越野車新型安全防爆輪胎的設計

王新博，劉雙燕，王迪，崔洪杰，趙文明

(泰安航天特種車有限公司技術中心，山東泰安 271000)

0 引言

隨著現代化建設的推進，我國已建成規格齊全的輪胎工業體系，發展成世界輪胎生產大國，并獲得了一系列創新性的國際前沿技術。子午胎已實現無內胎、寬斷面、扁平化，并通過了高速、高載考驗，達到世界先進水平。近年來，更多安全、節能、環保輪胎正穩步走向國際市場。大寬度、大內徑、較大扁平比輪胎成為汽車輪胎發展的潮流，因其胎壁短，胎面寬闊，接地面積大，附著力強，能保持較好的行駛穩定性和較小的摩擦，所以能承受更大的壓力，轉彎時側向抵抗能力強，對路面反應靈敏，有利于減震和提高車速,車輛操控更平穩。

工程機械車輛如裝載機、推土機、挖掘機、平整土地機、壓路機和石方作業機等，行駛速度不高，但使用的路面條件和載荷性能要求苛刻，其輪胎主要采用斜交胎結構。重型越野汽車輪胎通常輪輞直徑在45.72～60.96 cm(18～24英寸)，斷面寬度17.78 cm(7英寸)以上,由于其行駛路況復雜，有碎石路、泥濘路、冰雪路等，行駛速度一般不超過80 km/h。特種車輛輪胎例如炮車輪胎、裝甲車輪胎、沙漠輪胎、防爆車輛輪胎等，由于車輛載荷大，路況復雜，環境惡劣，對輪胎除了可靠性及使用壽命外還會有特殊要求。

1 防爆輪胎的理念

輪胎有充氣輪胎和非充氣輪胎[1-2]，充氣輪胎因其內胎富有彈性而獲得承載和緩沖能力，但其需要保持足夠的氣壓，缺乏防爆能力。充氣輪胎分為低壓胎和真空胎：低壓胎有內胎，多用于普通汽車和摩托車；真空輪胎沒有內胎，外胎兼起了內胎的作用，多用于轎車和輕型車。真空輪胎是法國米其林輪胎公司在1959年推出的，胎內壁緊貼一層內膜令車胎在高速運轉時不易聚熱，內膜有一層密封自粘層，輪胎受到釘子等尖銳物穿破后不易立即泄完氣，可使汽車繼續行駛一段距離。但缺氣行駛狀態下輪胎下沉量增大，與地面摩擦劇烈，胎溫急劇上升，容易爆裂。而非充氣輪胎具有耐磨耐扎防爆的特點[3-4]，可在高負荷下使用，但實心輪胎一般硬度較大，缺乏柔性，舒適性差[5]。

2 設計與仿真

為適應全方位立體運輸的要求，保障電子設施安全平穩運輸[6-8]，現設計開發一種新型網絡防爆輪胎，以滿足電子設備載車行駛路況復雜、平穩性要求高的特殊工作要求，實現行駛過程安全舒適，儀器工作正常。該新式輪胎采用在輪輞上固定焊接網狀彈性支撐體代替充氣輪胎內胎獲得承載和緩沖能力以增強輪胎柔韌性，減輕輪胎自身重力。該輪胎具有實心輪胎耐扎、耐磨且承載性能高的特性，也具備充氣輪胎富有彈性、舒適性好的特點。它主要包括胎體、網狀彈性支撐體、輪輞等三部分，其結構如圖1所示。

圖1 防爆輪胎結構示意

充氣輪胎氣壓在載荷變化時會產生變形和回彈，以保持足夠的柔性，保證行駛平穩性和舒適度。而網絡防爆輪胎則是通過網狀彈性支撐體的彈性來保證輪胎的柔性。網狀彈性支撐體被設計為兩種長度以實現二級變剛度：長的網狀彈性支撐體，金屬絲直徑0.8 mm，圓柱莖外直徑13 mm，從根部到球冠長度255 mm，球冠外直徑60 mm；短的網狀彈性支撐體，金屬絲直徑0.5 mm，圓柱莖外直徑13 mm，從根部到球冠長度195 mm，球冠外直徑60 mm，相鄰圓柱莖所張圓心角為6°。結構設計如圖2所示，金屬絲材料為高韌性、高強度的合金材料，這樣在變形較大時，剛度也變大，既能保證柔性，又能保證其承載能力。空腔內填充新型膨化材料，固定彈性支撐體并提供匹配阻尼的作用，細小空腔壁依據仿生學原理采用抗變形的雞蛋外形，并能獲得一種負泊松比[9]。

對輪胎建立有限元模型并做仿真計算得到輪胎的彈性變形[10]，載荷為75 kN時，位移云圖如圖3所示。

圖3 75 kN載荷下輪胎位移云圖

并做四級載荷變形量的對比，載荷為100 kN時的位移及應力云圖如圖4所示，最大變形量為48.2 mm。

圖4 100 kN載荷下輪胎的位移及應力云圖

載荷為140 kN時的位移及應力云圖如圖5所示，最大變形量為67.7 mm。

圖5 140 kN載荷下輪胎的位移及應力云圖

載荷為180 kN時的位移及應力云圖如圖6所示，最大變形量為87.2 mm。

載荷為200 kN時的位移及應力云圖如圖7所示，最大變形量為97 mm。

圖6 180 kN載荷下輪胎的位移及應力云圖

圖7 200 kN載荷下輪胎的位移及應力云圖

計算結果表明輪胎滿足柔性及強度要求。

3 試驗驗證

由技術、研發、質檢、生產等部門協作組織試驗，對輪胎外觀、外緣尺寸、輪胎質量、X光射線檢驗、輪胎的強度、耐久、高速以及耐環境溫度、鹽霧試驗進行鑒定檢驗，并隨車記錄相關數據。防爆輪胎鑒定試驗流程如圖8所示。

圖8 防爆輪胎鑒定試驗流程

試驗要求如下：

3.1 裝車鑒定試驗

試驗車輛滿載狀態，單輪靜載不小于50 kN。

3.2 高速持續行駛試驗

以85 km/h速度持續行駛6 h。

3.3 制動距離試驗

車輛以30 km/h的初始速度行駛，并以最大減速度制動停車，測量制動距離并檢查跑偏情況。

3.4 越障試驗

按GB/T12541-1990的規定進行通過垂直障礙物試驗。

3.5 耐環境溫度試驗

汽車分別在高寒(不低于-40 ℃)地區和高溫地區(不高于60 ℃)行駛。

3.6 鹽霧試驗

汽車在鹽堿地區行駛后，輪胎不得有被腐蝕現象且性能正常。

3.7 測試測量要求

鋼板尺和金屬卷尺(不帶弧度)：公差±1 mm；游標卡尺：公差±0.1 mm；花紋深度尺：公差±0.02 mm。

3.8 轉鼓試驗機

試驗機轉鼓鼓面為平滑的鋼質面,其寬度大于等于試驗輪胎的斷面總寬度，速度能力滿足試驗要求，速度精度0～2 km/h，徑向跳動量不大于0.25 mm。試驗加載裝置的精度為滿量程的±1.5%，加載能力滿足試驗要求。

4 結束語

新型網絡防爆輪胎既保持了充氣輪胎的高彈性，又具有防爆免充氣性能，避免了普通實心輪胎較大的簧下質量及駐波現象，符合現代化精密儀器運輸對輪胎的新要求。