越野車新型安全防爆輪胎的設(shè)計

王新博，劉雙燕，王迪，崔洪杰，趙文明

(泰安航天特種車有限公司技術(shù)中心，山東泰安 271000)

0 引言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，我國已建成規(guī)格齊全的輪胎工業(yè)體系，發(fā)展成世界輪胎生產(chǎn)大國，并獲得了一系列創(chuàng)新性的國際前沿技術(shù)。子午胎已實現(xiàn)無內(nèi)胎、寬斷面、扁平化，并通過了高速、高載考驗，達(dá)到世界先進(jìn)水平。近年來，更多安全、節(jié)能、環(huán)保輪胎正穩(wěn)步走向國際市場。大寬度、大內(nèi)徑、較大扁平比輪胎成為汽車輪胎發(fā)展的潮流，因其胎壁短，胎面寬闊，接地面積大，附著力強(qiáng)，能保持較好的行駛穩(wěn)定性和較小的摩擦，所以能承受更大的壓力，轉(zhuǎn)彎時側(cè)向抵抗能力強(qiáng)，對路面反應(yīng)靈敏，有利于減震和提高車速,車輛操控更平穩(wěn)。

工程機(jī)械車輛如裝載機(jī)、推土機(jī)、挖掘機(jī)、平整土地機(jī)、壓路機(jī)和石方作業(yè)機(jī)等，行駛速度不高，但使用的路面條件和載荷性能要求苛刻，其輪胎主要采用斜交胎結(jié)構(gòu)。重型越野汽車輪胎通常輪輞直徑在45.72～60.96 cm(18～24英寸)，斷面寬度17.78 cm(7英寸)以上,由于其行駛路況復(fù)雜，有碎石路、泥濘路、冰雪路等，行駛速度一般不超過80 km/h。特種車輛輪胎例如炮車輪胎、裝甲車輪胎、沙漠輪胎、防爆車輛輪胎等，由于車輛載荷大，路況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，對輪胎除了可靠性及使用壽命外還會有特殊要求。

1 防爆輪胎的理念

輪胎有充氣輪胎和非充氣輪胎[1-2]，充氣輪胎因其內(nèi)胎富有彈性而獲得承載和緩沖能力，但其需要保持足夠的氣壓，缺乏防爆能力。充氣輪胎分為低壓胎和真空胎：低壓胎有內(nèi)胎，多用于普通汽車和摩托車；真空輪胎沒有內(nèi)胎，外胎兼起了內(nèi)胎的作用，多用于轎車和輕型車。真空輪胎是法國米其林輪胎公司在1959年推出的，胎內(nèi)壁緊貼一層內(nèi)膜令車胎在高速運轉(zhuǎn)時不易聚熱，內(nèi)膜有一層密封自粘層，輪胎受到釘子等尖銳物穿破后不易立即泄完氣，可使汽車?yán)^續(xù)行駛一段距離。但缺氣行駛狀態(tài)下輪胎下沉量增大，與地面摩擦劇烈，胎溫急劇上升，容易爆裂。而非充氣輪胎具有耐磨耐扎防爆的特點[3-4]，可在高負(fù)荷下使用，但實心輪胎一般硬度較大，缺乏柔性，舒適性差[5]。

2 設(shè)計與仿真

為適應(yīng)全方位立體運輸?shù)囊螅Ｕ想娮釉O(shè)施安全平穩(wěn)運輸[6-8]，現(xiàn)設(shè)計開發(fā)一種新型網(wǎng)絡(luò)防爆輪胎，以滿足電子設(shè)備載車行駛路況復(fù)雜、平穩(wěn)性要求高的特殊工作要求，實現(xiàn)行駛過程安全舒適，儀器工作正常。該新式輪胎采用在輪輞上固定焊接網(wǎng)狀彈性支撐體代替充氣輪胎內(nèi)胎獲得承載和緩沖能力以增強(qiáng)輪胎柔韌性，減輕輪胎自身重力。該輪胎具有實心輪胎耐扎、耐磨且承載性能高的特性，也具備充氣輪胎富有彈性、舒適性好的特點。它主要包括胎體、網(wǎng)狀彈性支撐體、輪輞等三部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防爆輪胎結(jié)構(gòu)示意

充氣輪胎氣壓在載荷變化時會產(chǎn)生變形和回彈，以保持足夠的柔性，保證行駛平穩(wěn)性和舒適度。而網(wǎng)絡(luò)防爆輪胎則是通過網(wǎng)狀彈性支撐體的彈性來保證輪胎的柔性。網(wǎng)狀彈性支撐體被設(shè)計為兩種長度以實現(xiàn)二級變剛度：長的網(wǎng)狀彈性支撐體，金屬絲直徑0.8 mm，圓柱莖外直徑13 mm，從根部到球冠長度255 mm，球冠外直徑60 mm；短的網(wǎng)狀彈性支撐體，金屬絲直徑0.5 mm，圓柱莖外直徑13 mm，從根部到球冠長度195 mm，球冠外直徑60 mm，相鄰圓柱莖所張圓心角為6°。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，金屬絲材料為高韌性、高強(qiáng)度的合金材料，這樣在變形較大時，剛度也變大，既能保證柔性，又能保證其承載能力。空腔內(nèi)填充新型膨化材料，固定彈性支撐體并提供匹配阻尼的作用，細(xì)小空腔壁依據(jù)仿生學(xué)原理采用抗變形的雞蛋外形，并能獲得一種負(fù)泊松比[9]。

對輪胎建立有限元模型并做仿真計算得到輪胎的彈性變形[10]，載荷為75 kN時，位移云圖如圖3所示。

圖3 75 kN載荷下輪胎位移云圖

并做四級載荷變形量的對比，載荷為100 kN時的位移及應(yīng)力云圖如圖4所示，最大變形量為48.2 mm。

圖4 100 kN載荷下輪胎的位移及應(yīng)力云圖

載荷為140 kN時的位移及應(yīng)力云圖如圖5所示，最大變形量為67.7 mm。

圖5 140 kN載荷下輪胎的位移及應(yīng)力云圖

載荷為180 kN時的位移及應(yīng)力云圖如圖6所示，最大變形量為87.2 mm。

載荷為200 kN時的位移及應(yīng)力云圖如圖7所示，最大變形量為97 mm。

圖6 180 kN載荷下輪胎的位移及應(yīng)力云圖

圖7 200 kN載荷下輪胎的位移及應(yīng)力云圖

計算結(jié)果表明輪胎滿足柔性及強(qiáng)度要求。

3 試驗驗證

由技術(shù)、研發(fā)、質(zhì)檢、生產(chǎn)等部門協(xié)作組織試驗，對輪胎外觀、外緣尺寸、輪胎質(zhì)量、X光射線檢驗、輪胎的強(qiáng)度、耐久、高速以及耐環(huán)境溫度、鹽霧試驗進(jìn)行鑒定檢驗，并隨車記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。防爆輪胎鑒定試驗流程如圖8所示。

圖8 防爆輪胎鑒定試驗流程

試驗要求如下：

3.1 裝車鑒定試驗

試驗車輛滿載狀態(tài)，單輪靜載不小于50 kN。

3.2 高速持續(xù)行駛試驗

以85 km/h速度持續(xù)行駛6 h。

3.3 制動距離試驗

車輛以30 km/h的初始速度行駛，并以最大減速度制動停車，測量制動距離并檢查跑偏情況。

3.4 越障試驗

按GB/T12541-1990的規(guī)定進(jìn)行通過垂直障礙物試驗。

3.5 耐環(huán)境溫度試驗

汽車分別在高寒(不低于-40 ℃)地區(qū)和高溫地區(qū)(不高于60 ℃)行駛。

3.6 鹽霧試驗

汽車在鹽堿地區(qū)行駛后，輪胎不得有被腐蝕現(xiàn)象且性能正常。

3.7 測試測量要求

鋼板尺和金屬卷尺(不帶弧度)：公差±1 mm；游標(biāo)卡尺：公差±0.1 mm；花紋深度尺：公差±0.02 mm。

3.8 轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)

試驗機(jī)轉(zhuǎn)鼓鼓面為平滑的鋼質(zhì)面,其寬度大于等于試驗輪胎的斷面總寬度，速度能力滿足試驗要求，速度精度0～2 km/h，徑向跳動量不大于0.25 mm。試驗加載裝置的精度為滿量程的±1.5%，加載能力滿足試驗要求。

4 結(jié)束語

新型網(wǎng)絡(luò)防爆輪胎既保持了充氣輪胎的高彈性，又具有防爆免充氣性能，避免了普通實心輪胎較大的簧下質(zhì)量及駐波現(xiàn)象，符合現(xiàn)代化精密儀器運輸對輪胎的新要求。