摘要： 為實現(xiàn)新型非充氣輪胎環(huán)形增強帶的結(jié)構(gòu)設計，對非充氣輪胎接地特性進行了研究。在充分理解環(huán)形增強帶結(jié)構(gòu)與理論的基礎上，運用有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)法，建立基于各向異性材料、B21梁單元、簾線帶束結(jié)構(gòu)的環(huán)形增強帶模型，并對其接地印跡壓力分布的力學特性與仿真分析進行對比，分析了輻條剛度、加強層材料對接地印跡壓力分布的影響。研究結(jié)果表明，輪胎的接地印跡長度隨輻條剛度的增大而增大;基于B21梁單元、簾線帶束結(jié)構(gòu)的加強層材料周向剛度大，拉伸應變很小，此時環(huán)形增強帶的變形主要以剪切變形為主，從而使接地印跡壓力均勻分布;基于各向異性材料的加強層材料彎曲剛度小，此時環(huán)形增強帶的變形主要以彎曲變形為主，使接地印跡壓力均勻分布。該研究為非充氣輪胎環(huán)形增強帶的結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化等提供了理論參考。

　　關鍵詞： 非充氣輪胎; 加強層; 接地印跡; 有限元法

　　1888年，J.B.Dunlop發(fā)明了橡膠空心輪胎，這是世界上最早的充氣輪胎，其憑借粗糙路面上的低能量損耗、小的垂向剛度、接地印跡壓力和質(zhì)量優(yōu)勢，已占據(jù)世界輪胎市場100多年。然而充氣輪胎的結(jié)構(gòu)特點決定其存在刺破受損、難以保持胎壓穩(wěn)定和制造工藝復雜等問題[1 2] 。而非充氣輪胎因結(jié)構(gòu)與材料的無限可能，消除了充氣輪胎在設計上的缺陷，具有較大的設計空間，已成為研究的熱點和重點，而且憑借其抗爆性，得到國內(nèi)外各大輪胎公司的青睞，具有廣闊的市場和發(fā)展前景[3] 。近年來，為提高輪胎的安全性能，國內(nèi)外相關研究機構(gòu)提出了仿生輪胎[4 5] 、米其林的Tweel車輪[6 7] 、蜂巢車輪[8 9] 等方案。Ju Jachyung等人[10] 分析了一種蜂巢結(jié)構(gòu)的環(huán)形增強帶對接地印跡壓力分布的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)形增強帶上負的蜂巢角度在能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)剪切特性的同時，降低接地印跡內(nèi)的壓力分布，為環(huán)形增強帶的結(jié)構(gòu)及材料設計提供了一種新的思路;M.Veeramurthy等人[11] 研究了環(huán)形增強帶剪切模量對滾動阻力、垂向剛度、最大接觸壓力及接地印跡壓力分布的影響，隨著剪切模量的增加，滾動阻力降低，徑向剛度線性增加，最大接觸壓力緩慢增加，接地印跡長度減小，壓力分布不均勻程度增加;Jin Xiaochao等人[12] 基于非線性有限元分析軟件ABAQUS，分析了蜂巢角度對接地印跡壓力分布、承載特性及滾阻特性的影響，發(fā)現(xiàn)在相同壁厚的條件下，最大應力與蜂巢角度呈正相關，承載能力與蜂巢角度呈負相關，在相同承載能力下，滾動阻力和蜂巢結(jié)構(gòu)質(zhì)量與其角度呈正相關。環(huán)形增強帶的作用可以使非充氣輪胎在接地區(qū)域壓力均勻分布，接地印跡壓力分布對車輛的平順性、操縱穩(wěn)定性及磨損具有重要影響[13] 。輪胎接地區(qū)域壓力過高，會使輪胎快速磨損，從而減少使用壽命;輪胎接地區(qū)域壓力過小，會使輪胎難以控制，從而降低車輛的操縱穩(wěn)定性[14 15] 。因此，有必要對接地印跡機理進行深入研究。本文在充分理解理論的基礎上，運用非線性有限元法，建立了基于各向異性材料、B21梁單元、簾線帶束結(jié)構(gòu)的3種環(huán)形增強帶模型，通過對理論與仿真的一致性分析，得到非充氣輪胎接地機理的理論。該研究為新型結(jié)構(gòu)非充氣輪胎環(huán)形增強帶的設計提供了基礎。

　　1 輻條剛度對接地印跡長度影響研究

　　1.1 不同輻條剛度下接地印跡長度力學特性分析

　　輻板結(jié)構(gòu)非充氣輪胎如圖1所示。輻板結(jié)構(gòu)主要由胎面、增強環(huán)形帶、輻板和輪輞組成，其中增強環(huán)形帶類似于三明治結(jié)構(gòu)(見圖1b所示)，由內(nèi)外加強層130，140及中間的剪切層120組成，加強層周向拉伸模量遠大于剪切層剪切模量，使變形主要由剪切層承擔。當環(huán)形增強帶在接地區(qū)域變平時，圓弧形狀變?yōu)橹本€，由于強化層拉伸模量大，不可伸展，環(huán)形增強帶沿圓周方向總長度不變，因此必須考慮圓弧曲線變?yōu)橹本€后多出來的長度[16] ，兩種方式可以容納額外的長度。

　　輻條剛度對接地印跡長度力學特性分析如圖2所示。由于外環(huán)周向不可拉伸，當輻條剛度較小時，作用相當于弱彈簧，此時輻條拉力較小，則多余的長度主要增加到非接地區(qū)域的圓周部分，使環(huán)形增強帶的半徑增加，此時接地印跡長度較短。

　　由圖2可以看出，當輻條剛度較大時，輻條充當剛性彈簧，此時輻條拉力較大，非接地部分環(huán)形增強帶難以增加直徑，而接地部分不受拉力，則多余的長度主要增加到環(huán)形增強帶的接地區(qū)域進行周長補償，此時接地印跡的長度較長。

　　1.2 不同輻條剛度下接地印跡長度仿真分析

　　不同輻條剛度的接地印跡長度仿真分析結(jié)果如圖3所示，接地印跡長度為模型與地面接觸的寬度。仿真模型環(huán)外徑為300 mm，泊松比為0.3，輻條長度為100 mm，彈性模量為100 MPa，泊松比為0.45，外環(huán)單元類型為梁單元，輻條單元類型為桁架單元。桁架輻條只承受拉力，不承受壓力[17] 。

　　由圖3b可以看出，當輻條的彈性模量分別為100，200，300 MPa時，接地印跡長度分別為148，198，247 mm。隨著輻條剛度的增加，接地印跡長度增加，仿真分析結(jié)果與力學特性分析完全一致。

　　2 加強層材料對接地印跡壓力分布影響研究

　　2.1 環(huán)形增強帶力學特性分析

　　針對環(huán)形增強帶，研究者將環(huán)形增強帶等效為梁，該梁為剪切梁，由兩個不可拉伸的薄膜組成，由一個低 剪切模量的彈性層將兩層膜分離。剪切梁在彎曲時會完全變形，同時環(huán)形增強帶的物理行為表現(xiàn)為幾乎全部發(fā)生剪切變形[16] 。

　　剪切梁受力變形為平面，路面接觸時剪切層變形如圖4所示。由于內(nèi)外加強層軸向不可拉伸，當與路面接觸時，內(nèi)加強層與外加強層相比較短，則兩加強層之間的剪切層需要發(fā)送剪切變形進行補償，剪切層剪切應變?yōu)?/p>

　　γ xz =-tan -1 (R 2 θ-R 1 θ)/h = -tan -1 (hθ/h)=-tan -1 θ (1)

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