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低胎压内支撑式安全轮胎系统研究 摘要 随着与轮胎安全相关交通事故数量的不断上升，安全轮胎开发已越来越受到重视， 内支撑式安全轮胎系统由内支撑、轮辋和轮胎组成，在正常气压下不影响乘坐舒适性和 操纵稳定性，当轮胎爆胎处于低胎压状态时，内支撑将支撑车体重量，保证车辆仍能在 一定速度范围内进行较长距离的安全行驶。低胎压内支撑式安全轮胎系统研究主要包括 以下内容： 通过比较国内外现有内支撑式安全轮胎优缺点，提出了内支撑结构设计要求，结合 内支撑在常压、低胎压两种不同工作状态下的工作特点和受力情况，确定了基于标准轮 辋的链板式内支撑结构总体方案，根据1 6 6 5 j 轮辋和2 0 5 5 5r 1 6 轮胎尺寸和运行中可 能出现的胎腔空间变化确定内支撑尺寸范围，初选参数建立内支撑安全轮胎系统参数化 模型。 利用a n s y s 软件按最大载荷和最高时速对内支撑分体组件的两种受力情况进行静 力学分析，并以此作为依据利用a n s y s 的拓扑优化模块进行分体拓扑优化，在满足强 度要求条件下实现内支撑轻量化改造，将优化后结构的静力学分析结果与优化前的进行 比较，确保优化后满足强度和刚度要求。通过改变边界条件，得到两种工况下不同时速、 不同载荷对内支撑强度的影响，对比分析结果得出分体组件及各构件应力和变形随速 度、载荷的变化趋势。 根据内支撑安全轮胎系统工作特点和可能出现的行驶工况，运用动力学分析软件 a n s y s l s d y n a 分别进行常压高速旋转、爆胎跌落过程和低胎压运行于起伏路面动力 学模拟，验证了内支撑系统在高速旋转产生巨大离心力时的可靠性，得到了爆胎跌落过 程中载荷对内支撑系统强度的影响和内支撑系统对起伏路面激励的响应。 关键词：安全轮胎：内支撑：静力学分析：拓扑优化：动力学模拟 低胎压内支撑式安全轮胎系统研究 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sr i s eo ft r a f f i ca c c i d e n tr e l a t e dt i r es a f e t y ，e x p l o i t a t i o no fr u n f l a tt i r e h a sb e e nh i g h l yr e g a r d e d ，i n n e rs u p p o r tr u n - f l a tt i r es y s t e mi sc o m p o s e db yi n n e r s u p p o r t ，r i m a n dt i r e ，w h i c hc a n ti n f l u e n c er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n g s t a b i l i t yi nn o r m a lp r e s s u r e ，w h e ni n l o wp r e s s u r eb e c a u s eo ft i r e b u r s t ，i n n e rs u p p o r tw i l ls u p p o r tc a r b o d yl o a d m a k es u r e v e h i c l es t i l l o p e r a t el o n g e rd i s t a n c es a f e l yi nc e r t a i ns p e e dr a n g e ，s t u d ya n dd e s i g no ft h e i n n e rs u p p o r tr u n f l a tt i r es y s t e mh a v eb e e nc o n d u c t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，r e q u i r e m e n t so fi n n e rs u p p o r ts t r u c t u r ed e s i g nh a sb e e np u tf o r w a r db y c o n t r a s t i n gt h ee x i s t e n t s t r u c t u r e si nh o m ea n d a b r o a d ，b a s e do nd i f f e r e n tw o r k i n g c h a r a c t e r i s t i ca n df o r c ec o n d i t i o ni nn o r m a la n dl o w p r e s s u r e ，g e n e r a ls c h e m eo fc h a i n p l a t e i n n e rs u p p o r ts t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hi su s e do ns t a n d a r dr i m ，s i z er a n g eo fi n n e r s u p p o r th a sb e e np r o v i d e db yc o n s i d e r i n gs i z eo f l6 6 5 jr i m 2 0 5 5 5 r 16t i r ea n dp o s s i b l e t i r ec a v i t ys p a c ec h a n g e si no p e r a t i o n t h e nt h em o d e lo fi n n e rs u p p o r tr u n f l a tt i r es y s t e mi s e s t a b l i s h e db a s e do ni n i t i a lp a r a m e t e r s s e c o n d l y ，f i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i so ni n n e rs u p p o r tc o m p o n e n t sb yu s i n ga n s y s h a sb e e nc o n d u c t e d a c c o r d i n gt ot h em a x i m u ml o a da n ds p e e di nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n ， o nt h eb a s i s ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tt oe n s u r ei n n e rs u p p o r tl i g h t w e i g h t t r a n s f o r m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fs a t i s f y i n gs t r e n g t hr e q u i r e m e n t ，c o m p a r e dt h ea n a l y s i s r e s u l t so fo p t i m i z e ds t r u c t u r et ot h o s eb e f o r e ，i ti ss h o w nt h a t ，i ts a t i s f i e s s t r e n g t h a n d s t i f f n e s sr e q u i r e m e n t s b yc h a n g i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，r e s p o n s eo fi n n e rs u p p o r tv e r s u s d i f f e r e n tl o a da n ds p e e di nt w ow o r k i n gc o n d i t i o n sh a v eb e e no b t a i n e d c o m p a r e dt h er e s u l t s ， c h a n g et r e n d o fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ne a c h o m p o n e n tv e r s u ss p e e da n dl o a d a r e c o n c l u d e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot w ow o r k i n gc o n d i t i o n so fi n n e rs u p p o r tr u n f l a tt i r es y s t e ma n d p o s s i b l er o a do p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，d y n a m i ca n a l y s i so nh i g hs p e e do p e r a t i o ni nn o r m a l p r e s s u r e ，d r o pp r o c e s sw h e nt i r eb u r s ta n df l u c t u a t i o nr o a do p e r a t i o ni nl o wp r e s s u r ea r e c a r r i e do u tb yu s i n ga n s y s l s d y n a ，w h i c hf u r t h e rv e r i f yr e l i a b i l i t yo fi n n e rs u p p o r ti n h i g hs p e e d ，i n f l u e n c eo fl o a do ni n n e rs u p p o r ts y s t e mi nd r o pp r o c e s sa n dr e s p o n s eo fi n n e r s u p p o r ts y s t e mt of l u c t u a t i o nr o a dh a v eb e e no b t a i n e d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：r u n f l a tt i r e ；i n n e rs u p p o r t ；f i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i s ；t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ； d y n a m i ca n a l y s i s 第1 章绪论 i|ii 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 汽车产业已经成为当今世界社会与经济发展的支柱产业，作为汽车重要组成部件之 一的轮胎，其发展也是日新月异。轮胎在支撑车体重量的同时实现与地面之间力的传递， 保证车辆的操作稳定性【1 1 。轮胎应具备诸如抗磨性、耐久性、安全性等性能特点，随着 车辆性能的提高和高速公路的发展，交通事故数量直线上升，其中由于爆胎引发的事故 数量逐年上升，因此，轮胎安全性显得尤为重要。当高速行驶中的轮胎遭遇机械损坏时 胎压突然消失，低胎压轮胎无法支撑车体重量，车辆将失去控制引起碰撞或侧翻，0 4 年 我国交通部门统计：由于轮胎发生故障引起的事故占高速公路总事故的4 6 ，爆胎引起 的占该总量的7 0 ，当车速超过1 6 0 k m h 时发生爆胎，车内人员死亡率几乎是1 0 0 【2 j 。 2 l 世纪汽车轮胎的发展以人性化为主题，其内涵包括智能便利、绿色安全，而安全 轮胎正好迎合了这一主题。安全轮胎又称泄气保用轮胎，由于采用了一些特殊的材料和 独特的轮胎结构设计，当发生爆胎后胎圈不脱离轮辋，轮胎仍能支撑车体载荷，保证车 辆具有一定的操作稳定性，使车主能够到达周边的维修站更换轮胎【3j 。 1 1 2 课题研究的意义 安全轮胎与普通轮胎在前、后车轮缺气情况下的不同表现如图1 1 所示，在转弯过 程中如前轮缺气，使用普通轮胎的车辆将发生转向不足，汽车有笔直前行趋势，转向半 径大于公路半径，有可能失控而造成危险，后轮缺气时，使用普通轮胎的车辆会产生转 向过度，转向运动极度敏感，也有失控的危险【4 j 。都将造成严重交通事故。 普通轮胎安全轮胎 昏 蘑 ? 誓 眵善! # 曼 ( a ) 普通轮胎与安全轮胎( b ) 前轮缺气 ( c ) 后轮缺气 图1 1 安全轮胎与普通轮胎在前、后车轮缺气情况下的不同表现 夕彦 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 2 安全轮胎类型与发展 早期有代表性的安全轮胎技术有防爆内胎式、海棉填充式、与轮辋一体式安全轮胎， 表1 1 列出了以上三种安全轮胎技术及其优缺点。 表1 1 早期安全轮胎技术及其优缺点 早期安全轮胎技术 优缺点 防爆内胎式一一胎腔内安装一条胎面和胎侧补 结构简单、不影响乘坐舒适性 强的加强内胎 胎体硬乘坐舒适性差，轮胎行驶生 海绵填充式一一在轮胎内腔填塞海绵代替充气 热大，不适用于高速行驶 与轮辋一体式一一用环氧树脂把胎圈粘在轮辋将轮辋一轮胎制成整体，降低轮辋重 座上 复利用率 随着轮胎技术的发展，近几十年又出现了一些新型安全轮胎，可从不同角度进行划 分，分别按配套轮辋形式、结构进行分类。按配套轮辋形式可分为基于标准轮辋和特制 轮辋两类，按结构可分为自封式和刚性支撑式两类 5j 。 自封式是胎腔由一个主腔和一个辅助腔组成，该腔由一层特殊的内衬层和外胎组 成，并充满特殊密封剂，当轮胎被尖锐物扎破后，密封剂会流到穿孑l 处，堵塞穿孔【6 1 ， 从而保证轮胎基本性能。 刚性支撑式安全轮胎按照增加部件类型分为自体支撑型和加物支撑型。 自体支撑型轮胎的胎侧内壁设置有一层补强件，当轮胎爆胎后，具有一定强度的补 强件支撑车体载荷，防止胎侧折叠【7j ，自体支撑型轮胎失压状态如图1 2 ( a ) 所示。 补强件 辅助胎腔 ( a ) 自体支撑型轮胎失压状态( b ) 多腔型安全轮胎 图1 2 刚性支撑式安全轮胎 加物支撑型是采用冗余设计思想加设普通轮胎没有部件的新型轮胎，如：多腔型、 内支撑物型等。法国克勒勃一哥伦布公司酐t t t 型三腔轮胎是多腔型轮胎的代表产品之 第1 苹绪论 一，如图1 2 ( b ) 所示。该轮胎胎腔由一个主胎腔和两个辅助胎腔组成，三个胎腔互相独 立，单独充气，主胎腔爆胎失压后，辅助胎腔在压力作用下，增大体积维持轮胎内压【8 o 内支撑物型安全轮胎是在轮辋和轮胎组成的胎腔内安装内支撑，与轮辋、轮胎共同 组成一个系统，在正常气压下作为附加部件的内支撑不参与工作，不影响轮胎基本性能， 当轮胎由于扎破爆胎后，轮胎胎压将在极短暂的时间内降低到零，此刻，内支撑将支撑 车体重量，胎圈紧箍于轮辋上，不会脱离轮辋，保证操纵稳定性，避免危险事故发生的 同时保证车辆仍能在一定速度范围内进行较长距离的安全行驶【9 】。表1 2 列出了以上几种 新型的安全轮胎技术及其优缺点。 表1 2 几种新型的安全轮胎技术及其优缺点 新型的安全轮胎技术优缺点 粘性液体有降低失压轮胎内壁摩擦生热的作 自封式 用，但粘性液体或粘胶容易失效。 自体支撑式其胎侧刚性大，严重影响了乘坐舒适性。 制造工艺复杂、制造成本高己经被淘汰。 多腔型 提高了驾车安全、舒适性及操控性之间的平 加物支撑式 衡，在提高运动性及安全性基础上，提高了 内支撑物型 轮胎性能，节能省油，但内壁与弹性支撑环 接触处摩擦生热大 此外，安全轮胎拥有一个共同的优点就是取消了传统的备胎，减轻了汽车装备重量， 增大了行李箱的使用空间，不仅安全、方便，还更环保。 1 3 内支撑式安全轮胎系统的研究现状 1 3 1 国外研究现状 为克服充气轮胎在行驶过程中可能因突然泄气而导致交通事故的缺陷，世界各大轮 胎公司都加快了研制安全轮胎的步伐。其中比较著名的有法国米其林公司的p a x 系统、 德国大陆公司的c w s 体系和意大利倍耐力公司的e m i io j 。 米其林研制的p a x 系统基于特制轮辋，由特制平底轮辋、一体式内支撑环和轮胎组 成，此轮胎不同于普通轮胎，胎侧高度只有普通轮胎的1 2 ，胎侧趋于垂直，爆胎后在 内支撑的作用下能保证以8 0 k m h 速度行驶2 0 0 k m 】，目前对p a x 系统的研究主要致力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于支撑环的重量。p a x 轮胎系统因其要基于特制轮辋，所以尚不适用于一般车型的选装， 另外，p a x 系统的拆卸和安装需要专用设备，一旦该系统发生故障只有授权的特约维修 站才能保证维修后的质量达到厂家规定的要求。p a x 系统结构如图1 3 所示。 图1 3 米其林p a x 系统 德国大陆公司研制的c w s 系统由补强挠性胎圈、钢丝补强橡胶支撑环c s r 、特制轮 辋和轮胎压力监测系统( t p m s ) 组h - t 2 t 1 2 】。 意大利倍耐力公司研制的e m i 系统中的泡沫橡胶内支撑环经特殊工艺制作而成，常 压状态在胎压作用下内支撑环紧箍于轮辋上，当轮胎由于刺穿爆胎后，膨胀后的泡沫内 支撑环充满胎腔，撑起轮胎，保证轮胎基本行驶功能 1 3 1 。 以上三种设计都基于特制轮辋，所以设计制造成本较高，购买投入较大。 北美地区进行了一项关于消费者对家用车各方面性能期望的市场调查显示，消费者 开始越来越关注轮胎弓l 发的安全问题，通过比较车辆各方面性能的调查结果发现，7 8 的消费者将配套安全轮胎放在首位，这说明人们的安全意识增强，跟豪华车饰比人们更 愿意将资本投在与安全有关的设施上，安全轮胎在国外已经开始普及推广【1 4 】。 1 3 2 国内研究现状 中橡集团曙光橡胶工业研究设计院，沈阳三橡轮胎有限公司为我国安全轮胎研制做 出了巨大贡献。在上世纪7 0 年代，曙光院就已成功开发加物支撑型安全轮胎；沈阳三 橡轮胎有限公司目前生产的安全轮胎有自封式、自体支撑型和加物支撑型三大判”】。其 中有基于标准轮辋的品种，也有基于特制轮辋的品种，低胎压安全行驶距离大于3 0 k m 。 我国在安全轮胎研究领域，虽已有一些产品，但技术有待于进一步完善，并且安全 轮胎产品在我国主要用于如防暴车、运钞车等特殊车种上，并未在家用车领域得到普及。 4 第1 章绪论 1 4 课题研究内容 针对内支撑安全轮胎在正常气压和低胎压两种状态下的工作特点、功能和总体技术 需求，本课题将从以下几方面进行展开。 ( 1 ) 根据内支撑在常压、低胎压两种状态下的工作性质，分析其在两种状态下的受 力情况，并以此作为依据得出内支撑总体方案。 ( 2 ) 根据标准轮胎、轮辋尺寸、胎腔空间尺寸及车辆运行过程中可能出现的空间变 化等因素进行内支撑尺寸参数设计，考虑内支撑强度、散热、减振、装配可行性等因素 选取内支撑材料。 ( 3 ) 根据尺寸参数设计所得的尺寸范围，选定内支撑初始尺寸，建立有限元模型， 进行a n s y s 内支撑结构静力学分析，并以此作为依据对内支撑结构进行拓扑优化，寻求 内支撑在受载时的最佳材料分配方案。对优化后的内支撑进行不同载荷、不同转速静力 学分析，观察不同工况下内支撑结构应力分布及变形情况。 ( 4 ) 针对内支撑在常压和低胎压两种状态内支撑工作特点进行常压内支撑系统高速 旋转、爆胎瞬间跌落过程和低胎压起伏路面激励动力学仿真，观察以上三种过程中内支 撑系统动力学响应，验证内支撑系统在各种可能出现的情况下的可靠性。 本文主要研究内容及逻辑关系如图1 4 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 课题磁究背景与现状 ( 第l 章) 土 j 、j 芰撑乏，j 分仔i 亨疗案i 殳计 ( 第二氍) 内芰撑f 了r 参数设汁 ( 懈。蠹) 士 、r ( 二t 6 yc ，5 ，轮甜蓬)2 0 5 , 5 5 r 1 6 ；仑胎二) ( 内芰撑) l 0， 内支撑系统结构 r | i 勺支撑结陶葭队元分机技优化 。编4 鼙 1r 内支撑系统动力学仿真 编5 审) j r 设汁结聚 图1 4 本文主要研究内容及逻辑关系 第2 章内支撑结构受力分析与方案设计 第2 章内支撑结构受力分析与方案设计 基于冗余设计思想的内支撑作为安全轮胎系统的一部分，在满足自身性能的同时不 影响轮胎正常运行，轮胎作为车辆与地面产生作用的唯一媒介，是主要受力部件，高速 运转产生较大离心力同时，承载着车体重量，受力较复杂。作为轮胎系统不可分割的一 部分，内支撑受力状态比轮胎复杂，在常压、低胎压两种不同工作状态下内支撑受力不 同，因此，为了能使所设计的内支撑结构既能最大限度实现价值，又不影响轮胎正常行 驶性能，分析其在不同需求下的受力情况显得十分重要，这也将为内支撑结构方案确定 提供理论依据。 2 1 内支撑结构设计需求分析 内支撑式安全轮胎不仅仅是一条简单的轮胎，而是由轮胎、轮辋、内支撑组成的一 个系统，因此内支撑不是独立存在的，欲使内支撑式安全轮胎今后能在家用车领域得到 普及，其结构设计不仅要基于标准轮辋与轮胎，并且在保证结构不能过于复杂的前提下 具有一定的可靠性，同时，内支撑安全轮胎的工作状态由仅在充气状态变为充气和低胎 压两种状态，在两种状态下作为备用部件的内支撑结构都扮演着非常重要的角色，针对 内支撑式安全轮胎在两种工作状态下的工作特点，下面逐一介绍设计中要考虑的几个重 要原则。 ( 1 ) 具有避免正常气压下破碎甩出的能力 在常压下，内支撑不参与支撑车体重量，此时内支撑只作为轮胎的附加部件而存在， 它会随同轮辋高速旋转，受到较大的离心力，因此必须保证内支撑在预紧力的作用下时 刻紧贴于轮辋槽，不能由于惯性离心作用被破坏甩出。 ( 2 ) 重量轻 内支撑取消了传统的备胎，减轻了汽车装备重量，增大了行李箱的使用空间，可是 在大部分情况下它只是一个备用部件，正常气压下该附加部件不参与支撑工作，因此， 其必须满足重量轻这一基本要求，以避免在长期正常气压行驶过程中造成不必要的浪 费。目前在安全轮胎的研制上主要致力于对其轻量化改造，米其林公司仍在对其p a x 系 统进行进一步改进，主要是想减轻p a x 轮胎内支撑环的重量。p a x 轮胎橡胶支撑环的重 量原来为8 公斤，米其林公司的技术人员运用有限元分析和其他先进技术，已将其减轻 至4 公斤。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 低胎压续跑能力 爆胎失压后，虽然轮胎转速明显降低，内支撑所受离心力较小，可是内支撑将发挥 其作用，支撑起车体重量，内支撑上所受压力增大，滚动时路面对内支撑的冲击也将增 强。保证胎圈固定在轮辋上保持行驶轮廓，车辆能够在安全速度范围行驶多远是检验内 支撑可靠性的另一原则【1 7 。因此，轮胎爆胎失压后的续跑能力就成为评价内支撑存在价 值的重要依据，而强度和刚度条件是决定内支撑续跑能力的主要因素。 ( 4 ) 良好的散热性 爆胎后在车体重力的作用下，轮胎和轮辋共同夹持着内支撑运转，内支撑受到双面 摩擦，内支撑的结构、材料应具备良好的散热能力，以防在运行过程中由于温度过高而 失效。 ( 5 ) 减振 零压下完全靠内支撑完成行走功能，内支撑通过轮胎直接与路面接触，较充气时其 振动是无法避免的，来自路面的冲击和振动由轮胎直接传递给内支撑，长期的循环冲击 和振动不仅会破坏内支撑和轮辋，还会严重影响行驶安全性和乘坐舒适性，因此可考虑 选择具有减振功能的弹性体材料作为内支撑缓冲层。 ( 6 ) 结构简单、安装与维护方便 由于此内支撑针对标准轮辋设计，将排除基于特制轮辋的整体式设计思想，采用分 体设计，考虑到标准轮辋截面两头高中间低的形状特点及现有轮胎安装工序和安装空 间，分体结构应尽可能简单、小巧易于安装，作为附加部件，内支撑还应做到维护方便， 循环利用，提高其循环利用率和经济实用价值。 ( 7 ) 便于标准化 现有的轮胎内支撑结构包括p a x 系统未能实现普及化的主要原因是造价高，选用 特制轮辋装配，不便于标准化。欲使内支撑成为现代家用轿车轮胎的标准配置，应基于 标准轮辋进行设计，并且在尺寸上满足一定的灵活性，实现内支撑的尺寸可随不同轮辋 尺寸进行调整，使用于各种尺寸轮辋，不仅便于实现标准化，而且成本较低，进而实现 普及化。 综上所述，可以将以上重要原则归类概括为三个设计要求：使用要求、性能要求、 经济性要求，内支撑将围绕以上三个设计要求进行设计，只有满足以上要求内支撑式安 全轮胎才能拥有更加广阔的市场前景，被更多的人接受，三大设计要求及所包括内容如 图2 1 所示。 第2 章内支撑结构受力分析与方案设计 ；攮趱晚力h ，一“、：f 1 链5 | | 图2 1 内支撑设计要求 2 2 常压下内支撑结构受力分析 内支撑作为附加部件，常压下不参与工作，可是随同车轮转动时内支撑子单元产生 的应力和离- f l , 力将会对轮胎的性能有所影响。并且较大离心力可能破坏内支撑结构以至 于破碎甩出，因此为能使常压下内支撑既能满足强度、刚度，又不影响轮胎性能，应明 确内支撑在常压下的地受力情况，以指导内支撑结构设计与材料选取。 2 2 1 纯滚动时内支撑子单元径向和环向应力 当车辆爆胎后，要求车辆行驶速度低于正常速度，此时内支撑所受径向及环向应力 较小，不会影响内支撑基本性能，在常压下，内支撑随同轮胎高速旋转，计算此时内支 撑径向和环向应力显得尤为重要，图2 2 为内支撑子单元受力简图。 - j 砭、蒸v v k 呕j 砑? 一 图2 2 内支撑子单元受力简图 内支撑以角速度缈旋转时的平衡方程为剐 b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 旱阿q 卜b + b p r 2 j _ 2 c o = 0 ( 2 1 ) 口r 式中：e 一一内支撑弹性模量，m p a ； “一一泊松比： j d 一一内支撑密度，t m m3 ； r i 一一内支撑内径( 轮辋槽标定半径) ，m l t l ； _ 一一内支撑外径( 内支撑最大半径) ，m m ； b 一一内支撑厚度，m m ； 仃。一一径向应力，m p a ； 仃日一一环向应力，m p a 。 对于轴对称问题，仃，、盯。与径向位移“存在如下关系 e，d u “、 仃，2 而( 万+ 7 ) 盯。：土( 兰+ 字) 盯口2 可7 + 万) 将式( 2 - 2 ) 代八瓦( 2 - 1 ) ，壁埋后得 d 2 甜1d u“1 一“2， c i r zrd rr ze j p r c o彳+ 一一彳2 一l 引入参变量f ，并令，= e 或f = l n r ，则微分方程( 2 3 ) 可变为 孑d 2 u 一“= 一丁1 - l a 2 胪3 2d t ze j 求得微分方程的通解为 “= c l e t + c ：p - i + 吉4 p 3 ， 瓦d i d = c l er - c 2 e - t + 冼8 式中，彳：半p 缈z 丘 存在边界条件 o r i ，：，。= = 0 ，o r l ，：，：= 0 弓i 入参蛮骨后的释向、环向府力嘉扶式 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第2 章内支撑结构受力分析与方案设计 将边界条件( 2 - 7 ) 及微分方程( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 代入式( 2 8 ) ，求得c i 、c ： 将c 。、c ：代入( 2 5 ) 得 村：丝8 小丝型刍蔓g 砌+ e2 1 一! 丝型笠奠 8 一1+ 1 将式( 2 1 0 ) 带入式( 2 - 8 ) 得o - ，、仃目分别为 ( 2 1 0 ) 盯0-。,-：毒9602f(。a+33)，(。r玉2三窖-trl二2r12：一丘2：，十一。21三+，厂：c 2 一， 旷譬卜3 ) ( 等彳) + ( 3 川矿i 式( 2 1 1 ) 得出纯滚动过程中内支撑子单元径向与环向应力随半径变化关系式，可 知径向、环向应力均是半径的函数，只要知道内支撑内径和外径就可得到单元径向与环 向应力随半径的变化趋势。 2 2 2 纯滚动时内支撑分体离心力与预紧力 除了径向应力和环向应力外，内支撑在转动过程中还存在离心力作用，作为轮胎附 加部件，在转动过程中附加质量引起的离心力不容忽视，尤其是在正常充气压力下，车 轮转速大，为了保证在离心力作用下内支撑部件不致破坏而被甩出，应计算正常气压、 最大转速内支撑分体离心力，内支撑子单元所受离心力简图如图2 3 所示。根据离心力 计算公式得子单元所受离心力为 f d f 邓c o 2 d m d m = 彬y ( 2 1 2 ) l d v = ，d o d r b ， 式中：卵一一单元所受离心力，n ； 砧 虹一办 、彬 咖一衍 塑衍 卅 亭一 92 + 、叫 ， 3 一 + z 忸 、， f 0 吃 + + 0 2h ：也 4 8 ，一 彳一8 = = c c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 缈一一内支撑角速度，r a d s ；缈。詈，u 为轮胎转速； 2 内支撑外径； p 一一内支撑密度，t m m 3 ： b ，一一内支撑宽度，m m 。 图2 3 内支撑子单元所受离心力简图 整理式2 1 2 得 d f = 脚，2 ，2 d r d o 将上式在分体区间上积分得分体总离心力 ( 2 1 3 ) 目， 尸= 2 乎r 矽，以2 c 。s o d r d o( 2 1 4 ) 式中：0 1 一一内支撑分体夹角： - 一一内支撑内径，m m ； 吃一一内支撑外径，m m 。 解得匀速转动时内支撑分体的离心力f 为 f ：掣s i n - a t ( - 3 一_ 3 ) ( 2 - 1 5 ) 将内支撑分体相互连接固定于轮辋槽内，使得内支撑与轮辋同步转动，不存在相对 滑动，分体之间存在一定的预紧力，分体两截面上的预紧力r 和离心力f 方向如图2 3 所示，预紧力和离心力之间存在下式关系： 2 e ，s i n0l：f(2-16 ) 预紧力e 可按下式进行计算 e 2 磊f ( 2 - 17 ) 2 第2 章内支撑结构受力分析与方案设计 由式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 7 ) 可计算得纯滚动时内支撑分体上的离心力和预紧力。 2 3 低胎压内支撑式安全轮胎系统受力分析 根据内支撑安全轮胎工作性质，当一个或两个轮胎由于扎破、穿孔等原因造成漏气 后，轮胎胎压将在极短暂的时间内降低到零，此时内支撑将支撑车体重量，保证汽车能 以较低速度安全行驶一段距离到达最近维修点，因此，不同于常压工作状况，低胎压时 汽车速度降低，内支撑所受离心力明显减小，低胎压滚动时内支撑参与了地面作用力的 传递工作，承担了车体在该车轮上的垂向载荷。 2 3 1 内支撑接地压力 低胎压下内支撑和轮胎内表面接触，由于重力作用压陷，产生一个包角0 ，由于包 角对应的弧长较短，产生的包角面可近似看成长为包角弧长z ，宽为内支撑宽度b ，的矩 形面。 粤，：堕( 2 - 18 ) 18 0 a = 粤，b ， ( 2 1 9 ) 式中： 一一内支撑外径，m m ； b ，一一内支撑宽度，m m 。 不同于充气轮胎，没有充气压力的存在，内支撑与轮胎的接触面积内产生的压力可 近似看成是均匀分布，内支撑与轮胎接触区域内的平均压力为 = 鲁 ( 2 - 2 0 ) 式中：p ，一一垂直载荷，n ； 4 ，一一低胎压下内支撑与胎面的接触面积，m m 3 。 2 3 2 内支撑式安全轮胎系统滚动阻力 随着人们的节能意识、环保意识和安全意识的日益增强，轮胎的性能要求被提高到 一个新的高度，主要体现在三个方面，安全性一一行驶稳定性；经济性一一低滚动阻力， 降低油耗减少废气排放量；舒适性一一减震降噪和乘坐舒适性【旧1 。欲使集以上特点于一 身的内支撑式安全轮胎被更多的人接受，设计时要兼顾结构、材料对其滚动阻力的影响， 因此，应先深入分析内支撑安全轮胎滚动阻力组成。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 轮胎的滚动阻力是一种能量损失的量度，即轮胎行驶单位距离损耗的能量，它的单 位应该是能量除以距离j m 1 2 0 。内支撑式安全轮胎在正常气压行驶过程与普通充气式 轮胎类似，其滚动阻力主要包括：轮胎橡胶的迟滞阻力、行驶过程中轮胎与路面产生的 摩擦阻力、行驶过程中的空气阻力。而当处于低胎压行驶状态时，内支撑与胎面接触产 生摩擦，此时内支撑式轮胎滚动阻力的组成和分配情况与正常充气不同，除了以上三个 力外，还存在内支撑与胎面内侧的附加摩擦阻力。 ( 一) 附加摩擦阻力 内支撑式轮胎低胎压滚动时轮胎内侧与内支撑直接接触，并且接触面为一弧面，因 弧段较短，可近似看成长方形，面积按式( 2 1 9 ) 计算，则附加的摩擦阻力f ，为内支撑 和轮胎内壁的摩擦力，由于接触摩擦的存在，引起轮胎磨损，其能量将转化为热能。 = 竿埘 ( 2 - 2 1 ) 爿， 式中：f ，一一附加摩擦阻力，j m ； 州一一内支撑弹性材料摩擦系数。 ( 二) 内支撑安全轮胎系统滚动阻力 综上所述，低胎压滚动时内支撑式安全轮胎滚动阻力由轮胎橡胶的迟滞阻力f ， 轮胎与路面产生的摩擦阻力e 行驶过程中的空气阻力凡和内支撑上的附加摩擦阻力 f ，组成。 f | ( = f ：七f i l f + f a + f l | l 2 2 2 、) 式中：r 一一内支撑式安全轮胎系统滚动阻力，j m ； f 一一轮胎橡胶的迟滞阻力，n ； e ，一一轮胎与路面产生的摩擦阻力，n ； 凡一一行驶过程中的空气阻力，n 。 2 3 3 降低内支撑轮胎滚动阻力措施 从以上分析可以看出内支撑式安全轮胎拥有优点的同时，增加了滚动阻力，了解滚 动阻力的一般性质和制约因素，对指导内支撑结构设计和材料选取提供依据，以期减小 内支撑轮胎能量损失。 ( 1 ) 选取合适的内支撑缓冲层材料。滚动阻力是粘弹性材料被挤压变形，发生弹性 迟滞所致，低滚阻材料作为缓冲层材料将有效降低内支撑低胎压运行时的滚动阻力。 ( 2 ) 轮胎体积指数越大，滚动阻力越大【2 1 】。减少体积是降低能量损耗的有效手段， 第2 章内支撑结构受力分析与方案设计 采用合理的结构设计，在保证内支撑强度和刚度的基础上尽可能减小内支撑的体积，不 仅减小了轮胎体积指数，降低了滚动阻力，还节省了材料。 2 4 总体设计方案的确定 根据三大设计要求和内支撑在两种工作状态下的受力分析，确定内支撑总体方案。 可将内支撑设计目标总结为：设计一种既能保证强度与刚度，又能实现结构简单、安装 与维护方便、质量小，振动小、散热好等目标的内支撑结构。 2 4 1 链板式内支撑结构总体方案的确定 米其林公司推出的p a x 系统是一体式内支撑，由于一体式结构在安装与维护上的众 多不便，因此它只能装于特质轮辋上，这种内支撑与轮辋装配面几乎为一圆环面，由轮 辋轴向一侧套在轮辋上，这种内支撑的安装和拆卸需要专用设备，一旦该系统发生故障 只能去授权的维修站进行维修【22 1 。因此，尚不适用于一般车型的选装，p a x 系统另一缺 点是循环利用率低，局部失效将使整体报废。 为了能使内支撑式安全轮胎在家用车领域得到普及，必须基于标准轮辋进行设计， 目前，家用轿车轮辋大多为深槽式轮辋，此类轮辋的特点是有较深的轮辋槽，轮辋截面 形状两头高中间低，根据其特殊结构将排除一体式内支撑设计思想，考虑到有限的胎腔 空间，将内支撑分为较小分体，并采用等分方式。 根据两种情况内支撑力学分析可知，内支撑在不同情况处于不同受力状态，除了分 体之间的预紧力外，常压时主要受高速旋转离心力作用，低胎压时转速较小，主要受到 车体重力作用，内支撑能否时刻都具备良好的力学性能是完成其续跑能力的前提条件。 链板式内支撑结构方案构思如下：内支撑结构由金属基体和装卡在基体上的内、外 层弹性材料组成，采用多块式分体设计，每个分体由三部分组成：内、外链板和一个置 于内外链板问的插入式辐板。辐板支撑起内、外链板，链板两端设置有与相邻分体两端 交错的圆柱孔，通过螺栓、垫圈将分体连接，内、外链板安装辐板一侧，设置有凹槽， 实现辐板径向、周向定位，辐板和凹槽过盈配合实现辐板轴向定位，外链板边缘设置有 卷边，用于装卡弹性材料，内链板和轮辋之间也装有一层薄弹性材料，这层弹性材料与 轮辋配合，靠其弹性将内链板锁紧在轮辋上，使得内支撑能稳定的固定在轮辋槽内，与 轮辋保持同步，根据国标( g b t3 4 8 7 2 0 0 5 汽车轮辋规格系列可知我国家用轿车一 般用5 。深槽轮辋，但其断面轮廓不尽相同，按形状又可分为b 型、j 型、t 型、j j 型、 k 型、l 型、l b 型，根据不同型号的轮廓选择不同截面弹性材料。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 链板式内支撑结构优点如下： ( 1 ) 无论在常压滚动较大离心力作用下，还是在零压行驶时离心力和车体重力共同 作用下，金属基体都能保证较高的强度与刚度，同时金属材料具有良好的散热性能，避 免低胎压行驶时由于摩擦力作用使内支撑温度过高。 ( 2 ) 多块式分体结构提供了更加充足的安装空间，分体结构小且分体间连接而成， 在有限的安装空间内使得安装更加灵活。 ( 3 ) 内链板与轮辋不存在配合关系，只需选配与轮辋截面形状相同的弹性材料，内、 外链板可以装于任意型号轮辋上，链板和辐板为互相独立的分体，结构简单，可实现批 量生产。 ( 4 ) 分体结构维护方便，如有损坏，只需更换个别受损部分即可，实现资源合理利 用，经济、环境效益更好。 ( 5 ) 内支撑金属基体与轮辋之间布置一层较薄的弹性材料环，避免内支撑和轮辋直 接接触，防止低胎压行驶时由于路面的冲击使得内支撑受轮辋冲击过大而破坏，此外弹 性体还起到锁紧内支撑，补偿制造和安装误差的作用。 ( 6 ) 外层弹性材料避免低胎压行驶中金属基体与胎体内侧直接接触而割破轮胎，外 层弹性材料较内层厚一些，这将有效缓解地面直接对金属基体的冲击，提高行驶安全性 和乘坐舒适性。 ( 7 ) 易于标准化，内层聚氨酯与轮辋配合，不同轮廓轮辋只决定不同截面聚氨酯， 不影响内链板形状，增强了链板的通用性，对相同直径、不同轮廓轮辋只需选用不同截 面聚氨酯，对不同直径，相同轮廓轮辋只需增减内层聚氨酯厚度，因此在完成与众多型 号，众多规格的轮辋装配使用时，链板式内支撑凸显其优点。 2 4 2 内支撑材料的选择 ( 一) 内支撑基体材料选择 为能在满足强度和刚度的条件下有效降低内支撑重量，除了进行结构上的设计，材 料的选取也是内支撑完成轻量化改造的另一有效途径。在交通运输业，经过多年的对比 研究，强度师、工艺师和经济师们得出一致结论：用铝合金制作交通运输工具，尤其现 代化车辆和船舶领域，跟复合材料、耐候钢和不锈钢比更具有经济型和先进性23 1 。本论 文选用铝合金作为内支撑基体材料具有以下优点： ( 1 ) 高强度可热处理合金，良好的机械性能，易于加工，耐磨性好。 ( 2 ) 在强度、刚度满足安全要求的同时，使用铝合金可减轻内支撑重量。 第2 章内支撑结构受力分析与方案设计 ( 3 ) 铝合金材料具有良好的耐腐蚀性，抗氧化性好，使用寿命长，维护费用低。 ( 二) 内支撑弹性材料选择 分体内、外链板上装卡弹性材料，外层弹性材料有效降低低胎压行驶时路面对车辆 的冲击，提高行驶安全性和舒适性；内层弹性材料较外层薄，与轮辋配合，不仅减小内 支撑结构对轮辋的冲击，而且补偿制造与安装误差。因此，弹性材料应具备耐磨、承载 能力强、耐高温等优点。 本设计中采用聚氨酯弹性体为内、外层弹性材料。聚氨酯弹性体是聚氨酯合成材料 中的一个品种，因此这种材料具有高强度、韧性好、耐磨、耐油等优点，具有橡胶的高 弹性的同时还具有塑料的刚性，被称之为“耐磨橡胶”，聚氨酯弹性体被成功的应用于 工业卡车轮胎上，这种轮胎比一般的通用橡胶轮胎在性能方面更具有优越性【2 4 j 。 聚氨酯弹性体轮胎具有很人的承载负荷能力，比同样规格的通用橡胶轮胎大得多， 表2 1 列出了聚氨酯弹性体和天然橡胶轮胎的承载负荷能力和相对成本的比较【”1 。 表2 1 聚氨酯弹性体和天然橡胶轮胎的承载负荷能力和相对成本的比较 最大负荷能力，磅聚氨酯天然橡胶 规格，英寸 聚氨酯天然橡胶负荷成本 2 2 8 6 3 8 ，0 0 05 , 5 1 0 6 94 2 1 8 5 1 2 51 8 5 0 02 9 5 07 1 4 1 1 6 3 1 2 58 3 2 01 2 1 07 02 4 1 0 3 6 56 7 3 08 4 08 01 4 从表2 1 中可以看出，同一规格的聚氨酯轮胎比天然橡胶轮胎承载能力强，成本也 高很多，但比较相对成本，承载能力增强的同时，相对成本降低，因此，聚氨酯的使用 是很有价值的，聚氨酯弹性体还具备耐油、耐低温等物理机械性能，因此，聚氨酯轮胎 在恶劣工况下，寿命也比一般橡胶轮胎长得多，聚氨酯轮胎还有一个优点就是其滚动阻 力小。聚氨酯轮胎和普通橡胶轮胎滚动阻力比较如图2 4 所示【2 6 】。 滚 动 1 5 f l 力 磅 图2 4 聚氨酯轮胎和普通橡胶轮胎滚动阻力比较 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 本章小结 作为内支撑安全轮胎系统的一部分，内支撑的工作状态与整个系统相关，本章通过 对内支撑常压、低胎压两种工作状态下性能需求分析，总结出内支撑设计应满足的使用 要求、性能要求和经济性要求。根据内支撑的两种工作状态，分析内支撑不同受力情况， 为方案的进一步确定提供理论依据，综合内支撑设计要求和受力情况确定内支撑方案为 以铝合金为基体，聚氨酯为缓冲材料的链板式分体结构，这种结构不仅满足强度与刚度 要求，而且具有结构简单、安装与维护方便、质量小、振动小、散热好等优点。 第3 章内支撑尺寸参数设计 第3 章内支撑尺寸参数设计 结构和尺寸参数共同决定着内支撑的性能，由于内支撑的特殊使用条件，其尺寸设 计与轮辋和轮胎有着密切的关系，轮辋与内支撑直接配合，本设计基于标准轮辋，因此 选用的轮辋型号和标定直径直接影响着内支撑截面形状和内径，所选用轮胎型号，决定 内支撑厚度与装配空间，因此，要从整体上把握内支撑尺寸，本章内容将提出内支撑结 构参数设计要求，选定所用的轮胎与轮辋型号，根据胎腔尺寸和轮胎变形确定内支撑宽 度，高度尺寸范围，建立内支撑安全轮胎系统