中空式非充氣輪胎設(shè)計的研究

王恒，張友新，韓林

(廣東技塑新材料股份有限公司，廣東 東莞 523527)

電動自行車，作為一種便捷又環(huán)保的交通工具，深受人們的青睞。根據(jù)中國自行車協(xié)會提供的數(shù)據(jù)顯示，近年來，中國電動自行車年銷量超3000萬輛，到2020年底社會保有量將接近3億[1]。隨著電動車產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，其行駛安全也成為了社會發(fā)展的一個重要關(guān)注點，非充氣輪胎因其具有不漏氣、耐磨損、不爆胎等特點，已經(jīng)成為電動車輪胎產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向。隨著時代的進步，電動車使用頻率的增加，消費者對于電動車的用戶體驗和性能方面提出了更苛刻的要求，比如電動車的結(jié)構(gòu)設(shè)計更趨于人性化，輪胎的減震效果更是極大的影響著騎行的舒適度。目前，市場上已有的電動自行車非充氣輪胎主要是真空胎和實心胎，能夠滿足非充氣輪胎的安全要求，但其在行駛過程中因地面不平整所造成的騎行舒適度不足的問題令其應(yīng)用效果大打折扣[2]。

現(xiàn)在市場上已經(jīng)推出的蜂窩狀雙排圓孔非充氣輪胎和免充氣環(huán)保開式輪胎，都具有免充氣、耐磨損、減震性能良好、騎行舒適度好的特點。但是這兩款非充氣輪胎都有一個共同的缺陷，就是隨著負重的增加和速度的提升，輪胎中空結(jié)構(gòu)的結(jié)合處會出現(xiàn)開裂、粉化等情況，導(dǎo)致輪胎使用壽命非常短，限制了非充氣輪胎的使用范圍。導(dǎo)致這種問題發(fā)生的原因除了材料本身性能還不能滿足更高要求外，輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計也存在一定缺陷。在開發(fā)更高性能材料的同時，設(shè)計出更合理的輪胎結(jié)構(gòu)，可以有效的提升非充氣輪胎的使用壽命。

在本文中，筆者在現(xiàn)有已開發(fā)出的熱塑性彈性體非充氣輪胎材料物性的基礎(chǔ)上，對非充氣輪胎結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過輪胎結(jié)構(gòu)與材料性能相結(jié)合的方式，來解決現(xiàn)有非充氣輪胎存在的開裂、粉化問題，從而提升輪胎的使用壽命。

1 現(xiàn)有非充氣輪胎結(jié)構(gòu)缺陷分析

為了更好地呈現(xiàn)出現(xiàn)有非充氣輪胎結(jié)構(gòu)的缺陷，在本文中，筆者以已量產(chǎn)的蜂窩狀雙排圓孔非充氣輪胎（圖1）和免充氣環(huán)保開式輪胎（圖2）為參照物進行分析討論。這兩款非充氣輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計的共同特點都是以貫穿于輪胎的圓孔作為減震構(gòu)件，來提升騎行的舒適度。

圖1 耐動科技蜂窩狀圓孔結(jié)構(gòu)雙排圓孔非充氣輪胎

1.1 蜂窩狀圓孔結(jié)構(gòu)雙排圓孔非充氣輪胎

這種非充氣輪胎以熱塑性彈性體為輪胎材料，采用蜂窩狀雙排圓孔貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計，一次性注塑成型[3]。在車輛運行過程中，這種蜂窩狀雙排圓孔受到擠壓時變形，變成橢圓狀，減壓后快速復(fù)原，可以起到減震的作用。蜂窩狀雙排圓孔與空氣充分接觸，可有效釋放輪胎運行過程中產(chǎn)生的熱量。

圖2 金特安科技鏤空狀結(jié)構(gòu)免充氣環(huán)保開式輪胎

這種非充氣輪胎在低速、低負重的情況下，其性能表現(xiàn)非常良好，使用壽命也較為正常。但是，隨著負重的增加和速度的提升，這種輪胎的兩個圓孔中間的壁柱因受到不斷的擠壓、回彈復(fù)原后，出現(xiàn)開裂、粉化等情況，如圖3所示。出現(xiàn)這種問題的原因除了材料本身性能欠佳外，主要是這種雙排圓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定缺陷。具體表現(xiàn)在，輪胎運行過程中受壓之后，壓力并未如設(shè)想中所認為的垂直傳遞，即壓力方向并非沿著圓孔壁柱中線，而是很大程度上會走向兩側(cè)，從而造成圓孔壁柱受力錯位，如圖4所示。這種情況下，圓孔壁柱的材料不僅僅是受壓，還會因為受力錯位形成扯拉，這樣就會導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度快速上升，材料老化加速，出現(xiàn)開裂、粉化等情況。也正是因為如此，越是不平坦的道路，在負重顛簸行駛的情況下，這種缺陷會表現(xiàn)的更加突出。需要特別指出的是，隨著輪胎尺寸的增大，圓孔孔徑的變大（提升減震效果），這缺陷也會表現(xiàn)的更加突出。

圖3 蜂窩狀輪胎易開裂、粉化位置圖

圖4 蜂窩狀輪胎受壓示意圖

1.2 鏤空狀結(jié)構(gòu)免充氣環(huán)保開式輪胎

這種非充氣輪胎也是以熱塑性彈性體為輪胎材料，采用交錯圓孔+多維減震腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，一次性注塑成型[4]。其減震原理和散熱模式與蜂窩狀圓孔結(jié)構(gòu)雙排圓孔非充氣輪胎基本相同。在車輛運行過程中，圓孔和減震空腔受到擠壓時變形，減壓后快速復(fù)原，減震效果更加明顯。圓孔和減震空腔與空氣充分接觸，可快速釋放輪胎運行過程中產(chǎn)生的熱量。

同樣，隨著負重的增加和速度的提升，這種輪胎的圓孔壁因受到不斷的擠壓、回彈復(fù)原后，也會出現(xiàn)開裂、粉化等情況，如圖5所示。因此，這種交錯圓孔+多維減震腔結(jié)構(gòu)設(shè)計也存在一定缺陷。具體表現(xiàn)在，輪胎運行過程中受壓之后，如圖6所示，壓力沿圓孔壁傳遞，至加強壁時受阻，壓力向減震空腔移動，使圓孔壁受力錯位。同樣，這種情況下，圓孔壁的材料不僅僅是受壓，還會因為受力錯位形成扯拉，這樣就會導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度快速上升，材料老化加速，出現(xiàn)開裂、粉化等情況。需要指出的是，相對于蜂窩狀雙排圓孔貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于加強壁的反作用力的存在，這種交錯圓孔+多維減震腔結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力錯位情況會更加嚴重，材料內(nèi)部溫度上升會更快，材料老化速度也會更加明顯。同樣，在負重顛簸行駛的情況下，以及在輪胎尺寸孔徑變大的情況下，這種缺陷也會表現(xiàn)的更加突出。

圖5 鏤空狀輪胎易開裂、粉化位置圖

圖6 鏤空狀輪胎受壓示意圖

2 中空式非充氣輪胎設(shè)計

針對上述非充氣輪胎設(shè)計存在的缺陷，筆者在現(xiàn)有熱塑性彈性體輪胎材料物性的基礎(chǔ)上，對非充氣輪胎結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以期通過輪胎結(jié)構(gòu)與材料性能相結(jié)合的方式，來解決現(xiàn)有非充氣輪胎存在的開裂、粉化問題，從而提升輪胎的使用壽命。

2.1 設(shè)計概述

如圖7所示，本設(shè)計的非充氣輪胎主要包括胎面、胎冠、胎肩、胎側(cè)及趾口，還包括上胎壁和下胎壁。胎面帶有防滑凸塊，兩側(cè)的上胎壁沿周向均勻分布多個V形的第一通孔，多個第一通孔圍成環(huán)形。在下胎壁上靠近V形的第一通孔圍成的環(huán)形，設(shè)有多個第二通孔，第二通孔呈兩頭粗中間細的呈花生殼狀的圓環(huán)形。多個第二通孔圍成環(huán)形，在第二通孔的內(nèi)側(cè)周向，均勻分布多個第三通孔。第一通孔、第二通孔和第三通孔均貫穿輪胎的兩個側(cè)面，相互交錯分布。本設(shè)計中通過不同通孔形狀的變化，以及減震孔和支撐筋在胎壁徑向的合理分布，在確保輪胎減震效果的同時，也提升了輪胎整體抗形變能力，確保了輪胎長期使用時不易開裂，使車輛在行駛過程中更加安全舒適。輪胎受力變形示意圖如圖8、圖9所示。

圖7 中空式輪胎結(jié)構(gòu)圖

圖8 輪胎擠壓受力變形示意圖

2.2 設(shè)計思路

本設(shè)計的非充氣輪胎采用熱塑性彈性體高分子材料，具有質(zhì)輕、耐磨、耐候、抗疲勞、高彈性、高韌性、不易壓縮變形等優(yōu)點，可單獨一次性注塑加工成型，加工方法簡單和生產(chǎn)成輪胎后可回收再循環(huán)使用，綠色環(huán)保。

圖9 輪胎擠壓受力變形的局部剖面放大示意圖

在本設(shè)計中，V型第一通孔的主要作用是減震，即輪胎在運行過程中受到擠壓時，V型通孔的兩個伸出端（圓柱狀）產(chǎn)生變形，空腔受壓變小，形成緩沖，減少了直接沖擊力。擠壓過程結(jié)束后，V型的兩個伸出端快速回彈，通孔空腔恢復(fù)，輪胎復(fù)原，如圖10所示。這個擠壓復(fù)原過程如同一個帶彈簧的夾子的夾尾一樣，受力基本是垂直的，不會像圓孔結(jié)構(gòu)一樣受壓產(chǎn)生向兩側(cè)孔壁傳遞的壓力，從而避免孔壁受力錯位。也正是如此，與圓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，V形通孔具有更高的彈性和快速恢復(fù)反彈的能力，可以提高輪胎減震緩沖效果。

花生殼狀的第二通孔的主要作用除減震外，還起到提升壁柱（支撐筋）的耐折性能。如圖11所示，其花生殼狀的中間收縮部分相當于對兩個相鄰間的第二通孔的壁柱進行了加強，同時這種壁柱呈紡錘狀，輪胎在運行過程中受到擠壓時，這種紡錘狀的壁柱受力在垂直傳遞的同時，還會伴隨著紡錘狀壁柱的變形向兩側(cè)的通孔延伸，不會造成壁柱受力錯位。這也是與圓孔壁柱設(shè)計最大的不同，紡錘狀壁柱由于沒有受力錯位而形成材料的扯拉，只是垂直壓縮反彈，這樣就可以降低材料內(nèi)部溫度快速上升的風(fēng)險，也就可以有效的降低材料的老化速度，減少輪胎開裂、粉化風(fēng)險，從而提升輪胎的使用壽命。同時，花生殼狀通孔由于兩頭大的空腔受力變形比較大，給輪胎提供較大的變形空間，使輪胎的彈性和減震緩沖得到進一步提高，從而減小了車輛在行駛過程中的跳動和顛簸。

圓柱形的第三通孔的主要作用是減震作用，即輪胎在運行過程中受到擠壓時變形，擠壓后快速復(fù)原，起到輔助減震效果。

圖10 V型通孔擠壓受力變形示意圖

圖11 花生殼狀通孔擠壓受力變形示意圖

2.3 注塑加工

本設(shè)計的非充氣輪胎采用熱塑性彈性體高分子材料，可一次性注塑加工成型，無需硫化，加工方法簡單。廢舊輪胎回收后可直接粉碎抽粒，再循環(huán)使用，具有綠色環(huán)保的特點。

3 結(jié)語

與現(xiàn)有非充氣輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計相對比，本設(shè)計有以下特點：

（1）V形通孔的設(shè)計，比普通封閉式形狀（如三角形、圓柱形）具有較高的彈性和快速回復(fù)原狀的能力，提升了輪胎的變形空間，起到了提高輪胎的彈性和減震緩沖作用。

（2）花生殼狀通孔的設(shè)計，主要作用除了減震外，還起到提升壁柱（支撐筋）的耐折性能，降低了壁柱（支撐筋）的斷裂風(fēng)險，增強了輪胎強度。輪胎在運行過程中，紡錘狀壁柱可以降低材料內(nèi)部溫度快速上升的風(fēng)險，有效的降低材料的老化速度，減少輪胎開裂、粉化風(fēng)險，從而提升輪胎的使用壽命。同時，花生殼狀通孔由于兩頭大的空腔受力變形比較大，給輪胎提供較大的變形空間，使輪胎的彈性和減震緩沖得到進一步提高，從而減小了車輛在行駛過程中的跳動和顛簸。

（3）本設(shè)計設(shè)置的圓柱形通孔，在減輕輪胎重量的同時，還起到了輔助減震效果。

（4）本設(shè)計通過不同形狀減震孔的設(shè)置和合理的分布，為輪胎提供了變形空間，加強了輪胎整體的抗形變能力，減少了輪胎在行駛過程中的跳動和顛簸，使車輛在行駛過程中更加舒適安全。

車輛安全是相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)必須確保的首要任務(wù)，輕量化、舒適度是未來行業(yè)發(fā)展的極致追求，未來巨大的市場需求必將促使非充氣輪胎行業(yè)快速發(fā)展，非充氣輪胎以其自身特有的性能將會引導(dǎo)未來輪胎行業(yè)發(fā)展的方向[5]。通過對非充氣輪胎結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，可以彌補當前技術(shù)條件下非充氣輪胎材料性能的不足，為全面推廣非充氣輪胎的應(yīng)用提供了切實可行的技術(shù)方向。輪胎結(jié)構(gòu)與材料性能相結(jié)合的研制與創(chuàng)新方式將決定非充氣輪胎性能提升的技術(shù)水平，并影響著輪胎行業(yè)升級換代的速度和可能性。