一種軍民兩用可呼吸安全不爆輪胎技術研究

黃應軍 曹曉蕾 夏濤 劉爽

摘 要：現(xiàn)有的輪胎工業(yè)主要產(chǎn)品為普通充氣輪胎，其在使用過程中經(jīng)常發(fā)生爆胎事故，對于人的生命和財產(chǎn)具有非常大的安全隱患?；谶@些問題，本文提出和設計了一種新型的可呼吸安全不爆輪胎，其具有特殊結(jié)構和精巧妙用力學原理，主要優(yōu)點表現(xiàn)為免維護、不爆胎、防戳、承載能力強、耐高低溫、低油耗、重量輕等。在現(xiàn)如今軍民融合的大背景下，這種新型的輪胎在軍用汽車上也具有非常好的使用前景，能夠為軍用車輛的行駛作戰(zhàn)提供有力的安全保障。

關鍵詞：不爆輪胎；特殊結(jié)構；力學原理；軍用車輛

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0068-05

Abstract： Current mainstream product of tire is the ordinary pneumatic tire， which has led to frequent tire explosion in daily use and has been a safety hazard for human life and property. Confronting with this problem， the article proposes and designs a new type of tire which is breathable， safe and non-explosive. It uses a special structure and an ingenious utilization of mechanics and features in maintenance-free， non-explosive， anti-press， strong-capacity， temperature resistant， fuel-sipping， light-weighted， etc. In the context of military-civilian integration， this new type of tire also has a wide potential in military vehicles use. It could provide strong safety guarantee for military vehicles in driving and fighting， for instance.

Key Words： non-explosive tires； special structures； mechanics； military vehicles

輪胎工業(yè)發(fā)展距離今年整整有130年歷史，到今天儼然已經(jīng)成為了一門獨立的學科，在社會的進程當中充氣輪胎起到了不可磨滅的作用。品種出現(xiàn)了爭相斗艷的形勢，其中按照胎體結(jié)構可分為實心胎和充氣胎，按照連線排布結(jié)構可分為斜交胎和子午線胎，根據(jù)組成結(jié)構不同可分為無內(nèi)胎充氣輪胎和有內(nèi)胎充氣輪胎等[1，2]。

普通輪胎從外到內(nèi)大致可分為胎冠、帶束層、簾布層、氣密層和胎圈部等幾個部分。但是，普通充氣輪胎在使用中最嚴重的問題是發(fā)生爆胎變形，這是由于胎冠在反復與地面摩擦的過程中會變薄，使用過度后有安全隱患，特別是在遇到復雜路面及尖銳物體時，更是不堪一擊，從而阻礙了車輛的正常行駛，同時也危險到了駕乘人員的生命安全。因此陸續(xù)出現(xiàn)了實心輪胎，缺氣保用輪胎，填充材料自動修復輪胎以及更具有創(chuàng)造性的免充氣輪胎[3]。毫無疑問的是免充氣輪胎的性能顯著地優(yōu)越于以上幾種傳統(tǒng)的輪胎，其代表有美國軍方的蜂巢輪胎[4]和法國的米其林免充氣輪胎[5]，但其運用之余不乏有不足之處，主要體現(xiàn)在不具備高速行駛及重載等缺點。

相比與普通充氣輪胎、實心輪胎、缺氣保用輪胎、自動修復輪胎等，本文主要介紹一種新型的可呼吸不爆安全輪胎[6]，如圖1（b，d）所示，可呼吸不爆安全輪胎由特殊的鏤空結(jié)構及仿生魚鰓的呼吸胎簾，在輪胎運動時，可讓胎面產(chǎn)生的熱量與空氣隨時進行交換，形似于我們的呼吸，其具有免維護、不爆胎、防戳，可高速行駛、承載能力強、耐高溫、耐低溫、低油耗、重量輕等優(yōu)異功能，在這輪胎新革命時期，對于輪胎的未來發(fā)展具有的顯著影響，同時更重要的是體現(xiàn)在未來戰(zhàn)場上，為機動行駛作戰(zhàn)中提供了有力的安全保障。

1 結(jié)構模型及性能

可呼吸不爆安全輪胎是一種徹底改變了現(xiàn)代輪胎必須由壓縮空氣提供支撐的新型輪胎技術，其主要利用輪胎側(cè)面輻射開來的網(wǎng)狀支撐結(jié)構來提供整條輪胎的剛性，為輪胎提供支撐，同時通過網(wǎng)狀結(jié)構中輻條的伸縮來實現(xiàn)輪胎的防震和過障，從而改善其舒適性。輪胎主要包括三個結(jié)構：小型充氣輪胎（圖中1）的內(nèi)承壓減震層、主要輪胎受力網(wǎng)狀支撐結(jié)構（圖中2）和保持現(xiàn)有輪胎的結(jié)構胎面（圖中3）。

1.1 小型充氣層

小型充氣層，保留了其優(yōu)秀、最可靠的氣密連接方式，因超扁平及用材的特殊，在滿足了高強度制動剪切力作用的同時，其主要作用有兩點：一是保持了原有與輪轂的連接方式，不用額外增加其它的連接固定方式，使其使用我們的可呼吸輪胎的成本降低；二是在可呼吸輪胎高速行駛及遇障時，可以有效改善輪胎在變形時所產(chǎn)生的剪切力，從而保證了優(yōu)異普通輪胎的舒適性及降低了能量轉(zhuǎn)換時所產(chǎn)生的熱量。

1.2 網(wǎng)狀支撐結(jié)構

如圖1（c）所示為可呼吸安全不爆輪胎的夾層（內(nèi)外層相互制約）網(wǎng)狀支撐結(jié)構，是用來連接與固定可呼吸輪胎內(nèi)外承壓圈，與此同時，還兼顧著外承壓的應力傳導，使其充氣層與內(nèi)承壓圈聯(lián)合調(diào)整整個輪胎的受力，并使應力分散。

1.3 結(jié)構胎面

胎面是由丁睛橡膠與碳黑及石墨烯做成的復合材料，主要用來與地面接觸摩擦，具有傳統(tǒng)輪胎的花紋結(jié)構，這樣的結(jié)果非常完美的利用傳統(tǒng)輪胎在胎面的研究技術和成熟的使用技術。

由于可呼吸不爆安全輪胎具有以上的特殊結(jié)構，所以其在實際的應用中相比于普通的輪胎具有非常顯著地優(yōu)異性，主要可以表現(xiàn)為以下的方面。

首先，當縱向受到?jīng)_擊載荷時，其內(nèi)部的支撐結(jié)構具有相比于普通的充氣輪胎大得多的型變量，導致車輛在通過崎嶇路面時，輪胎傳遞到懸架和車身的路面沖擊被減輕，極大提升了車輛的舒適性。而在高速通過長距離高頻次的障礙物時，得益于輪胎較大的型變量和較快的回彈力，輪胎能夠極大的降低車輛的拋離感，提升越野駕駛過程中的行駛穩(wěn)定性。此外，由于輪胎在承受縱向沖擊時擁有優(yōu)秀的變形和回彈性能，所以在低附著力的越野路面條件下，通過支撐結(jié)構的變形可以大幅度的增加胎面與地面的接觸面積，提升輪胎的附著力，在胎面與地面的接觸部分形成一小塊小小的履帶效應，幫助車輛脫困。

其次，當橫向受到?jīng)_擊載荷時，輪胎外部受力與支撐結(jié)構受力的作用方向一致，此種受力導致其網(wǎng)狀結(jié)構間的間隙失效，最終輪胎主要是網(wǎng)狀支撐結(jié)構來支撐，輪胎橫向的型變量變小，提高輪胎的側(cè)偏剛度，繼而提升車輛的側(cè)向支撐，保證操控穩(wěn)定性。同一規(guī)格的輪胎，可呼吸輪胎的重量輕于普通輪胎11%（例：碳纖、芳綸復合材料）。

對于車輛輪胎而言，除了簧下質(zhì)量對駕乘舒適性有影響的同時，縱向剛性的好壞也影響到了駕乘的舒適性，而橫向剛性的好壞則直接影響到操控穩(wěn)定性。這也就是高性能的街道跑車往往愿意選擇低扁平比的輪胎，而越野車又親睞于高扁平比輪胎的原因所在。一個注重于橫向剛度以提升高速過彎時的側(cè)向支撐，提高過彎極限；而另一個則注重于縱向剛度以保證越野過程中的舒適性，也提升輪胎在越野過程中的壽命。

本文中的可呼吸防爆輪胎由于可以直接安裝在輪轂和鋼圈上的結(jié)構，再配合上高強度復合材料作為主要的受力部分，從而組成其特殊的結(jié)構，相比于傳統(tǒng)輪胎的組合，安裝可呼吸不爆安全輪胎的車輛在高速直行和急速過彎都可以完美的達到其所需要的力學原理。

同時在經(jīng)濟性方面，可呼吸防爆輪胎由于在結(jié)構上將胎側(cè)和胎面完全分離開來，所以在胎面的設計上可以更為大膽的運用低滾阻的橡膠配方。而且由于輪胎結(jié)構的簡化，我們的輪胎在運動過程中由于輪胎反復變形帶來的能量損失被大幅度的減小，繼而達到提升車輛燃油經(jīng)濟性的效果。更加重要的是可呼吸不爆輪胎在運動過程運作較為穩(wěn)定，又因不考慮輪胎在舒適上的橡膠配比，因此我們可以在胎面的配比上可增加耐磨的材料，這導致輪胎胎面的耐磨程度是普通輪胎的3倍以上。

2 力學技術原理

可呼吸不爆安全輪胎，在胎面內(nèi)層是整個輪胎的受力承壓環(huán)，承壓環(huán)在輻條作用下均勻受力，當承壓環(huán)所受內(nèi)力、剪力、彎矩的情況下，就內(nèi)力、剪力、彎矩及承壓環(huán)內(nèi)的輻條支撐縱面剛度的獲取，我們用運固體力學里的彈性和結(jié)構兩種力學方法，來計算出承壓環(huán)在均勻受壓時的三種力及輻條支撐縱面受力剛度進行論述。

2.1 彈性力學分析（參照造橋鉸拱原理）

輪胎可視為一個有厚度的圓（圖2），半徑a，厚度外的半徑b，厚度內(nèi)壁受力p1，厚度外受力p2。為了更加方便的分析輪胎的力學性能，取一個圖2（b）圓微單位體進行具體分析，其具體的力學計算如下：

對于承壓環(huán)在受力的情況下，控制制作承壓環(huán)材料的剛度、模量、力學性能均是設計的最主要的因素，因此我們輪胎的承壓承重環(huán)（無鉸拱）的力學分析決定我們可呼吸不爆輪胎的載重及舒適度（具體數(shù)據(jù)我們需綜合考慮）。

3 輪胎路面行駛實驗及數(shù)據(jù)

可呼吸不爆安全輪胎在行駛30公里過程中路面復雜，還有人為的設障如破胎器、可戳穿輪胎的大長釘。首先將車輛輪胎換成可呼吸不爆安全輪胎以時速40公里的速度行駛，第一經(jīng)過的是人為設障破胎器、可戳穿輪胎的大長釘組成的路段，經(jīng)過時，車內(nèi)駕駛?cè)藛T聽見破胎器與大長釘刺穿輪胎時與胎面橡膠發(fā)出的咯吱咯吱的聲音，此時下車檢查發(fā)現(xiàn)由于可呼吸不爆安全輪胎的鏤空結(jié)構，我們看到的是部分破胎器與大長釘扎在胎面，而輪胎完好無損，毫無癟塌的現(xiàn)象，我們繼續(xù)前行，在經(jīng)過減速帶及由磚塊設置的高坎，在車輛時速40公里的速度行駛，車輛平穩(wěn)，震動較小，柔和舒適，從過障時的照片可以看到（如圖1b所示），車輛在過障時可呼吸不爆安全輪胎胎面呈現(xiàn)凹面，接下來車輛按時速60公里的速度行駛20公里，且經(jīng)過人為的破胎器、大長釘、減速帶、高坎等人為路障，在20公里未停的行駛過程中駕乘人員體驗到的噪音與普通輪胎不分上下，由于手工制作在工藝上與機器制作實有差距，為安全實驗的前提下，我們一次20公里測試，共測試了680公里的距離。

4 結(jié)論及展望

本文設計的可呼吸不爆安全輪胎是一種具有特殊的結(jié)構組成和巧妙力學應用的新型創(chuàng)新型輪胎，其具有免維護、免爆胎、免泄露和成本低等優(yōu)異性能?；谝陨系膬?yōu)異性能，此種可呼吸不爆安全輪胎不僅可以滿足普通輪胎市場的需求，同時在其他的一些特殊領域也可以得到更加顯著地應用，例如：國防軍事特種車輛、特殊作業(yè)車輛及高載量要求車輛等?？珊粑槐踩喬ミ@種新型輪胎技術的創(chuàng)新，對于未來的輪胎市場具有非常顯著地影響，極大地增強了輪胎技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在未來這種不爆輪胎的技術發(fā)展，其研究的重點主要集中于新型材料的選擇和提升，記憶性材料應用有可能使輪胎在行駛的過程中，遇物體或生命物種時會，瞬間形成凹陷面，從而使物體或生命物種受傷害的程度達到最低，由此實現(xiàn)輪胎發(fā)展成為記憶性讓物安全輪胎。

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