非充氣輪胎的結構設計與力學性能

劉 晨，李凡珠，盧詠來，張立群

（北京化工大學 有機無機復合材料國家重點實驗室，北京 100029）

1888年，充氣輪胎問世并迅速成為車輪的主導輪胎類型[1]，其技術的發展極大地提高了人們的生活質量。但充氣壓力的存在使輪胎設計受到了很大的限制；同時，充氣輪胎的結構特點也帶來了一定的安全隱患，從而造成車輛通過性降低或易喪失機動性[2-3]。非充氣結構設計使輪胎的力學性能得以優化，且免去了充氣和檢查胎壓的環節，解決了充氣輪胎易引發安全事故的問題。因此，擺脫傳統充氣輪胎的結構設計，研發新型非充氣結構安全輪胎成為當前輪胎領域的一種趨勢。

本工作基于前階段對于20款非充氣輪胎的研究[4]，進一步對其進行結構設計和力學性能分析，并對其今后的發展做出展望。

1 充氣輪胎的特性及其存在的問題

1.1 充氣輪胎的特性

輪胎作為車輛與道路直接接觸的唯一部件，起到承載車體質量、緩沖外界沖擊、為車輛提供足夠驅動力和制動力以及方向穩定性的作用。充氣輪胎具有在粗糙路面滾動時能量損失較低以及垂向剛度和接地壓力較小、承載效率較高的特點，其結構決定了其在復雜的行駛環境中存在不抗刺扎或爆胎等安全隱患[5-6]。

1.2 充氣輪胎存在的問題

1.2.1 不抗刺扎

當車輛在地形惡劣、路面粗糙不平的環境中行駛時，輪胎難免會因接觸到尖銳物而被扎破，從而發生泄氣甚至爆胎，以致無法繼續行駛。輪胎在泄氣失壓后的安全性能對車輛及駕駛人員有著至關重要的影響[7-8]。

1.2.2 爆胎

車輛行駛時輪胎既要承受路面產生的沖擊負荷，又要承受因車身質量引起的壓縮變形，這些都會使輪胎產生大量熱量，而輪胎是熱的不良導體，在胎體處熱量大量聚集且難以散發，胎體內部溫度不斷上升并伴隨胎內氣壓升高，當受到障礙物沖擊時，輪胎極易發生爆破[9-12]。爆胎已成為威脅汽車安全行駛的重要因素。

1.2.3 運轉不平穩

輪胎長時間行駛，不同部位的磨損情況不同，輪胎內部原有的氣壓平衡被破壞，導致輪胎運轉不平穩。此外，橡膠老化、輪胎與路面間的高頻振動等因素也會影響車輛的行駛性能，其原因也與輪胎的充氣狀況有關[13]。

充氣問題給輪胎帶來的缺陷與安全隱患困擾著車輛運行，因此，克服充氣輪胎的弊端，研發抗爆輪胎、安全舒適的非充氣輪胎成為輪胎行業的重要課題。

2 典型的非充氣輪胎結構

2.1 輻條式非充氣輪胎

2005年米其林公司率先設計出Tweel非充氣輪胎，它由輪輞、輻條式彈性支撐體、增強剪切帶以及胎面組成，如圖1所示[14]。這種非充氣輪胎采用剪切模量較低的特殊剪切帶結構代替充氣結構，在剪切帶沿徑向向內和向外均分布不可拉伸的增強薄膜，形成增強薄膜-剪切層-增強薄膜“三明治結構”[15-18]，且內外層薄膜的拉伸模量遠大于剪切層的剪切模量，以使變形主要由剪切層承擔，剪切層的剪切模量一般在3～20 MPa范圍內[19]。

圖1 Tweel輪胎的結構Fig.1 Structure of Tweel tire

剪切帶的外層增強膜嵌入到胎面中，從而實現胎面與剪切帶的連接，胎面經過紋理化處理，可以產生足夠的抓地力。同時，輻條式彈性支撐體在通過障礙物時會發生彈性形變，吸收來自路面的沖擊力，減小輪胎負荷[20]，為了實現輻條在接地區域內屈曲，需要保證輻條有一定的曲率。另一方面，可變形的輻條應該具有較好的側向及縱向承載能力，為了實現這一要求，可以通過輻條結構和加強剪切帶合理設計實現輪胎垂向剛度、側向剛度、縱向剛度及接地壓力的獨立設計。

2.2 蜂巢式非充氣輪胎

2008年美國Resilient技術公司和威斯康星州大學麥迪遜分校聚合體工程學中心的研發人員利用仿生學原理開發出一種新型非充氣輪胎—蜂巢式輪胎，如圖2所示[21]。它巧妙地將蜂巢六邊形結構運用到輪胎的輪輻上，這些輪輻采用了能夠保持柔性的高性能材料，以使其彈性高、散熱快，且具有一定的強度。目前，蜂巢式非充氣輪胎已被用于高機動性多用途輪式車（HMMWV）上。

圖2 蜂巢式輪胎Fig.2 Honeycomb-type tire

3 非充氣輪胎的力學性能

3.1 承載機制及剛度

輪胎的承載機制可分為頂部承載和底部承載，如圖3所示[22]。

圖3 輪胎的承載機制示意Fig.3 Fundamental load-carring mechanism of tires

實心輪胎采用底部承載機制，通過接地部分被壓縮變形，將負荷從接地區域傳遞到輪轂，輪胎中僅有極小部分參與承擔負荷，單位質量承載效率較低。而充氣輪胎和非充氣輪胎均采用頂部承載機制，輪胎接地部分基本不承擔負荷，通過接地區域以外的其他部分承擔大部分負荷，單位質量的承載效率較高。當非充氣輪胎承載時，由于剪切帶的增強薄膜是不可拉伸的，接地區域剪切帶的剪切層受到負荷而被壓縮時，剪切帶多余部分的長度被用于增大剪切帶的直徑，與此同時，非接地部分的輻條產生拉力，將輪胎“懸掛”起來，從而使輪胎的垂直剛度減小。非充氣輪胎具有比充氣輪胎更大的側向剛度，其主要原因是非充氣輪胎的輪輻采用了側向圓周排布方式，當承受側向負荷時，輪胎側向變量較小，側向剛度較大[23]。岳紅旭等[24-25]通過對非充氣輪胎的仿真研究發現，在一定范圍內，輪胎的側向剛度和扭轉剛度隨著垂向負荷的增大而增大。

傳統充氣輪胎的剛度在輪胎設計時只能通過扁平比進行調整，輪胎扁平比越大，抓著力越大，彈性越好，垂直剛度則越小，但這也使輪胎的設計受到很多限制[26]。而非充氣輪胎卻完全不同，其縱向、側向和橫向剛度既可通過柔軟可彎曲的輪輻調節[27]，還可以通過富有彈性的可變形輪輞調節，完全可以滿足不同道路條件、行駛工況和使用者個人偏好，可達到最佳效果。

P.Amarnath[28]采用具有幾何非線性的二維平面有限元模型對Tweel輪胎的滾動過程進行數值模擬，根據力-位移曲線表明，增大剪切帶厚度和增加輻條對數量都會使地面的反作用力和剛度成比例增大，但與輻條對數量的變化相比，輻條厚度的變化對輪胎的剛度起到主導作用。同時，在輻條總質量相等的情況下，輻條對數量越小、輻條厚度越大，輪胎可承載的負荷和剛度越大。L.R.William[29]研究發現：輻條厚度是對Tweel輪胎質量和垂向剛度影響最大的參數，輻條厚度越大，輪胎的質量和剛度越大；剪切帶厚度和輻條曲率分別是影響輪胎垂直剛度的第二和第三大參數，較厚的剪切帶和較小的輻條曲率都會使輪胎的剛度增大。N.Akshay[15]基于聚氨酯剪切層單軸試驗數據，根據力-位移曲線的斜率研究Tweel輪胎的垂向剛度，結果表明輪胎的垂向剛度隨著剪切層剪切模量的增大而增大。

對于蜂巢式輪胎，較大的蜂巢角度會減小輪胎的垂向剛度，且負泊松比蜂巢結構降低了橫向反作用力，從而降低輪胎的整體反作用力；同時，較大的蜂巢角度降低了蜂巢結構因屈曲導致的不穩定性的幾率，因此應當合理設計蜂巢角度。K.Kwangwon等[30]的研究表明，輪胎的垂向剛度隨著負荷增大而單調遞減，這是因為在變形初始階段，蜂巢結構接地印痕區域由于壓縮而具有較大的阻力，隨著負荷的增大，蜂巢壁發生屈曲而導致垂向剛度減小。

非充氣輪胎采用高效的頂部承載機制，使每一時刻輪胎的每一部分都參與承載。與普通充氣輪胎相比，非充氣輪胎的垂向剛度與負荷呈負相關，且通過調整輪輻厚度和曲率以及剪切帶厚度和剪切層剪切模量都可以有效地減小非充氣輪胎的剛度。

3.2 接地壓力

充氣輪胎的接地壓力和垂向剛度都與氣壓直接緊密耦合；而非充氣輪胎的接地壓力主要與輪胎外形尺寸和剪切帶參數有關，從而保證了接地壓力與垂向剛度的相對獨立，即接地壓力與垂向剛度解耦，同時垂向剛度、側向剛度和扭轉剛度也不再是強耦合關系。由于負荷等于接地壓力與接觸面積的乘積，因此非充氣輪胎可以同時具有大的接地壓力和剛度，或同時具有小的接地壓力和剛度。

輪轂加載時，剪切帶發生變形，在接地處形成“接觸片”，由于內層和外層薄膜是不可拉伸的，因此從彎曲到平面的變形是由剪切層產生的。Tweel輪胎的接地壓力計算公式[22]如下：

式中，P為接地壓力，G，R和h分別為剪切層剪切模量、輪胎圓周半徑和剪切帶厚度，x為接地印痕縱向坐標。

由于接地印痕縱向坐標x相對于輪胎圓周半徑R可以忽略不計，則有：

上述公式的成立對剪切帶的材料性能有著特殊的要求，即在設計時應保證剪切帶的增強薄膜具有較小的彎曲剛度及較大的周向剛度，剪切層具有較小的剪切模量；同時，增強薄膜的拉伸模量與剪切層的剪切模量之比至少為1 000∶1[31]。通過對方程（2）中3個參數進行調整，可以使Tweel輪胎的接地壓力與充氣輪胎一樣低。

采用有限元方法對Tweel輪胎進行仿真分析，結果表明，Tweel輪胎剪切帶的“三明治”結構可以為其提供均勻的接地壓力，而沒有剪切帶結構的輪胎則接地印痕較短，壓力大且分布較不均勻[32]。V.Mallikarjun等[33]的研究表明：隨著剪切帶厚度從10 mm增大到20 mm，Tweel輪胎的接地長度減小，最大接地壓力增大了27%；隨著剪切層剪切模量的增大，Tweel輪胎的垂向剛度增大，由于剪切能力降低，使得接地區域的材料變形減小，因此能量損失較低，同時使得最大接地壓力升高，接地長度變小。通過正交試驗設計發現對于Tweel非充氣輪胎，剪切層剪切模量對輪胎的最大接地壓力有重要的影響，剪切帶厚度其次，輻條厚度對最大接地壓力基本無影響。L.A.Berglind等[34]基于Tweel輪胎輻條結構，設計了錐形刷毛式的剪切帶，可以有效地利用材料變形使高剪切變形下輪胎受到的應力分布更加均勻，但由于錐形刷毛結構使輪胎的接地長度變小，進而導致其輪胎的最大接地壓力比實心剪切帶輪胎大。

J.Jaehyung等[35]研究了不同角度蜂巢結構輪胎的剪切帶對接地壓力分布的影響，發現剪切帶上蜂巢角度為負值時，在能夠實現面內剪切特性的同時，減小接地壓力，且在一定范圍內蜂巢角度負值越大，接地壓力越小。剪切層剪切模量決定了施加給定負荷時輪胎的接地壓力和接地長度。剪切層最大剪切應變不會直接影響輪胎的接地壓力特性，但是根據接地長度，剪切層在發生破壞之前應承受一定水平的剪切應變。B.Luke[36]為了同時得到具有高剪切模量G12*和高剪切應變（γ12*）max的剪切帶，為蜂巢結構建立了一種設計方法。在該方法中常規參數被有效垂直構件高度I和水平間距d所代替，通過參數研究發現：有效垂直構件高度I和水平間距d對剪切模量G12*均有顯著影響；而對于剪切應變（γ12*）max而言，僅有有效垂直構件高度I對其有顯著影響。這些新參數使得設計空間容易進行調整，并且它們相互獨立，有效垂直構件高度I或水平間距d可以在不影響對方的情況下自由修改，如圖4所示。

圖4 蜂巢結構設計方法Fig.4 Design method of honeycomb structure

美國國防部在2018—2019年資助的SBIR研究項目（用于高速路面和越野路面的非充氣輪胎）中，開發了規格為16.00R20的非充氣輪胎模型。其中提到了一種多面體相變細胞矩陣（Polyhedral Phase Transforming Cellular Matrix，PXCM）結構，PXCM結構具有比傳統蜂巢結構更加卓越的力學性能，可以直接通過胞狀結構發生相變來優化輪胎的剛度和接地壓力，以適應不同負荷和變化地形對輪胎帶來的沖擊，使輪胎能夠在軍事任務環境中提高生存能力[37]。

在非充氣輪胎中，剪切帶的“三明治”結構為其提供了均勻的接地壓力；同時，解耦使非充氣輪胎僅通過改變輪胎的外觀結構即可有效地調整接地壓力，從而解決了傳統輪胎由于強耦合而導致設計受限問題。

3.3 在粗糙路面上的滾動阻力及動態溫升

3.3.1 滾動阻力

輪胎在粗糙路面上經歷反復循環變形和恢復過程中，原本用來驅動輪胎的機械能由于滾動阻力的存在而被轉換成熱能并從輪胎中散發出去，盡管滾動阻力只消耗車輛燃油總能量的4%～7%，但滾動阻力的小幅降低會提高燃油經濟性。統計數據顯示，假設其他影響因素不變，滾動阻力降低10%將導致燃油經濟性提高1%～2%[11，38]，因此，使輪胎滾動阻力最小化具有很大的經濟效益。

T.B.Rhyne等[22]采用有限元方法模擬充氣輪胎和Tweel輪胎滾過障礙物的運動過程并記錄其平動速度的損失情況，在這個模擬試驗中，充氣輪胎在越過障礙物時損失6%的平動速度，而Tweel輪胎僅損失了3.2%的平動速度，這表明通過障礙物時，Tweel輪胎較充氣輪胎的能量損失更小。V.Mallikarjun[39]采用有限元模型研究了Tweel輪胎的輻條厚度、剪切帶厚度及剪切層剪切模量對其能量損失特性的影響，結果表明：剪切帶厚度和剪切層剪切模量對輪胎的滾動阻力的影響較大，且隨著剪切帶厚度和剪切層剪切模量的增大，Tweel輪胎的滾動阻力減小；輻條厚度增大時，由于體積的增大，其變形減小，從而導致輪胎的滾動阻力減小。V.Mallikarjun通過對上述參數進行優化，調整剪切層剪切模量為10.29 MPa、剪切帶厚度為19.61 mm、輻條厚度為3 mm，使優化后Tweel輪胎的滾動阻力比優化前降低了25%～32%。通過DOE軟件和Pareto圖進行的敏感性分析表明，剪切層剪切模量是決定輪胎滾動阻力、垂向剛度和接地壓力的最重要參數[33]。

K.Kwangwon等[40]基于DOE及RSM軟件，針對蜂巢型結構，以優化后輪胎的滾動阻力為目標，進行了輪胎的結構優化設計，優化后輪胎的滾動阻力降低了約15%。C.S.Lu等[41]對輪胎的滾動阻力的分析發現，在相同承載能力下，輪胎的滾動阻力與蜂巢結構質量及其角度呈正相關。A.M.Aboul-Yazid等[42]研究發現：與蜂巢輪胎相比，Tweel輪胎的滾動阻力更低；在有增強剪切帶的情況下，Tweel輪胎的滾動阻力比蜂巢輪胎降低55%，在沒有增強剪切帶的情況下，Tweel輪胎的滾動阻力比蜂巢輪胎降低43%。

3.3.2 動態溫升

依據能量守恒定律，輪胎滾動阻力導致的能量損失會轉化為熱量，該能量損失占輪胎總能量損失的90%～95%，因此輪胎使用粘彈性材料會帶來生熱嚴重的問題[43]。B.N.Thyagaraja[44]通過在剪切帶中引入線彈性材料來降低非充氣輪胎由于動態溫升引起的能量損失，優化材料后的輪胎與現有材料輪胎相比，能量損失降低了17.49%。Y.Sairom等[45]研究發現，當非充氣輪胎滾動時，剪切帶的溫度高于彈性輪輻，此外，剪切帶比相對較薄的輪輻推遲了內部熱量向空氣的散熱，剪切帶由于溫度較高，可考慮采用多孔結構等。J.Jaehyung等[46]將連續層剪切帶改為由多孔纖維彈性體組成的鏤空剪切帶，通過在多孔剪切帶中使用復合材料來補償剛度損失，結果表明，在不影響結構剛度的情況下，多孔彈性體剪切帶非充氣輪胎的能量損失比連續剪切帶非充氣輪胎的更低。

在非充氣輪胎中，隨著剪切帶厚度的增大，輪胎對剪切效應的抵抗力增大，表明滾動過程中損失的能量減小，輪胎的滾動阻力減小；隨著剪切層剪切模量的增大，剪切能力下降，導致接地區域的材料變形較小，輪胎的滾動阻力也隨之減小。當輪胎的滾動速度增大時，相比于暴露在空氣中的高比表面積的輪輻，剪切帶的動態溫升較為明顯，可以通過優化剪切帶的材料及結構來減小動態溫升帶來的能量損失。

3.4 振動響應

非充氣輪胎最初在進行高速滾動試驗時，輪胎產生的噪聲極大。研究表明，Tweel非充氣輪胎在高速滾動過程中產生噪聲的3個來源如下[17]：（1）進入和離開接地區域時，輻條的屈曲和拉回產生的振動；（2）剪切帶產生的振動；（3）輪胎與地面相互作用產生的振動和剪切帶與輻條之間的振動傳遞。K.M.Kranti[47]通過Abaqus的二維分析表明，輻條的振動頻率主要發生在近190，360和620 Hz，同時在Tweel輪胎轉速改變時輻條的振動頻率保持不變，表示輻條振動不是與車輪相連的強迫振動，而是輻條固有頻率的自由振動。

M.Ramachandran等[48]研究發現：對輻條邊緣進行扇形減寬（如圖5所示），可以顯著減小振動幅度，但對頻率峰值影響不大；輻條厚度對頻率的影響不大，但會影響振動幅度；輻條寬度對頻率和振動幅度都沒有顯著影響。B.Shashank[16]對Tweel輪胎的研究表明：只改變幾何參數而不改變質量的輻條對模型與均勻分布的輻條對模型相比，輻條對的輻條厚度和曲率微小變化可以有效地改變振動幅度；將大曲率細輻條和小曲率粗輻條組合在一起形成奇偶交替輪輻對（如圖6所示），可以減小輪輻振動及輪胎與地面相互作用產生的振動。

圖5 對輻條邊緣進行扇形減寬處理Fig.5 Spoke models with edge width-reduced scalloping on both sides

圖6 奇偶交替輻條對Fig.6 Alternating odd and even spoke pairs

P.Amarnath[28]利用穩健參數設計法和正交試驗法，系統地研究了Tweel輪胎的關鍵幾何參數對振動的影響，結果表明：輻條長度和曲率是影響輪胎與地面相互作用產生的振動和剪切帶振動的重要參數；輻條長度與厚度之間沒有強的交互作用。L.R.William[29]研究發現：減小Tweel輪胎輻條長度和增大輻條曲率都會同時減小輻條、剪切帶及輪胎與地面相互作用產生的振動幅度；通過Tweel輪胎中幾何參數的調整，可以實現輻條振動峰值和振幅頻率的較大變化。

早期的Tweel輪胎由于高速振動產生的噪聲問題，使得車速的提升受到限制。近幾年的研究表明：通過增大輻條厚度和曲率均會明顯降低輪胎的振動；同時，偶數對采用大曲率細輻條，奇數對采用小曲率粗輻條，將它們組合在一起，既可以減小輻條振動，又可以減小輪胎與地面相互作用產生的振動。

4 結語

本文總結了充氣輪胎的優勢及不足，介紹了輻條式和蜂巢式兩款典型非充氣輪胎的結構及性能特點。與普通充氣輪胎相比，非充氣輪胎通過優化剪切帶和輪輻的結構和幾何參數可以有效地減小其垂向剛度；同時，垂向剛度、側向剛度和扭轉剛度與接地壓力之間解耦，也使輪胎的設計空間得以拓展。在滾動阻力方面，非充氣輪胎比充氣輪胎更小。在此分析的基礎上，認為非充氣輪胎與充氣輪胎相比具有一定的有效競爭性。

非充氣輪胎特殊的結構設計，使其具有許多優良的性能。但輪胎在高速行駛時產生的噪聲與散熱問題、輪輻連接部位在受力時由于應力集中而產生的強度及耐久性問題、鏤空結構排斥異物的問題以及生產工藝和成本等使其仍處于設計研發階段。相信隨著未來市場需求的不斷擴大，這些困擾非充氣輪胎發展的問題都會逐步得到解決，使非充氣輪胎成為輪胎領域的一大品種。