一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮及加工工艺
阅读说明：本技术 一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮及加工工艺 (Non-inflatable wheel with imitated square bamboo supporting structure and processing technology ) 是由 邓耀骥 王志越 龚俊杰 沈辉 郑再象 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮及加工工艺,其车轮从外到内包括：仿方竹支撑体结构、轮毂。进一步的,所述仿方竹支撑体结构沿轮胎径向依次分为胎冠、仿方竹支撑体结构以及胎内圈。本发明设计了″S″形仿方竹结构的方形圆角加肋的薄壁支撑结构,这种结构的支撑体可以起到较好的减振吸能的作用且本身结构稳定在车辆较高速行驶时其振动较小,有利于减少噪音。针对一般非充气轮胎散热差的问题,在基于″三明治″结构的剪切带的基础上设计了增强层-网状剪切层-增强层的改良结构,以加强散热、减小温升。(The invention discloses a non-inflatable wheel with a square bamboo-like supporting structure and a processing technology, wherein the wheel comprises the following components from outside to inside: imitative square bamboo supporter structure, wheel hub. Furthermore, the imitation square bamboo support body structure is sequentially divided into a tire crown, an imitation square bamboo support body structure and an inner tire ring along the radial direction of the tire. The invention designs the thin-wall supporting structure with square round corners and ribs of the S-shaped imitated square bamboo structure, the supporting body of the structure can play a better role in vibration reduction and energy absorption, and the structure is stable, so that the vibration is smaller when a vehicle runs at a higher speed, and the noise is reduced. Aiming at the problem of poor heat dissipation of a common non-pneumatic tire, an improved structure of a reinforced layer-a reticular shear layer-a reinforced layer is designed on the basis of a shear band based on a sandwich structure so as to enhance the heat dissipation and reduce the temperature rise.)
技术领域
本发明属于非充气轮胎设计技术领域，特别是涉及一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮及加工工艺。
背景技术
轮胎是车辆的重要部件之一，作为汽车上唯一与地面接触的部件，轮胎不仅需要支撑车辆还要和汽车悬架一起减缓冲击、振动。充气轮胎从发明至今已经有一百多年，其技术已经趋于成熟。但随着时代的发展，汽车已逐渐走入家家户户，充气轮胎的缺陷也渐渐暴露出来。目前的充气轮胎是用橡胶密闭有压力的空气，因此当轮胎受到尖锐物体的伤害时，便有发生漏气、甚至是爆胎的风险，从而可能对驾驶员的生命财产安全造成极大威胁。正应如此，非充气轮胎应运而生。其采用非充气结构，利用轮胎自身材料和结构实现支撑以及缓冲的作用从而代替了充气结构，具有免充气、防爆、安全、耐用等传统充气轮胎无法具备的优点，提高了车辆行驶的安全性，是轮胎发展的一种大趋势且具有广阔的市场和良好的发展前景。但同时传统的非充气轮胎由于其支撑结构的局限也存在着减震性差、承载能力低、噪音大、散热效果差等不足，有待人们进一步研究、发展。
薄壁管结构是种优良的吸能结构，但传统的方管、圆管的耐撞醒、易安装性和稳定性有待提高。本发明借鉴了自然界中方竹的方圆截面加肋的结构，加强了薄壁管的性能，并将其进行改良以运用到非充气轮胎的支撑体上。设计出轻便、减震性强的仿方竹支撑结构非充气轮胎。
发明内容
针以上问题，本发明提供一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮及加工工艺，设计了″S″形仿方竹结构的方形圆角加肋的薄壁支撑结构，这种结构的支撑体可以起到较好的减振吸能的作用且本身结构稳定在车辆较高速行驶时其振动较小，有利于减少噪音。针对一般非充气轮胎散热差的问题，在基于″三明治″结构的剪切带的基础上设计了增强层-网状剪切层-增强层的改良结构，以加强散热、减小温升。
本发明提供一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮，包括仿方竹支撑体结构和轮毂，所述轮毂设置在仿方竹支撑体结构内，所述仿方竹支撑体结构沿轮胎径向依次分为胎冠、仿方竹支撑体以及胎内圈，
所述胎冠与地面接触，从轮胎接地侧向内依次分为胎面和剪切带，所述剪切带内嵌到胎面中并用粘合剂进一步粘合；
所述仿方竹支撑体结构上端与所述胎冠固定结合，所述仿方竹支撑体结构下端与所述胎内圈固定结合；
所述仿仿方竹支撑结构的仿方竹支撑体有至少三排且按圆形整列均匀分布，每个仿方竹支撑体之间左右间隔45°、上下间隔10-12mm；
所述仿方竹支撑体采用中方竹的构造，所述仿方竹支撑体的横截面成方形带圆角的环状图形，各边的中点处有加强肋板，支撑体整体呈S形；
所述胎内圈内侧与轮毂通过过盈配合装配并用粘合剂进一步粘合。
作为本发明轮胎进一步改进，所述胎面上开有凹槽和花纹，凹槽深度应大于8mm且不得小于10mm，以起到排水和增大摩擦的作用。
作为本发明轮胎进一步改进，所述剪切带由内外两层不可延伸的高剪切模量的增强层和其中间的低剪切模量的网状剪切层组成。
作为本发明轮胎进一步改进，所述胎面的材料选择地滚阻的橡胶材料，所述增强层选择不可拉伸的复合材料，所述网状剪切层选择剪切模量在3-20MPa的合成橡胶材料。
作为本发明轮胎进一步改进，所述粘合剂为RFL粘合剂，所述胎内圈选用橡胶材料。
作为本发明轮胎进一步改进，所述仿方竹支撑体高122-124mm，最大宽度199-201mm，S形的圆弧半径5-6mm，S形弧长334-336mm。
作为本发明轮胎进一步改进，所述仿仿方竹支撑结构在整个轮胎中占比应大于1/3小于1/2，所述仿仿方竹支撑结构的材料选择聚氨酯或者高性能树脂材料或者TPE/TPR热塑性弹性体材料。
作为本发明轮胎进一步改进，所述胎冠和胎内圈采用浇注成型工艺制成；所述仿方竹支撑体采用3D打印制成。
作为本发明轮胎进一步改进，所述轮毂包括轮辋、轮辐和轮盘；所述轮辋表面开有用于装配仿方竹支撑体的凹槽；所述轮毂的材料为铝合金，由低压精密铸造法制成。
本发明提供一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮的加工工艺，具体步骤如下，其特征在于；
1)胎冠(1-1)和胎内圈(1-3)通过浇注成型工艺进行浇注；
用注射成型机通过计量泵将聚原料输入到机头内腔，混合后直接注入模具内腔中，芯模对轮胎进行加热使其固化；
在注射成型时，翻转架动力油缸将整个模具翻转成竖直位置，此时由排气孔将注射时内部产生的气体排出，注射物料时，液体物料也从排气孔溢出，溢流1至2s后，停止注射，之后对模腔内的物料施加压力，使材料与所剪切带和胎内圈(1-3)相互渗透结合
注射完毕，动力油缸恢复到水平位置，进行硫化，即可完成加工；
2)轮毂(2)通过低压精密铸造方法进行铸造；
将模具固定在密闭的高温铝溶液池上方，通过向密闭溶液池中通入干燥的压缩空气，使得铝溶液在气体压力下进入到模具内的空腔，保持铝溶液池的气体压力直至铸件完成；
3)进行装配；
将胎冠(1-1)的剪切带内嵌到胎面(1-1-1)中并用粘合剂进一步粘合，将仿方竹支撑体结构(1)上端与所述胎冠(1-1)固定结合，所述仿方竹支撑体结构(1)下端与所述胎内圈(1-3)固定结合；将胎内圈(1-3)内侧与轮毂(2)通过过盈配合装配并用粘合剂进一步粘合。
本发明的有益效果是，利用仿方竹支撑结构替代了传统充气轮胎的充气压力，完全规避了爆胎的可能，极大保护了驾驶员的生命财产安全。且设计成S形的仿方竹结构具有较好的变形特性和回弹特性且仿方竹结构不仅使得整个支撑体保持较低的质量的同时也具有优秀的减振吸能特性、良好的承载能力稳定性。结构的稳定也使得在车辆高速行驶时，仿方竹支撑结构的振动较低因此产生的噪音也会更低。而且仿方竹结构的薄壁结构使得轮胎的整体质量较低，能提高燃油经济性。“三明治”结构的剪切带在缓冲，减震的同时还可以减小滚动阻力且其中的网状剪层带有利于减小车辆行驶过程中轮胎的温升。
附图说明
图1为本发明轮胎结构总图；
图2为本发明外轮示意图；
图3为本发明胎冠示意图；
图4为本发明胎面示意图；
图5为本发明网状剪切层示意图；
图6为本发明仿方竹支撑体示意图；
图7为本发明轮胎部分局部示意图；
图8为本发明轮毂示意图；
图中：1.仿方竹支撑体结构；1-1.胎冠；1-1-1.胎面；1-1-2.增强层；1-1-3.网状剪切层；1-1-4.增强层；1-2.仿方竹支撑体；1-2-1.薄壁肋板结构；1-2-2.外壁；1-2-3.内壁；1-3.胎内圈；2.轮毂；2-1.轮辋；2-2.轮辐；2-3.轮盘。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种具有仿方竹支撑结构的非充气车轮及加工工艺，设计了″S″形仿方竹结构的方形圆角加肋的薄壁支撑结构，这种结构的支撑体可以起到较好的减振吸能的作用且本身结构稳定在车辆较高速行驶时其振动较小，有利于减少噪音。针对一般非充气轮胎散热差的问题，在基于″三明治″结构的剪切带的基础上设计了增强层-网状剪切层-增强层的改良结构，以加强散热、减小温升。
作为本发明具体实施例，本发明提供一种仿方竹支撑结构的非充气轮胎，具体包括如图1所示的仿方竹支撑体结构1、轮毂2。
如图2所示，所述仿方竹支撑体结构1沿轮胎接地侧向内依次为胎冠1-1、仿方竹支撑体1-2和胎内圈1-3。
如图3所示，所述胎冠1-1与地面接触，从轮胎接地侧向内依次为胎面1-1-1、加强层1-1-2、网状剪切层1-1-3、加强层1-1-4；
如图4所示，所述胎面1-1-1宽220mm，直径620mm厚12-13mm，其上开有凹槽和花纹，凹槽深度应大于7mm且小于9mm，以起到排水和增大摩擦的作用。胎面的花纹采用混合花纹，混合花纹可以综合纵向花纹的速排水的作用和横向花纹的抓地能力，有较高的综合性能。所述胎面采用地滚阻的橡胶材料。
所述加强层1-1-2；网状剪切层1-1-3；加强层1-1-4；其每一层的厚度可根据轮胎用途选择5-10mm，所述的三层结构构成的″三明治″剪切带，其内外层的拉伸模量应远大于剪切层的剪切模量，以使变形主要由剪切层承担。剪切带厚度越厚，可使轮胎对剪切效应的抵抗力越大，滚动过程中损失的能量越小，轮胎的滚动阻力越小。剪切带可以为轮胎提供均匀的接地压力，从而解决了传统轮胎由于强耦合而导致设计受限问题。网状的剪切层可以降低车辆行驶过程中轮胎的温升。
如图5所示，所述网状剪切层定位于不可延伸的加强层的中间，宽度同所述胎面为220mm，厚度可由轮胎的用途确定，优先地选择5-10mm，从而进一步确定直径。，所述网状剪切层由均匀分布的1045个边长为17mm的正六边形孔组成，各六边形之间间隔5mm，交错断续角60°。
本发明的灵感源于方竹，方竹是自然界中一种具有良好韧性和弹性的植物，其结构由内外壁包围的中空秆组成，横截面呈四方形且含圆角。其横截面在显微镜观察下，可见在方竹的内外壁之间含有大量纵向纤维。正是这种纵向纤维对方竹的轴向力学性能起了关键性作用。本发明参考了方竹的宏观及微观结构，在力学性能和加工工艺的综和考量下，将方竹竹竿内部的纵向纤维化简为薄壁肋板结构，将方竹更具其外形化简为薄壁双环管状结构。处于对工程应用、加工精度和成本的考虑，在保证力学性能的前提下薄壁肋板结构的数量确定为4个。
如图6、图7所示，所述仿方竹支撑体1-2由所示薄壁肋板1-2-1；外壁1-2-2；内壁1-2-3构成。外观呈S形，高122-124mm，最大宽度199-201mm，圆弧半径5-6mm，S形整体弧长334-336mm。所述仿方竹支撑体的横截面为方形带圆角的薄壁双环管状结构。外壁边长40mm，考虑到工艺精度壁厚可取0.8-1mm。圆角半径为10mm，薄壁肋板长度在2.8-3mm之间，宽1mm，呈长方形，各边中点均有一条薄壁肋板连接内外两壁。内壁由外壁偏移2.8-3mm后形成，壁厚与外壁相同，通过所述薄壁肋板结构与外壁连接。方形带圆角的薄壁双环管状结构综合了方管隔板结构在耐冲击性上的优点和圆管薄壁结构的稳定性以及方管的易安装性。所述仿方竹支撑体屈曲变形稳定、变形量均匀并且有良好的耐撞性。通过有限元仿真分析，发现薄壁管结构参数对初始峰值载荷和比吸能都有一定影响。仿方竹结构薄壁管的初始峰值载荷和比吸能随着薄壁管壁厚的增大而增大。初始峰值载荷随着肋长的增大而减小，比吸能随着肋长的增大而增大，但影响较小且壁厚为0.89mm时为最优解。
所述仿方竹支撑体1-2沿所述胎内圈1-3的圆周均匀分布8组，每组支撑体之间间隔45°。再从轮胎径向的中点处向两侧均匀排列出共3-4组仿方竹支撑体，每组之间上下间隔10mm至12mm。仿方竹支撑体在整个轮胎中占比应大于1/3小于1/2。所述仿方竹支撑体上端与胎冠1-1固定结合下端与胎内圈1-3固定结合。
所述仿方竹支撑体1-2含有壁薄、薄壁肋板等加强韧性的双环管状结构，提高了支撑体的横向抗拉强度，使其在承受不同环境载荷时不易发生破坏。运用了四方含圆倒角加肋的方竹结构的支撑体有较好的耐撞性和稳定性，在轴向碰撞过程中，屈曲变形稳定、载荷波动小，有良好的减震、吸能功能，可以提高车辆在形式过程中的稳定性和舒适性。且由于摈弃了充气结构而采用了仿方竹支撑体来代替，这样就避免了充气轮胎漏气、爆胎的可能，极大地保障了驾驶员的生命财产安全。仿方竹支撑体结构轻便，也有利于提高燃油经济性。
如图1、图2所示，所述胎内圈1-3直径300-310mm，宽206-210mm，厚2-3mm。所述胎内圈1-3外侧与仿方竹支撑体1-2固定结合，内侧与轮毂通过过盈配合装配并用RFL粘合剂进一步粘合。
如图7，所述轮毂2由轮辋2-1、轮辐2-2和轮盘2-3；所述轮辋2-1表面开有凹槽，用于和所述胎内圈1-3装配，厚4-5mm其余尺寸根据实际情况和胎内圈尺寸确定；轮辐2-2和轮盘2-3的尺寸无特殊要求，均可更具实际情况确定。
所述胎冠，其胎面材料选择地滚阻的橡胶材料，量层加强层选择不可延伸的复合材料，网状剪切层选择剪切模量在3-20MPa的合成橡胶材料。所诉剪切带内嵌到胎面中并用RFL粘合剂进一步粘合。
所述胎冠1-1其胎面1-1-1选用低滚阻的橡胶材料，加强层1-1-1和加强层1-1-3选择不可延伸的复合材料，网状剪切层1-1-2选择剪切模量在3-20MPa的合成橡胶材料，胎内圈1-3选用橡胶材料。所述胎冠由浇注成型工艺制成。
所述仿方竹支撑体1-2的材料可选择聚氨酯、高性能树脂材料或者TPE/TPR热塑性弹性体材料的其中一种，由3D打印技术制造。
3D打印技术即增材制造技术，可不受产品形状复杂程度的影响，成型复杂曲面，非常适合所述仿方竹支撑体1-2的制造。为了保证制造精度，减小误差，本发明使用选择性激光烧结技术(SLS)打印所述仿方竹支撑体1-2。
具体制造过程为，利用建模软件绘型轮胎三维模型。将三维模型导入相应的切片软件进行工艺设置，并设置轮胎SLS打印成型相关工艺参数：打印层厚为仿方竹支撑体1-2的壁厚0.8-1mm，打印温度30℃，打印速率7.5mm/s，填充率100％。SLS打印方式为粉末烧结，SLS打印机的压辊将一层制造所诉仿方竹支撑体1-2的所需材料的粉末平铺到已成型工件的上表面，数控系统操控激光束按照该层截面轮廓在粉层上进行扫描照射而使粉末的温度升至熔化点，从而进行烧结并于下面已成型的部分实现粘合。当一层截面烧结完后工作台将下降一个层厚，这时压辊又会均匀地在上面铺上一层粉末并开始新一层截面的烧结，如此反复操作直接工件完全成型。
打印完成之后将若该支撑体按上文所述布置在磨具中，形成3至4排环状仿方竹支撑体1-2，在其内侧和外侧分别浇注形成与仿方竹支撑体1-2连接为一体的剪切带和胎内圈1-3。如此便可以实现胎内圈1-3和剪切带在成型时就与仿仿方竹支撑体1-2固定连接。之后将胎面1-1-1与剪切带的增强层1-1-2嵌合并用RFL粘合剂进一步粘合。
所述浇注成型工艺具体为，用注射成型机通过计量泵将聚原料输入到机头内腔，混合后直接注入模具内腔中，芯模对轮胎进行加热使其固化。在注射成型时，翻转架动力油缸将整个模具翻转成竖直位置，此时由排气孔将注射时内部产生的气体排出，注射物料时，液体物料也从排气孔溢出，溢流1至2s后，停止注射，之后对模腔内的物料施加压力，使材料与所剪切带和胎内圈1-3相互渗透结合。注射完毕，动力油缸恢复到水平位置，进行硫化，即可完成加工。
所述轮毂2，其上有凹槽用于与所述胎内圈1-3的内侧通过过盈配合装配并用RFL粘合剂进一步粘合。所述轮毂2的材料为铝合金，采用低压精密铸造方法，具体铸造过程为：将模具固定在密闭的高温铝溶液池上方，通过向密闭溶液池中通入干燥的压缩空气，使得铝溶液在气体压力下进入到模具内的空腔，保持铝溶液池的气体压力直至铸件完成。这种制造工艺有出品率高、轮廓清晰、致密性好、力学性能较高等特点。
通过仿真分析，与传统同规格充气轮胎和非充气轮胎进行对比：(1)本发明所述非充气轮胎用仿方竹支撑结构代替了传统的充气结构，完全避免了漏气、爆胎的可能。(2)本发明所述仿方竹支撑结构在轴向碰撞挤压过程中，屈曲变形稳定、载荷波动小，有良好的减震、吸能功能。(3)本发明所述仿方竹支撑结构横向抗拉强度较高，在承受不同环境载荷时不易发生膨胀和分裂。(4)本发明所述剪切带结构不仅可为轮胎提供均匀的接地压力，其中的网状剪切层更可以减少轮胎行驶过程中的温升。(5)本发明所述仿方竹支撑结构非充气轮胎，质量较低能提高燃油经济性，且使用了环保型聚氨酯材料有利于环境保护和节约能源。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
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