基于稳健设计的非充气轮胎结构设计

摘要

　　随着科技技术的发展，人们对轮胎的性能也提出了较高的要求，非充气轮胎以其独特的优势将成为未来轮胎发展的趋势。相较于传统轮胎，非充气轮胎在材料的选择和结构的设计方面都有较大的不同之处。材料方面，非充气轮胎的材料主要体现在轮辐方面，这是由于在整个非充气轮胎的变形中，轮辐是主要的受力点，决定着整个非充气轮胎的性能。结构方面，非充气轮胎一般包括轮辐和剪切带两部分结构，其结构更简单化。

　　稳健设计就是通过调整设计变量及控制其容差使可控因素和不可控因素当与设计值发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法。话句话说，就是在研发和改善产品的前期，通过模拟和实验找出影响因子，通过改变条件得出最优值，达到改善产品的目的，使所生产的全部产品符合所设定的目标要求，并能够大大的减少损失和降低成本。

　　本文以一种新型结构的非充气轮胎为例，结构主要包括轮毂以及具有一定弧度的轮辐和剪切带。剪切带有内衬层、带束层和橡胶层三层组成。刚性的轮毂可以为非充气轮胎提供一个支撑作用，保证非充气轮胎在运动过程中的稳定性。轮辐为具有超弹性的聚氨酯材料（PU 材料），剪切带的作用是保证轮胎与地面的接触和应力，其中，内衬层的作用是固定轮辐，可以看作为轮辐与外环的缓冲带。带束层是保证非充气轮胎外环的刚度，起到保护和支撑外环的作用，而最外面的橡胶层则是轮胎与地面接触的保障，具有良好的耐磨性。

　　针对非充气轮胎的结构，利用三维建模软件和有限元分析软件建立分析模型。首先在三维软件中作出非充气轮胎的三维造型，然后导入到有限元分析软件中进行材料、接触、边界条件和载荷工况的设置，进而进行静态及滚动状态分析。

　　选取影响非充气轮胎的静态结构的主要因素，采用稳健参数设计方法，选出需要的目标量，根据有限元分析得出的结果，建立基于正交试验设计的直角表，以定量分析各设计因素对非充气轮胎性能的影响，研究关键结构参数对非充气轮胎性能稳健性的影响，获得使非充气轮胎对目标量的具有稳健性的最优参数水平组合，为新型非充气轮胎特性研究及数字化设计提供有效方法和理论支持。

　　在非充气轮胎滚动状态分析中，考虑到速度和接触面等因素的影响，利用稳健设计的理论，提高非充气轮胎的抓地性能。在抓地性能的研究中，以非充气轮胎和地面之间的摩擦力作为衡量指标。通过提高非充气轮胎的抓地性能，可以提高轮胎操控性。在非充气轮胎中，随着滚动的平稳进行，带束层作为主要的受力部件，其受力状态对非充气轮胎的力学性能有很大的影响，对带束层的优化设计有利于提高整车的舒适性。

　　关键词：非充气轮胎，稳健设计，有限元分析，滚动性能

Abstract

　　With the development of science and technology, people put forward higher requirements on the performance of tire, and the non pneumatic tire will become the future development trend of tire with its unique advantages. Compared with the traditional tires, non pneumatic tires in the choice of materials and structural design has a big difference. Materials, non pneumatic tire materials are mainly embodied in the spokes, this is because in the tire deformation, spokes is the main force, decides the performance of non pneumatic tire. In structure, non pneumatic tire generally includes two parts: spokes and tread, and the structure is simpler.

　　Robust design is a kind of engineering method which can ensure the quality of products by adjusting the design variables and controlling their tolerances to the controllable and uncontrollable factors. In other words, is in the early stage of development and improvement of the product, through simulation and experiment to find out the influence factor, by changing the conditions of the optimal value, improve the product to make all the products meet the set objectives and requirements, and can greatly reduce losses and reduce cost.

　　First of all, a new type of non-pneumatic tire is introduced, which is a rigid hub, a super elastic, spoke and shear belt with a certain radian. The shear is composed of three layers: an inner lining layer, a belt layer and a rubber layer. The rigid hub can provide a support function for the non-pneumatic tire, and ensure the stability of the non-pneumatic tire during the movement. The spoke is a kind of super elastic polyurethane material (PU material), which is a new type of organic polymer material. The role of shear band is to ensure the contact and stress of the tire and the ground, in which the role of the lining layer is fixed spokes, can be seen as the spokes and the outer ring buffer. The belt layer is to ensure the stiffness of the outer ring of the non-pneumatic tire, which can protect and support the outer ring, and the outer rubber layer is the guarantee of the contact between the tire and the ground.

　　Secondly, combined with non-pneumatic tire structure, carried out a series of processing using 3D software and finite element analysis software, 3D software to draw the non-pneumatic tire model, and then imported to the finite element analysis software set of materials, contact, boundary conditions and loading conditions, analysis and experiment results.

　　Again, main factors influencing non static structure of pneumatic tire, the design method of robust parameter, select the target amount, based on the experimental results the experiments, establishment of orthogonal design table based on right angle, to quantitatively analyze the effect of the design factors on non-pneumatic tire performance. The influence of structure parameters on inflation the tire performance robustness to non, get the optimal parameters of tire level combination has the robustness of the target amount, to provide effective methods and theoretical support for the new tire characteristics and digital design.

　　Finally, taking into account the influence of velocity and contact surface, the theory of robust design is applied to improve the performance of non-pneumatic tire. In the study of the performance of the ground, the friction between the tire and the ground is taken as the measure index. By improving the performance of the non- pneumatic tires, can solve a lot of rolling problems, is the main way to improve handling. In the non-pneumatic type, with smooth rolling, the spokes deformation, squeeze strain energy, this is the tire itself internal energy, and the belt as the main force components, the stiffness of the mechanical properties of the non-pneumatic tire has a great influence on optimization design, with a layer of beam to improve the comfort of the vehicle.

　　Keywords: non-pneumatic tire, robust design, finite element analysis, rollingperformance

　　随着现代科技技术的发展，当前社会对于车辆速度和行驶环境提出了较高的要求，这也相应的提高到了对轮胎的要求。轮胎是车辆与地面接触的唯一的部分，不仅作为整个车辆的支柱，起到支撑作用，而且还可以向地面传递驱动和转向力矩；不仅可以提供较高的乘坐舒适性，而且还是车辆行驶平顺性的保障，因此轮胎对于车辆的重要性不言而喻。依据交通部门的统计，近年来由于漏气、爆胎引发的交通事故居高不下，传统的充气轮胎的橡胶材料的磨损、气压的不稳定等一些特征也能够引发较大的交通事故。传统的充气轮胎缺点体现在以下几个方面：只有保证合适的轮胎气压才能正常的平稳行驶，过高或过低都会影响车辆的安全；容易被扎胎，导致漏气等，造成事故；随着制造轮胎工艺的提高，需要合适的材料才能满足轮胎的各方面的要求。在军事方面，普通轮胎无法承受轻武器和地雷的袭击[1-3]。由于传统的充气轮胎的各方面的性能受到限制，因此研究出了各种各样的新型轮胎，其中最具有革命化的意义[4]的是非充气轮胎的运用，不仅打破了传统充气轮胎的设计理念，还从材料的选择和加工，机械设计等一系列的方面进行了优化[5]，使轮胎的发展向着智能、环保、安全等方面大步前行[6-7]。

　　相较于传统轮胎，非充气轮胎在材料的选择和结构的设计方面都有较大的不同之处，但存在一个无可争议的优点就是比传统轮胎更现代化、更简洁。非充气轮胎一般包括轮辐外加剪切带的结构，轮辐的材料必须具有高强度和高弹性等特点，因此轮辐的优越性是重点是保证非充气轮胎特性的最关键部分。非充气轮胎相比较于传统轮胎有以下优点：

　　由于非充气轮胎不是依靠空气支撑车辆的重量和增加轮胎弹性，因此不需要充气，具有防扎、防爆等特点，安全性能得到很大的提高；当非充气轮胎收到垂向的载荷时，其中的可变形的支撑体能够产生较大的变形量，相比较于普通的轮胎，能够减小路面通过轮胎传递到车身和悬架的冲击力，从而提高车辆的行驶平顺性；非充气轮胎的支撑体在作用的过程中会产生较大的变形，这就导致了车轮与地面的接触面积大幅度的提高，随着接触面积的增大，车轮对地面的附着力会增大，从而提升车辆的驱动和制动性能；非充气轮胎的支撑体均采用侧向排布，这种结构的优点在于：当车轮承受侧向载荷时，其受力的方向与支撑体作用力的方向平行，支撑体间的间隙会失效，这时候轮胎的的支撑作用完全通过支撑结构来决定，轮胎侧向形变量会变小，车轮的侧偏刚度会增大，从而保证了车辆的操控稳定性。当然，由于独特的结构特点，非充气轮胎自身也存在一些缺陷[8]，主要变现在：非充气轮胎的支撑体是裸露在外面的，所以一旦异物进入车轮内部，将会导致支撑结构受到严重的损坏。如若在积雪路段、泥泞路段行驶，带有附着效应的积雪和泥土便会堆积在支撑体的间隙中，从而影响车轮的变形；伴随着非充气轮胎的滚动，将会产生较大的垂向变形，带来的后果是产生较大的滚动阻力。如果高速运转，车轮会产生大量的热量，将会导致胎圈材料性能的失效，所以非充气轮胎到目前为止还不能承受较高的速度。对非充气轮胎的使用环境就提出了较高的要求，仅适用于效率要求不高、速度要求不高等环境[9]。

　　随着科技的迅速发展，人们对于车辆轮胎的性能提出了更高的要求来满足不同的状况，在这样的大环境下，非充气轮胎的发展必将打破人们的传统思维，以后非充气轮胎的发展势在必行，非充气轮胎是轮胎技术的重大变革和技术突破[10]，开展非充气轮胎结构合理化、优化等设计理论及方法的研究，对其静态性能进行深入分析，对其滚动状态进行结构设计，尽早钻研出具有自主知识产权且装备成型的非充气轮胎，对我国发展非充气轮胎结构设计方法、提高行车安全等都具有重大的理论意义和应用价值，因此在不远的将来非充气轮胎将具有较大的市场和重要的价值意义。

　　正是由于非充气轮胎的独特的优点，本文是以一种新型的非充气轮胎为例，结构为刚性的轮毂，超弹性的且具有一定弧度的轮辐和剪切带，其中，剪切带有内衬层、带束层和橡胶层三层组成。刚性的轮毂可以为非充气轮胎提供一个支撑作用，保证非充气轮胎在运动过程中的稳定性。轮辐和橡胶层为具有超弹性的聚氨酯材料（PU 材料），它是一种新型的有机高分子材料。剪切带的作用是保证轮胎与地面的接触和应力[45]，其中，内衬层的作用是固定轮辐，可以看作为轮辐与外环的缓冲带。带束层是保证轮胎外环的刚度，起到保护和支撑外环的作用，而最外面的橡胶层则是轮胎与地面接触的保障，必须具有良好的耐磨性。利用 SolidWorks 三维软件建立模型，然后利用具有的强大的有限元网格划分前处理功能的 hypermesh 划分网格，最后进行有限元的分析。

　　本文以建立新型结构非充气轮胎为主要研究目标，考虑胎面接触、滚动速度等因素的影响，选取需要的目标量，采用稳健参数设计方法，根据模拟出的理论结果，建立基于正交试验设计的设计因素分析方法，以定量分析各设计因素对轮胎性能的影响；研究关键结构参数对非充气轮胎性能稳健性的影响，获得使非充气轮胎对滚动速度和载荷变化等具有稳健性的最优的参数水平组合，为新型非充气轮胎特性研究及数字化设计提供有效方法和理论支持。

　　非充气轮胎结构设计：

轮辐的变形

非充气轮胎的接触面

非充气轮胎应力分布

非充气轮胎滚动时的接触状态

非充气轮胎滚动摩擦应力

目 录

　　摘要
　　ABSTRACT
　　第 1章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 非充气轮胎研究现状
　　　　1.3 非充气轮胎的力学分析
　　　　　　1.3.1 力学性能
　　　　　　1.3.2 力学性能的影响因素
　　　　1.4 本文研究内容
　　第 2章 稳健设计方法
　　　　2.1 稳健设计及其标准化设计
　　　　2.2 产品设计的重要性
　　　　2.3 标准化设计的必要性
　　　　2.4 稳健设计的运用步骤
　　　　2.5 稳健设计的特征
　　　　　　2.5.1 SN 比
　　　　　　2.5.2 稳健设计中的静态特征
　　　　　　2.5.3 零点望目特征和一般望目特征
　　　　2.6 本章小结
　　第 3章 非充气轮胎有限元模型
　　　　3.1 非充气轮胎结构
　　　　3.2 材料模型选择
　　　　3.3 网格生成
　　　　3.4 边界条件和接触设定
　　　　3.5 载荷工况设定
　　　　3.6 定义作业并提交运行
　　　　3.7 本章小结
　　第 4章 非充气轮胎的稳健设计及静态性能分析
　　　　4.1 标准正交试验设计
　　　　4.2 位移量与力的关系
　　　　4.3 轮辐变形
　　　　4.4 接地状态
　　　　4.5 轮胎结构应力分布
　　　　4.6 本章小结
　　第 5章 非充气轮胎的稳健设计及滚动性能分析
　　　　5.1 非充气轮胎滚动性能影响因素
　　　　　　5.1.1 摩擦力的影响
　　　　　　5.1.2 带束层结构对轮胎刚度的分布影响
　　　　5.2 抓地性能研究
　　　　5.3 应变能变化规律
　　　　5.4 滚动接触状态
　　　　5.5 滚动摩擦应力
　　　　5.6 本章小结
　　第 6章 结论与展望
　　　　6.1 结论
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致谢

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