0 引言
因特种车辆作业工况及对象的特殊性,在实战、后勤保障、应急救援等任务中需要显著的机动性、快速反应能力和广泛的环境适应能力。轮胎对特种车辆的越野机动性能具有决定性的影响[1]。
充气轮胎在应用到特种车辆时存在不容忽视的弱点,如抗刺扎能力差,漏气后无法行驶,以及爆胎危险和制造工艺复杂等问题[2-3],非充气轮胎在特种车辆领域应运而生。
特种车辆在实战以及后勤补给任务中对其机动性、快速反应能力等有较高要求,所以特种车辆轮胎在各种极限条件下的性能也极严苛,主要包括以下方面:
1) 承载能力强。可以承载较重的车身、车内人员及武器装备;
2) 越野机动能力强。采用宽断面、大直径、降低接地压力等设计,使其拥有在沙漠、泥沼、雪地等恶劣条件下越野的能力;
3) 高耐磨和抗刺扎性。在各种危险的路况、路段上确保轮胎的承受能力,使其部分损坏后仍能运行;
4) 速度等级分明。在各类特种车辆,发挥机动性的前提上提高反应能力;
5) 轻量化。在不影响性能的前提下,尽量减小轮胎质量,从而降低能耗,提高车辆转运性;
6) 环境适应性。特种车辆轮胎需耐全天候恶劣环境,从高寒、高热到潮湿、干燥等地带。
由以上所述特种车辆轮胎的特殊性便可以看出,非充气型安全轮胎在特种车辆领域,因其具有优秀的机动承载能力、良好的环境适应能力和扩展能力,存在广阔的市场和发展前景[4],将会成为近年来特种车辆轮胎发展的一个亮点。
1 非充气轮胎研究现状
非充气轮胎最初为实心结构,胎内填充物为橡胶、海绵或高弹性聚氨酯等。目前,此类浇注式聚氨酯实心轮胎较广泛地应用于炮车和轮式装甲车上[5]。
新型非充气轮胎诞生于21世纪,改变了早期非充气轮胎的实心结构,利用轮辐结构形式上的改变进行对其进行各类研究。经过发展,非充气轮胎轻量化增强,最高行驶速度提升,使新型非充气轮胎配备在特种车辆上成为了可能。
1.1 国外非充气轮胎研究现状
1) Tweel非充气轮胎
在2005年,法国的米其林公司率先研制出Tweel非充气轮胎[6-9],第一款非充气轮辐式轮胎诞生。如图1所示,Tweel轮胎由轮毂、轮辐、剪切带和胎面组成的,其轮辐的材料是高分子树脂。2006年,米其林将此款轮胎用于月球车及全地形车辆。但是,这款轮胎在速度达到80 km/h以上就会出现极大噪音,所以只适用于慢速的全地形车、工程车及割草机等。
图1 米其林Tweel非充气轮胎
Fig.1 Michelin Tweel non-pneumatic tyres
2) 蜂巢结构仿生非充气轮胎
在美军国防部资助下,Resilient公司于2008年推出了由聚合物制造的蜂窝状新型非充气轮胎,如图2所示,其蜂窝结构的伸张变形运用了仿生学原理[10-13]。蜂巢结构轮胎防爆能力优秀,可以在轮胎表面被破坏后继续以80 km/h的速度承载车辆行驶。如今,该款非充气轮胎应用于军用悍马车辆及Polaris全地形车[14-16]。
图2 军用仿蜂巢结构非充气轮胎
Fig.2 Military non-pneumatic tyre with imitation honeycomb construction
这款轮胎的仿生灵感来自蜂巢,其刨面为相对稳定的六边形蜂室结构,能够很大程度上防止轮辐破裂,有较大的抗冲击能力。
3) iFlex不规则蜂巢非充气轮胎
2015年,韩泰公司用聚氨酯材料制作出不规则蜂巢结构非充气轮胎iFlex[17]。如图3所示,该款轮胎由胎面、蜂巢结构支撑和内环组成,此结构可以对行驶噪声产生抑制作用,并且对来自地面的振动进行高效地削弱。轮胎还有降低滚阻的效果,由此来节省油耗。起亚Ray电动车曾搭载iFlex轮胎进行测试,发现其最高行驶速度可达130 km/h。
图3 韩泰I-Flex非充气轮胎
Fig.3 Hankook I-Flex non-pneumatic tyres
4) 固特异Turf Command仿鱼叉非充气轮胎
2017年,固特异公司使用热塑性材料制造了全新的非充气轮胎。如图4所示,Turf Command轮胎的轮辐为鱼叉结构,实现了刚柔体并济的新式融合。此轮胎有行驶平稳的特性,也确保所需的载重能力。目前,该轮胎已搭载到一款割草机。
图4 固特异Turf Command非充气轮胎
Fig.4 Goodyear Turf Command non-pneumatic tyres
1.2 国内非充气轮胎研究现状
国内相较于国外对于非充气轮胎研究相对较晚,但也有了许多不错的成果。
1) 铰链式非充气轮胎
赵又群利用现存金属材料推出新型机械弹性车轮。如图5所示,此轮胎为我国特种车辆非充气轮胎设计中的首次突破。该非充气轮胎主要由铰链组、轮毂、胎面及弹性环等组成,弹性环与胎面硫化一体,车轮外圈与轮毂通过铰链连接,使非充气轮胎成为整体[18-19]。这款机械弹性车轮安全、节能、承载能力高和生产便利。
图5 铰链式免充气轮胎
Fig.5 Articulated non-pneumatic tyres
2) 负泊松比材料非充气轮胎
具有负泊松比的材料,在某一方向拉伸时,材料在垂直方向膨胀;相反,当材料在某一方向压缩时,材料在垂直方向收缩。近年来,具有负泊松比的材料得到了大量应用。如图6所示,赵颖[20]研发出了一款新型负泊松比特性非充气轮胎,其支撑体结构由凹四边形结构通过三层堆积组成。
图6 三层凹四边形微结构非充气轮胎
Fig.6 Triple concave quadrilateral microstructure non-pneumatic tyre
2 非充气轮胎的性能分析
轮胎支撑汽车的质量,传递地面与车轮连接各方向的力与力矩,行驶时缓和冲击,并减低冲击振动。此外,非充气轮胎由于结构原因会导致行驶时产生较大胎噪,所以降噪研究也是重要一环。
2.1 非充气轮胎减振研究
丁剑平等[21]用ABAQUS对385/65R22.5型号轮胎进行了分析仿真,结果发现,轮胎径向载荷改变可导致轮胎接地区域面积的增加。接地面积由类椭圆形变为类马鞍形,接地压力分布由中高两边低变为中低两边高。
如图7所示,Akshay Narasimhan等[22]利用有限元方法分析一款非充气轮胎模型,得到了非充气轮胎在高速行驶过程中,地面对轮胎的反作用力、径向刚度和振动性能的影响。
图7 轮辐在滚动仿真中的位移
Fig.7 Spoke displacement in rolling simulation
李遥薇等[23]对蜂窝状非充气轮胎进行研究,粘弹性蜂窝夹层使用的复合材料相关阻尼频率是研究重点,进而对蜂窝状轮辐在不同载荷作用下的形变做总结。他基于非充气轮胎自由振动的问题,对无阻尼固有频率进行了理论推导。
靳晓雄等[24]创建了轮胎刚度与阻尼非线性数值模型。对轮胎刚度和轮胎变形量以及轮胎振动频率之间的关系进行分析,如图8发现轮胎变形量与轮胎刚度呈非线性正相关。
图8 轮胎-变形垂向载荷关系
Fig.8 Tyre-deflection vertical load relationship
2.2 非充气轮胎降噪研究
如今的非充气轮胎大多为开放式轮辐设计,汽车运行时,轮辐结构会对轮胎周围的流场产生影响,导致气动噪声增强。
利用仿生学方法对结构改进,是降低物体表面噪声的有效手段。Bachmann等[25]研究猫头鹰静音飞行原理,发现猫头鹰翅膀的羽毛存在前后向分布的凸纹和凹槽(见图9),凹凸不平的表面可以降低湍流强度、压力波动和反向旋转的涡流强度,从而降低涡流冲击导致的噪声。这种非光滑表面的仿生结构可以作为降噪的强力手段。
图9 猫头鹰羽毛表面的非光滑结构
Fig.9 Non-smooth structures on the surface of owl feathers
黄慕枫[26]对非充气轮胎轮辐噪声特性及降噪措施进行探究,对非充气轮胎空气区域流场做CFD模拟,并采用FH-W方程得到轮胎周围各个测点声压级。根据声源的种类和区域,提出了2种降低非充气轮胎噪声的结构方式:① 图10将轮辐横向分段;② 图11在轮辐表面添加不光滑结构。
图10 轮辐横向分段前后对比图
Fig.10 Comparison of spokes before and after transverse segmentation
图11 不光滑结构横截面图
Fig.11 Cross-sectional view of unsmooth structure
3 非充气轮胎的机理研究
3.1 结构分析
非充气轮胎的结构从诞生时期的实心胎变成了如今轮辐形式各异且利用多类仿生结构的轮胎。其核心部件为支撑结构,通过对支撑结构的设计,使非充气轮胎具有同规格充气轮胎类似的承载能力和减震能力[27]。但因内部构造和风阻问题,往往在高速行驶时产生较大振动。
如Tweel轮胎,轮辐式非充气轮胎的支撑结构由弹性辐条圆周阵列形成;如仿生蜂窝轮胎,多孔式非充气轮胎主要是支撑体为六边形、菱形等的通孔圆周阵列形成,此轮胎通过孔壁扭曲变形能够提供车轮运动所需的弹性支撑;机械式非充气轮胎通过具有弹性的机械体、橡胶化合物等连接来获得弹性支撑体。
图12为2019年米其林与通用公司研制的uptis非充气轮胎,其内部结构选取密集的玻璃纤维条,无需充气仅靠柔软的支撑条来承载车身质量并化解路面振动。此轮胎结构新颖且很难被扎穿,且胎面部分被扎穿后不影响正常驾驶。
图12 米其林uptis非充气轮胎
Fig.12 Michelin uptis non-pneumatic tyres
3.2 刚度机理
在轮胎机理研究中,轮胎的径向刚度即轮胎承受负荷。此外,轮胎径向刚度也影响轮胎的形变,所以对乘坐舒适性和行驶阻力产生较大影响。
王强[28]对机械弹性车轮径向刚度进行分析,如图13所示,针对设计的机械弹性车轮,利用曲梁理论建立了弹性闭环曲梁模型,分析了车轮刚度等基本刚度与激励频率的关系,了解了车轮变形和激励频率对车轮刚度的影响。
图13 机械弹性非充气车轮
Fig.13 Mechanically flexible non-pneumatic wheels
目前,市面上的非充气轮胎多使用合成橡胶材料作为其力学结构支撑,弹塑性较好,利于车辆的平顺行驶[29],但由于是柔性体则会导致径向刚度不够。针对重载、高冲击问题,张陈曦[30]发明了一种利用伪刚体和輮轮组合结构的伪刚性免充气轮胎,如图14所示,将伪刚体理论与轮胎变形方程耦合,对轮胎下沉和形变进行求解。结果表明,伪刚性非充气轮胎的凹陷与载荷成正比,得知其径向刚度优于普通轮胎。
图14 伪刚性非充气轮胎
Fig.14 Pseudo-rigid non-pneumatic tyres
3.3 运行机理
安全行驶在汽车发展中极为重要,对于特种车辆更甚。非充气轮胎可以很好地避免漏气和爆胎,在特种车辆尤其是军用车辆中,不间断的安全行驶成为考量特种车辆生存和机动的重要指标。
Ju Jachyung等[31]在对一款蜂巢结构的非充气轮胎进行接地压力分布时发现,若轮胎上的环形加强带呈现负蜂窝角度结构,则可在实现与普通蜂窝状仿生轮胎相同的平面剪切特性,且大幅减弱接地面的压力分布。
M.veeramurthy等[32]研究了环筋剪切模量对滚动阻力、径向刚度、最大接触压力及压痕分布的影响。结果表明,随着剪切模量的增加,滚动阻力减小,径向刚度呈线性增长,最大接触压力缓慢增加,接触压力长度减小,压力分布不均匀增大。
Jin Xiaochao等[33]基于ABAQUS软件,分析了蜂巢角度对接地压力分布、承载能力及滚动阻力的影响,发现蜂巢结构厚度相同时,最大应力正相关蜂巢角度,承载能力负相关蜂巢角度。接地印迹压力分布对车辆的平顺性、操稳性及磨损有重要影响[34],但当加入环形增强带便可使轮胎在接地区域的压力平均分布。
李大双[35]运用非线性有限元法,如图15分别建立了各向异性材料、B21梁单元的环形增强带模型,通过达到对于分析理论与仿真结果的统一性,得到非充气轮胎接地的运行机理,选择出合理设计的环形增强带非充气轮胎。
图15 各向异性材料与B21梁模型
Fig.15 Anisotropic materials and the B21 beam model
4 非充气轮胎的优化实验
非充气轮胎的设计具有连续性、周期性,尤其在特种车辆上,应在产品研发前后对其进行大量的优化实验和力学特性研究以达到其应用目的。如今,需要大量探索非充气轮胎的优化结构设计方法,为非充气轮胎的研究提供新思路。
4.1 非充气轮胎拓扑优化研究
拓扑优化是一种数学方法,它根据设定的力、约束和各项性能,优化特定空间内的材料布局。拓扑优化包括尺寸和形状优化,是在初步设计阶段确定产品初始配置的有效手段。
根据传统充气轮胎的性能要求,国外研究者采用结构优化的方法对非充气轮胎进行设计或优化。Jang等[36]在进行结构设计时,优化目标函数为非充气轮胎的静刚度,根据柔度加权和体积约束的2种优化公式,改变截面数、体分比、权重因子,得到不同的结构。
如图16所示,Thyagaraja等[37]研究轮胎滚动,通过系统优化的方法研究了非充气轮胎的材料和低滚动损耗的尺寸要求,以统计分析的方法确定设计变量,最后利用优化方法调整了材料的周期结构分布情况。
图16 滚动损失的成因
Fig.16 Causes of rolling losses
Mohan等[38]根据尺寸优化方法对接触压力进行检验,通过改变非充气轮胎刚性轮毂和可变形轮辐尺寸,研究非充气轮胎的滚动阻力和承载能力。
Pramono等[39]提出一种基于BP神经网络和GA的非充气轮胎结构优化方法。利用反向传播神经网络预测了各参数之间的关系,求解轮胎优化设计响应,确定轮胎最优设计方案。
国内研究人员也进行了相关方面的研究,如图17所示,张世豪[40]采用稳健参数设计方法,建立了正交试验。分析了设计因素对拓扑优化的贡献,并在最佳参数水平上获得载荷和应变能的最佳组合。
图17 稳健设计流程框图
Fig.17 Robust design flowchart
为了使非充气轮胎刚度变得更大,何炬等[41]建立了二维非充气轮胎模型,通过推导单元灵敏度,设计二维线性非充气轮胎结构,保证非充气轮胎在不同体积比和不同旋转周期数下的优化设计。
4.2 非充气轮胎的力学特性研究
非充气轮胎重要部分即聚氨酯材料轮辐和橡胶胎面,其结构和材料对车轮的刚度、行驶阻力、和接地压力有较大影响。国内外学者对非充气轮胎的力学特性所涉及的理论建模、数值分析及实验方法做了颇多深层次研究。
Veeramurthy等[42]采用有限元法对轮辐厚度、剪切带厚度和聚氨酯剪切模量进行研究,发现上述条件对滚动阻力、垂直刚度和接触压力的影响,并如图18得到了适宜的蜂窝辐条设计。并证实PU材料的轮盘厚度、剪切模量对轮胎的性能有重要影响。
图18 适宜的蜂窝辐条结构
Fig.18 Suitable honeycomb spoke structure
Kumar等[43]利用SIMULIA/Abaqus对其设计的多菱形非充气轮胎进行分析,结果如图19所示,发现若轮辐采用此种侧向圆周排列方式,则当与其他车辆侧向载荷相同时,多菱形非充气轮胎的侧向变形较小。
图19 钢圈与皮带加固柔性菱形辐条的应力分布
Fig.19 Stress distribution of steel rims with belt-reinforced flexible diamond-shaped spokes
5 非充气轮胎的仿生结构
仿生非充气轮胎是在轮胎设计过程中的一种独具特色的设计方法,仿生设计分为结构与功能仿生2个方向。仿生非充气轮胎主要依靠结构仿生这一方面。结构仿生学是指在设计过程中,对仿生物体的整个或部分结构进行加工和安排,并将其应用于设计物体的外观,使人们能够产生某种联想的设计方法[44]。
非充气轮胎的仿生学原理体现在辐条结构上,王奥[45]根据对蛛网的观察,如图20所示,提出了一种新型的蛛网仿生非充气轮胎,通过对其进行仿真研究,得到调节辐条参数,可以使蛛网结构非充气轮胎径向弹性性能与充气轮胎相近,并且做到受外力破损时轮胎性能不发生巨大改变,确保行驶安全。
图20 蛛网仿生非充气轮胎
Fig.20 Spider web bionic non-pneumatic tyre
如图21所示,何宜玖[46]以菱形与蜂窝六边形结构式非充气轮胎为基础,提出菱形为主体的蜂窝菱形组合结构式轮胎。通过仿真分析得到了菱形与蜂窝六边形最适宜的比例组合,开发出一种新型的仿生非充气轮胎。
图21 菱形与蜂窝六边形结构式非充气轮胎
Fig.21 Diamond and honeycomb hexagonal structured non-pneumatic tyres
向仲兵[47]在分析鸟巢结构时发现,连接中每根主桁架相切于内部的椭圆,这种结构可以保证单个少量桁架受力时能够通过椭圆把力分散到其余桁架,因此此结构有高稳定性。如图22所示,设计了一种鸟巢结构式汽车非充气轮胎。
图22 鸟巢结构式非充气轮胎
Fig.22 Bird’Nest structural non-pneumatic tyres
6 未来研究方向与展望
6.1 未来研究方向
1) 充气轮胎经过多年的发展,在振动性能分析方面已经形成了较完善的研究体系,但对于非充气轮胎的降噪性能研究方法较少,非充气轮胎在高速行驶时外露轮辐型结构的风阻和接地面滚动产生的噪音如何大幅降低是未来的研究方向。
2) 充气轮胎的刚度机理影响着车辆的乘坐舒适性和阻力,在未来可以对非充气轮胎的结构与材料进行新的探索,得到更适合的轮胎刚度用于各类车辆上。不仅如此,非线性特性的可变刚度非充气轮胎也将是未来的研究重点。
3) 非充气轮胎的优化实验方面,研究者在结构和力学研究上收获颇丰,而非充气轮胎的疲劳实验进行并不多。之后的研究可以对以标准疲劳试验及有限元模拟相结合的形式开展,明确非充气轮胎的损伤失效理论,准确预测轮胎寿命,增强可靠性。
4) 充气轮胎的仿生结构是近年来热门的研究方向,但其大多只停留在学术研究仿真模拟阶段,无法保证其真实运行的合理性、可靠性和科学性。所以未来的发展应该要规范标准,把理论模型变为实物制造,以此消除非充气轮胎在理论研究中的模糊性和不确定性。
6.2 展望
非充气轮胎能降低轮胎破损或爆胎后的事故率,车辆安全性和可靠性大为提高。但解决大部分非充气轮胎在高速行驶时产生较大振动、运行时的刚度变化和胎面轮辐弹性变形导致接地面积增加这些问题依旧重要。
与国外先进技术相比,我国特种车辆轮胎的发展起步较晚,但发展很快[48]。因此,应不断推进非充气轮胎在特种车辆方面的研究。在现有结构上进行非充气轮胎的优化工作有助于提高非充气轮胎的性能水平。
非充气仿生轮胎是一项新颖且有研究价值的学术方向,它的发展与科学技术进步关系密切。未来,更简单、直观、现代化的设计将是非充气轮胎的发展方向,不同的新式轮胎将在不同的环境中充分发挥其优异性能。
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