摘要： 為實現新型非充氣輪胎環形增強帶的結構設計，對非充氣輪胎接地特性進行了研究。在充分理解環形增強帶結構與理論的基礎上，運用有限元分析(finite element analysis，FEA)法，建立基于各向異性材料、B21梁單元、簾線帶束結構的環形增強帶模型，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、簾線帶束結構的加強層材料周向剛度大，拉伸應變很小，此時環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形增強帶的結構設計及優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、接地印跡壓力和質量優勢，已占據世界輪胎市場100多年。然而充氣輪胎的結構特點決定其存在刺破受損、難以保持胎壓穩定和制造工藝復雜等問題[1 2] 。而非充氣輪胎因結構與材料的無限可能，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，得到國內外各大輪胎公司的青睞，具有廣闊的市場和發展前景[3] 。近年來，為提高輪胎的安全性能，國內外相關研究機構提出了仿生輪胎[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] 分析了一種蜂巢結構的環形增強帶對接地印跡壓力分布的影響，發現環形增強帶上負的蜂巢角度在能夠實現面內剪切特性的同時，降低接地印跡內的壓力分布，為環形增強帶的結構及材料設計提供了一種新的思路;M.Veeramurthy等人[11] 研究了環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，發現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，滾動阻力和蜂巢結構質量與其角度呈正相關。環形增強帶的作用可以使非充氣輪胎在接地區域壓力均勻分布，接地印跡壓力分布對車輛的平順性、操縱穩定性及磨損具有重要影響[13] 。輪胎接地區域壓力過高，會使輪胎快速磨損，從而減少使用壽命;輪胎接地區域壓力過小，會使輪胎難以控制，從而降低車輛的操縱穩定性[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、簾線帶束結構的3種環形增強帶模型，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。該研究為新型結構非充氣輪胎環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

　　輻板結構非充氣輪胎如圖1所示。輻板結構主要由胎面、增強環形帶、輻板和輪輞組成，其中增強環形帶類似于三明治結構(見圖1b所示)，由內外加強層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。當環形增強帶在接地區域變平時，圓弧形狀變為直線，由于強化層拉伸模量大，不可伸展，環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為直線后多出來的長度[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域的圓周部分，使環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形增強帶的接地區域進行周長補償，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 環形增強帶力學特性分析

　　針對環形增強帶，研究者將環形增強帶等效為梁，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，同時環形增強帶的物理行為表現為幾乎全部發生剪切變形[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。由于內外加強層軸向不可拉伸，當與路面接觸時，內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送剪切變形進行補償，剪切層剪切應變為

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

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