽结构等配合结构在工况下发生疲劳破坏失效，首先采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料分别对所述轮辋结构、所述燕尾凸起结构、所述V形凹槽结构和所述帘线结构表面进行包胶处理。

附图说明

图1为本发明一种安全绿色节能降噪非充气轮胎等轴侧示意图；

图2为本发明一种安全绿色节能降噪非充气轮胎主视图；

图3为本发明一种安全绿色节能降噪非充气轮胎剖面示意图；

图4为本发明一种安全绿色节能降噪非充气轮胎半剖视图，图2所示的A-A方向剖视图；

图5为本发明中轮辋结构燕尾凸起机构及V形槽改进结构示意图；

图6为本发明中帘线结构与轮辋结构、燕尾凸起结构及V形槽结构配合方式等轴侧示意图；

图7为本发明中帘线结构与轮辋结构、燕尾凸起结构及V形槽结构配合方式示意图；

图8为本发明中帘线结构与轮辋结构、燕尾凸起结构及V形槽结构配合方式局部放大剖视图。

图中，1、轮胎本体结构；2、轮辋装配结构；2-1、轮辋结构；2-2、燕尾凸起结构；2-3、V形凹槽结构；2-4、帘线结构；3、轮辐支撑结构；4、轮毂连接结构。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据本发明实施的一种新型高刚胎面安全绿色节能降噪非充气轮胎的结构设计与轮辋装配如图1、图2、图3和图4所示，结构包括轮胎本体结构1、轮辋装配结构2、轮辐支撑结构3以及轮毂连接结构4。所述的轮胎本体结构1由采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的复合材料制成的软基体结构组成。如图5、图6和图7所示，所述轮辋装配结构2包括轮辋结构2-1、燕尾凸起结构2-2、V形凹槽结构2-3和帘线结构2-4组成。所述如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料轮胎本体结构1通过模塑成型和三维复印先进生产工艺实现其成型并沿周向装配于所述轮辋结构2-1，所述燕尾凸起结构2-2以相互错开的“八字形”沿周向均匀分布于所述轮辋结构2-1，所述V形凹槽结构2-3沿周向均匀分布于所述轮辋结构2-1表面的所述燕尾凸起结构2-2，所述帘线结构2-4沿周向缠绕于所述轮辋结构2-1表面的所述V形凹槽结构2-3内部并内嵌于所述轮胎本体结构1，从而提升了所述轮胎本体结构1与轮辋结构2-1的装配稳固可靠性。所述的轮辐支撑结构3则作为所述轮辋结构2-1与所述轮毂连接结构4的支撑部分。所述的轮毂连接结构4与车辆动力传动机构相连接。

将车辆轮胎及其轮辋装配结构用如图1和图2所示的本发明替换，上述技术方案提出了一种新型的轮胎设计理念，随着空气弹簧辅助减震技术在车辆悬架结构中的广泛应用，可将传统轮胎中的减震性能移植于悬架系统。轮胎则采用如图3和图4所示的非充气轮胎结构设计方案，不仅从根本上消除了传统充气式轮胎在特殊工况下的爆胎隐患，大幅提升了车辆行驶安全性能，而且有效解决了传统设计理念中过大下沉量因破坏理想车轮模型的真圆度，增大车轮运动中的翻转力臂，从而导致增加运动中翻转力矩、降低能源转化效率，造成能源浪费的弊端。

其次，上述技术方案采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料取代传统人工橡胶材料，并通过模塑成型和三维复印先进生产工艺实现高效生产与制造。从根本上简化了传统橡胶制品的繁琐工艺流程，解决了其制造周期较长，生产效率较低与投入产出比较高等问题。

再次，上述技术方案对现有轮胎设计理念进行了改进，随着车身空气动力制动装置可辅助改善车辆的制动性能技术的逐渐成熟，即在车辆尾部沿其行驶方向加装活动支撑的尾翼，尾翼设置为在车辆正常行驶中保持与路面平行相对静止，而在收到制动信号时，根据车速和接收的制动信号，水平翼弦朝向远离车辆的方向绕水平方向翻转开启而形成攻角，并在制动过程结束时从攻角位置反向翻转回归到与路面保持平行且相对静止的关闭位置。从而将传统轮胎中的制动性能要求加以弱化。轮胎胎面则在满足一部分基本制动要求的条件下，采用如图1所示的简易平行四边形花纹设计方案，使沿轮辋结构周向分布的相邻两组花纹块在胎面的轴向首尾重叠，有效避免了运动过程中简易花纹所引起的振动，简化了注塑成型工艺的模具设计并控制了制造成本，同时高刚度胎面也很大程度上解决了传统轮胎因形变而产生的噪声问题。

此外，上述技术方案不同于传统轮胎复杂结构，本发明的新型高刚胎面安全绿色节能降噪非充气轮胎主体由采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的新型复合材料的单一部件组成，更加便于产品的修补与维护。由于原材料支持再生利用，因而显著提高了成品轮胎原料的使用寿命，从根本上解决了化工产品废弃物所导致的环境污染问题。

最后，上述技术方案如图5、图6、图7和图8所示，通过在轮辋结构外表面沿周向加装燕尾凸起结构、V形凹槽结构和帘线结构，对现有轮辋结构进行了改进，帘线结构沿周向缠绕于轮辋结构表面的V形凹槽结构内部并内嵌于轮胎本体结构，显著避免了本发明轮胎工况下脱圈事故的发生，大幅提升了所述轮胎本体结构与轮辋结构的装配稳固可靠性，使其装配模式更加符合上述新型轮胎的设计理念与结构，从而大幅提高了新型轮胎的可行性与适用性。

Claims (6)

1.一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，其特征在于：包括轮胎本体结构、轮辋装配结构、轮辐支撑结构以及轮毂连接结构，所述的轮毂连接结构与车辆动力传动机构相连接，所述的轮辐支撑结构则作为所述轮辋结构与所述轮毂连接结构的支撑部分，所述的轮胎本体结构由单一材料注塑成型，所述轮辋装配结构包括轮辋结构、燕尾凸起结构、V形凹槽结构和帘线结构，所述燕尾凸起结构以相互错开的八字形沿周向均匀分布于所述轮辋结构，所述V形凹槽结构沿周向均匀分布于所述轮辋结构表面的所述燕尾凸起结构，所述帘线结构沿周向缠绕于所述轮辋结构表面的所述V形凹槽结构内部并内嵌于所述轮胎本体结构。

2.根据权利要求1所述的一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，其特征在于：所述的轮胎本体结构由热塑性聚氨酯弹性体与石墨烯形成的复合材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，其特征在于：所述轮胎本体结构通过模塑成型。

4.根据权利要求2所述的一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，其特征在于：所述轮胎本体结构通过三维复印工艺实现其成型。

5.根据权利要求1所述的一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，其特征在于：沿所述轮辋结构周向的相邻两组所述燕尾凸起结构首尾有重叠。

6.根据权利要求1所述的一种安全绿色节能降噪非充气轮胎，其特征在于：采用如聚氨酯弹性体和石墨烯的复合材料分别对所述轮辋结构、所述燕尾凸起结构、所述V形凹槽结构和所述帘线结构表面进行包胶处理。