CN111152600B - 一种高速高载非充气轮胎及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速高载非充气轮胎及其制备方法，轮胎包括轮辋、轮辐、外缓冲层、带束胎面复合层；所述轮辐包括坡面、若干轮辐辐板、内缓冲层；所述坡面通过轮辐辐板与内缓冲层连接，所述轮辐辐板径向延伸符合斐波那契螺旋线结构；所述轮辐设置于轮辋与外缓冲层之间，所述轮辐内缓冲层的内表面与轮辋的外表面固定连接，所述轮辐坡面的外表面与外缓冲层内表面固定连接；所述带束胎面复合层包括复合带束层和胎面，所述外缓冲层的外表面与带束胎面复合层内表面固定连接。本发明通过结构的设计和材料选择，提高了非充气轮胎的承载能力、热稳定性、高速高载耐久性等，同时，降低了非充气轮胎轮辐容易卡住杂物的几率。
Description
技术领域
本发明涉及轮胎技术领域，尤其涉及一种高速高载非充气轮胎及其制备方法。
背景技术
据公安部交管部门资料显示，我国高速公路70％至80％交通事故为轮胎气压引起，46％为爆胎，爆胎引发重大交通事故占总数的35％；美国交通事故为轮胎气压引发比例高达80％。由此可见，胎压是导致交通事故发生的重要原因之一，而且，如果发生爆胎将会严重威胁驾驶员的生命安全。同时，胎压过低会降低轮胎的使用寿命和车辆的燃油经济性，而胎压过高或高低都会影响车辆的行驶性能。据米其林官方统计，每年因泄露或爆胎而报废的轮胎约占12％，因胎压不当造成不规则磨损而报废的轮胎约占8％，每年报废的轮胎相当于200个埃菲尔铁塔的重量。而报废的轮胎很难降解，处理起来会对环境产生很大的污染。综上可知，轮胎的性能与使用寿命、车辆的行驶性能与燃油经济性，甚至是驾驶员的生命安全都受到轮胎胎压问题的制约，而每年因胎压问题报废的轮胎数量巨大，给环境带来巨大的负担。
为了解决轮胎漏气甚至爆胎的问题，国内外研究机构提出了各种类型的安全轮胎，按照结构的不同可以分为：双内腔型、自密封型、内支撑型、自体支撑型。但是，以上安全轮胎并不能从根本上解决胎压所带来的问题，且存在很多不足之处，与传统充气轮胎相比，以上安全轮胎有加工工艺复杂、成本高、舒适性差，噪声大，发热大，且使用不当易损坏轮毂等缺点。
因此，非充气轮胎应运而生，非充气轮胎也是安全轮胎的一种，是指无需充气，采用弹性填充物或支撑物取代胎压的作用的一类轮胎。因此，非充气轮胎具有免维护、免泄露、免爆胎等优势，从根本上解决了传统充气轮胎的胎压所带来的问题。
但是，现有的非充气轮胎仅能应用到自行车、割草机、高夫车、滑移装载机、全地形车等低速高载或中速低载的车辆上。因此，提出一款适用于高载高速工况的非充气轮胎具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是通过合理的结构设计和材料选择，提高非充气轮胎的承载能力、热稳定性、高速高载耐久性等，提供一种适用于高速高载工况的非充气轮胎。同时，降低非充气轮胎裸露的轮辐容易卡住杂物的几率。
一种高速高载非充气轮胎，包括轮辋、轮辐、外缓冲层以及带束胎面复合层；
所述轮辐包括坡面、若干轮辐辐板以及内缓冲层；所述坡面通过轮辐辐板与内缓冲层连接，所述轮辐辐板径向延伸符合斐波那契螺旋线结构；
所述轮辐设置于轮辋与外缓冲层之间，所述轮辐内缓冲层的内表面与轮辋的外表面固定连接，所述轮辐坡面的外表面与外缓冲层内表面固定连接；
所述带束胎面复合层设置于外缓冲层外侧，所述外缓冲层的外表面与带束胎面复合层内表面固定连接。
优选地，所述轮辐的坡面、轮辐辐板以及内缓冲层通过注塑或浇注与轮辋一体化成型。
优选地，所述轮辐采用高分子聚合物材料，高分子聚合物材料为聚氨酯、合成树脂、天然橡胶、合成橡胶中的一种或几种。
优选地，所述坡面横截面为三角形。
优选地，所述外缓冲层高弹性聚氨酯材料，所述外缓冲层弹性高于轮辐弹性。
优选地，所述轮辐和外缓冲层材料中含有质量分数为8-15％的石墨。
优选地，所述带束胎面复合层包括复合带束层以及胎面，所述复合带束层以及胎面依次覆盖在所述外缓冲层表面。
优选地，所述复合带束层包括第一带束层和第二带束层，所述第一带束层和第二带束层固定连接；所述第一带束层和第二带束层采用高强力、高模量和小角度排列的帘线作为增强材料，同时覆盖橡胶；所述帘线为尼龙、棉线、人造丝、聚酯纤维、钢丝中的一种或几种；所述复合带束层的层数不少于两层。
优选地，所述轮辐、外缓冲层以及带束胎面复合层之间通过粘合剂粘接。
一种高速高载非充气轮胎的制备方法，其特征在于，方法包括：
将轮辋安装在轮辐模具上，往轮辐模具注入高分子聚合物材料，得到一体化的轮辋、轮辐；
将高分子聚合物材料注入外缓冲层模具中，成型得到外缓冲层；
将外缓冲层粘接在轮辐外侧；
将带束胎面复合层粘接在外缓冲层外层；
硫化，得到高速高载非充气轮胎。
本发明的有益效果在于：
①本发明的承载能力更好，接地压力分布更均匀，使用寿命更长。本发明基于仿生学原理，采用斐波那契螺旋线设计轮辐的结构，使得非充气轮胎所受力能分散到多个轮辐辐板上，从而提高了承载能力，另外使得接地印迹压力分布更加均匀。本发明使用了高分子聚合物作为轮辐材料，此外，还在轮辐的外侧增加了外缓冲层，外缓冲层采用弹性比轮辐好的高弹性聚氨酯材料。高弹性聚氨酯外缓冲层能够分担轮辐的载荷，减小轮辐辐板的形变，不仅提升了非充气轮胎的承载能力，而且增加了非充气轮胎的使用寿命。
②本发明的热稳定性以及高速高载耐久性更好。本发明在轮辐和外缓冲层的材料中添加了适量的石墨(质量分数为8％-15％)用以增强轮辐和外缓冲层的导热性，在不影响轮辐和外缓冲层弹性的前提下，提高了其热稳定性。本发明在胎面和外缓冲之间加入了复合带束层，用于提高非充气轮胎在高速高载行驶时的耐久性。
③本发明降低了非充气轮胎裸露的轮辐容易卡住杂物的几率。本发明在外缓冲层内侧设计了截面为三角形的坡面结构，在非充气轮胎旋转时有利于将杂物甩出，减小杂物卡在轮辐上的几率，保证非充气轮胎在小石子、泥泞等恶劣路面上的行驶性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例非充气轮胎45度视图；
图2为本发明实施例非充气轮胎爆炸图；
图3为本发明实施例非充气轮胎轮辐横截面图；
图4为本发明实施例非充气轮胎的轮辐辐板斐波那契螺旋线结构；
图5为本发明实施例非充气轮胎斐波那契螺旋线绘制示意图；
图6为本发明实施例非充气轮胎带束胎面复合层截面图。
附图标记
201轮辋 202轮辐
203外缓冲层 204带束胎面复合层
205坡面 206轮辐辐板
207内缓冲层 208第一带束层
209第二带束层 210胎面
211斐波那契螺旋线
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
参看图1和图2，本发明实施例的一种高速高载非充气轮胎，包括轮辋201、轮辐202、外缓冲层203以及带束胎面复合层204；参看图3，轮辐202包括坡面205、若干轮辐辐板206以及内缓冲层207；坡面205通过轮辐辐板206与内缓冲层207连接，参看图4，轮辐辐板206径向延伸符合斐波那契螺旋线211结构；轮辐202设置于轮辋201与外缓冲层203之间，轮辐内缓冲层207的内表面与轮辋201的外表面固定连接，轮辐坡面205的外表面与外缓冲层203内表面固定连接；带束胎面复合层204设置于外缓冲层203外侧，外缓冲层203的外表面与带束胎面复合层204内表面固定连接。
轮辋201与传统充气轮胎采用的轮辋一致，方便在乘用车上的安装。加工时轮辋201与轮辐202通过浇注或注塑一体化成型。
轮辐202的坡面205、轮辐辐板206以及内缓冲层207通过浇注或注塑一体化加工成型，提高了轮辐202的整体性。轮辐202采用嵌入或不嵌入纤维的高分子聚合物材料，包括但不仅限于聚氨酯等合成树脂、天然橡胶、各类合成橡胶等。其中，坡面205横截面为三角形，三角形坡面205结构用于降低裸露的轮辐202卡住杂物的几率，保证非充气轮胎在小石子、泥泞等恶劣路面上的行驶性能。其中，参看图4和图5，轮辐辐板206采用仿生学原理，径向延伸符合斐波那契螺旋线211结构，保证在有限空间内布置足够多的辐板，并使得非充气轮胎所受力能分散到多个辐板上，从而提高了承载能力，且使得接地印迹压力分布更加均匀。同时，减小了辐板在车轮滚动时两者发生碰触的可能，从而保证刚度不会剧烈变化。轮辐辐板206的尺寸和数量可以依据非充气轮胎的应用需求优化得到。参看图5，轮辐辐板206采用的斐波那契螺旋线211，该斐波那契螺旋线以非充气轮胎原点为起始点，由内向外绘制(小半径b在内大半径a在外)，斐波那契螺旋线的尺寸a，b需要满足如下条件：
上式中，R1为内缓冲层207外径，R2为坡面205内径。
其中，斐波那契螺旋线211绘制的起始点可以为非充气轮胎的原点也可以为内缓冲层外侧；可以由内向外绘制(小半径b在内大半径a在外)也可以由外往内绘制(大半径a在内小半径b在外)。
在轮辐202的外侧增加外缓冲层203，外缓冲层203与轮辐202采用粘合剂粘接；外缓冲层203采用弹性比轮辐好的高弹性聚氨酯材料，高弹性聚氨酯外缓冲层203能够分担轮辐202的载荷，减小轮辐辐板206的形变，不仅提升了非充气轮胎的承载能力，而且增加了非充气轮胎的使用寿命。
轮辐202和外缓冲层203所用材料中含有质量分数为8-15％的石墨，可以增强轮辐202和外缓冲层203的导热性，在不影响弹性的前提下，提高了轮辐202和外缓冲层203的热稳定性，缓解了由于材料发热导致力学性能下降的问题，同时提高了非充气轮胎的高速高载耐久性。
为提高非充气轮胎在高速高载行驶时的耐久性，参看图6，设计了带束胎面复合层204，带束胎面复合层204包括第一带束层208、第二带束层209以及胎面210，第一带束层208、第二带束层209、以及胎面210依次覆盖在外缓冲层203表面。外缓冲层203与第一带束层208、第二带束层209、以及胎面210之间采用粘合剂粘接；其中，第一带束层208和第二带束层209形成一条几乎不能伸张的刚性环形带，起到箍紧轮胎的作用。第一带束层208和第二带束层209采用高强力、高模量和小角度排列的帘线作为增强材料，同时覆盖高硬度的橡胶。所述帘线可以采用尼龙、棉线、人造丝、聚酯纤维、钢丝等，具体可以根据非充气轮胎的应用需求来确定。带束层的层数可以根据非充气轮胎的应用需求来确定，不一定为两层。其中，胎面210一般为橡胶胎面，与传统充气轮胎的胎面相同，以保证其耐磨性。
非充气轮胎加工方法可以通过：加工轮辋201，轮辋201与传统充气轮胎采用的轮辋201一致，加工方法也一致，方便在乘用车上的安装；制作轮辐202模具，轮辋202直接安装在模具上，将嵌入或不嵌入纤维的高分子聚合物注入轮辐202的模具中，完成轮辋201与轮辐202的一体化加工；制作外缓冲层203模具，加工高弹性聚氨酯外缓冲层203；将外缓冲层203粘接在轮辐202外侧；在轮胎成型鼓上加工好带束胎面复合层204；将带束胎面复合层粘接到外缓冲层外侧；硫化；如传统充气轮胎一样安装到乘用车的半轴上使用。
本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的结构原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种高速高载非充气轮胎，其特征在于：包括轮辋、轮辐、外缓冲层以及带束胎面复合层；
所述轮辐包括坡面、若干轮辐辐板以及内缓冲层；所述坡面通过轮辐辐板与内缓冲层连接，所述轮辐辐板径向延伸符合斐波那契螺旋线结构，所述斐波那契螺旋线绘制的起始点可以为所述非充气轮胎的原点也可以为所述内缓冲层外侧；可以由内向外绘制也可以由外往内绘制；所述斐波那契螺旋线的绘制需要满足以下约束条件：
其中，a为所述轮辐的大半径，b为所述轮辐的小半径，R1为内缓冲层外径，R2为坡面内径；
所述轮辐设置于轮辋与外缓冲层之间，所述轮辐内缓冲层的内表面与轮辋的外表面固定连接，所述轮辐坡面的外表面与外缓冲层内表面固定连接；
所述带束胎面复合层设置于外缓冲层外侧，所述外缓冲层的外表面与带束胎面复合层内表面固定连接。
2.根据权利要求1所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述轮辐的坡面、轮辐辐板以及内缓冲层通过注塑或浇注与轮辋一体化成型。
3.根据权利要求1所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述轮辐采用高分子聚合物材料，高分子聚合物材料为聚氨酯、合成树脂、天然橡胶、合成橡胶中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述坡面横截面为三角形。
5.根据权利要求1所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述外缓冲层高弹性聚氨酯材料，所述外缓冲层弹性高于轮辐弹性。
6.根据权利要求3或5所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述轮辐和外缓冲层材料中含有质量分数为8-15％的石墨。
7.根据权利要求1所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述带束胎面复合层包括复合带束层以及胎面，所述复合带束层以及胎面依次覆盖在所述外缓冲层表面。
8.根据权利要求7所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述复合带束层包括第一带束层和第二带束层，所述第一带束层和第二带束层固定连接；所述第一带束层和第二带束层采用高强力、高模量和小角度排列的帘线作为增强材料，同时覆盖橡胶；所述帘线为尼龙、棉线、人造丝、聚酯纤维、钢丝中的一种或几种；所述复合带束层的层数不少于两层。
9.根据权利要求1所述的高速高载非充气轮胎，其特征在于：所述轮辐、外缓冲层以及带束胎面复合层之间通过粘合剂粘接。
10.一种权利要求1-9任一所述的高速高载非充气轮胎的制备方法，其特征在于，方法包括：
将轮辋安装在轮辐模具上，往轮辐模具注入高分子聚合物材料，得到一体化的轮辋、轮辐；
将高分子聚合物材料注入外缓冲层模具中，成型得到外缓冲层；
将外缓冲层粘接在轮辐外侧；
将带束胎面复合层粘接在外缓冲层外层；
硫化，得到高速高载非充气轮胎。
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