摘要

　　隨著(zhù)科技技術(shù)的發(fā)展，人們對輪胎的性能也提出了較高的要求，非充氣輪胎以其獨特的優(yōu)勢將成為未來(lái)輪胎發(fā)展的趨勢。相較于傳統輪胎，非充氣輪胎在材料的選擇和結構的設計方面都有較大的不同之處。材料方面，非充氣輪胎的材料主要體現在輪輻方面，這是由于在整個(gè)非充氣輪胎的變形中，輪輻是主要的受力點(diǎn)，決定著(zhù)整個(gè)非充氣輪胎的性能。結構方面，非充氣輪胎一般包括輪輻和剪切帶兩部分結構，其結構更簡(jiǎn)單化。

　　穩健設計就是通過(guò)調整設計變量及控制其容差使可控因素和不可控因素當與設計值發(fā)生變差時(shí)仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種工程方法。話(huà)句話(huà)說(shuō)，就是在研發(fā)和改善產(chǎn)品的前期，通過(guò)模擬和實(shí)驗找出影響因子，通過(guò)改變條件得出最優(yōu)值，達到改善產(chǎn)品的目的，使所生產(chǎn)的全部產(chǎn)品符合所設定的目標要求，并能夠大大的減少損失和降低成本。

　　本文以一種新型結構的非充氣輪胎為例，結構主要包括輪轂以及具有一定弧度的輪輻和剪切帶。剪切帶有內襯層、帶束層和橡膠層三層組成。剛性的輪轂可以為非充氣輪胎提供一個(gè)支撐作用，保證非充氣輪胎在運動(dòng)過(guò)程中的穩定性。輪輻為具有超彈性的聚氨酯材料（PU 材料），剪切帶的作用是保證輪胎與地面的接觸和應力，其中，內襯層的作用是固定輪輻，可以看作為輪輻與外環(huán)的緩沖帶。帶束層是保證非充氣輪胎外環(huán)的剛度，起到保護和支撐外環(huán)的作用，而最外面的橡膠層則是輪胎與地面接觸的保障，具有良好的耐磨性。

　　針對非充氣輪胎的結構，利用三維建模軟件和有限元分析軟件建立分析模型。首先在三維軟件中作出非充氣輪胎的三維造型，然后導入到有限元分析軟件中進(jìn)行材料、接觸、邊界條件和載荷工況的設置，進(jìn)而進(jìn)行靜態(tài)及滾動(dòng)狀態(tài)分析。

　　選取影響非充氣輪胎的靜態(tài)結構的主要因素，采用穩健參數設計方法，選出需要的目標量，根據有限元分析得出的結果，建立基于正交試驗設計的直角表，以定量分析各設計因素對非充氣輪胎性能的影響，研究關(guān)鍵結構參數對非充氣輪胎性能穩健性的影響，獲得使非充氣輪胎對目標量的具有穩健性的最優(yōu)參數水平組合，為新型非充氣輪胎特性研究及數字化設計提供有效方法和理論支持。

　　在非充氣輪胎滾動(dòng)狀態(tài)分析中，考慮到速度和接觸面等因素的影響，利用穩健設計的理論，提高非充氣輪胎的抓地性能。在抓地性能的研究中，以非充氣輪胎和地面之間的摩擦力作為衡量指標。通過(guò)提高非充氣輪胎的抓地性能，可以提高輪胎操控性。在非充氣輪胎中，隨著(zhù)滾動(dòng)的平穩進(jìn)行，帶束層作為主要的受力部件，其受力狀態(tài)對非充氣輪胎的力學(xué)性能有很大的影響，對帶束層的優(yōu)化設計有利于提高整車(chē)的舒適性。

　　關(guān)鍵詞：非充氣輪胎，穩健設計，有限元分析，滾動(dòng)性能

Abstract

　　With the development of science and technology, people put forward higher requirements on the performance of tire, and the non pneumatic tire will become the future development trend of tire with its unique advantages. Compared with the traditional tires, non pneumatic tires in the choice of materials and structural design has a big difference. Materials, non pneumatic tire materials are mainly embodied in the spokes, this is because in the tire deformation, spokes is the main force, decides the performance of non pneumatic tire. In structure, non pneumatic tire generally includes two parts: spokes and tread, and the structure is simpler.

　　Robust design is a kind of engineering method which can ensure the quality of products by adjusting the design variables and controlling their tolerances to the controllable and uncontrollable factors. In other words, is in the early stage of development and improvement of the product, through simulation and experiment to find out the influence factor, by changing the conditions of the optimal value, improve the product to make all the products meet the set objectives and requirements, and can greatly reduce losses and reduce cost.

　　First of all, a new type of non-pneumatic tire is introduced, which is a rigid hub, a super elastic, spoke and shear belt with a certain radian. The shear is composed of three layers: an inner lining layer, a belt layer and a rubber layer. The rigid hub can provide a support function for the non-pneumatic tire, and ensure the stability of the non-pneumatic tire during the movement. The spoke is a kind of super elastic polyurethane material (PU material), which is a new type of organic polymer material. The role of shear band is to ensure the contact and stress of the tire and the ground, in which the role of the lining layer is fixed spokes, can be seen as the spokes and the outer ring buffer. The belt layer is to ensure the stiffness of the outer ring of the non-pneumatic tire, which can protect and support the outer ring, and the outer rubber layer is the guarantee of the contact between the tire and the ground.

　　Secondly, combined with non-pneumatic tire structure, carried out a series of processing using 3D software and finite element analysis software, 3D software to draw the non-pneumatic tire model, and then imported to the finite element analysis software set of materials, contact, boundary conditions and loading conditions, analysis and experiment results.

　　Again, main factors influencing non static structure of pneumatic tire, the design method of robust parameter, select the target amount, based on the experimental results the experiments, establishment of orthogonal design table based on right angle, to quantitatively analyze the effect of the design factors on non-pneumatic tire performance. The influence of structure parameters on inflation the tire performance robustness to non, get the optimal parameters of tire level combination has the robustness of the target amount, to provide effective methods and theoretical support for the new tire characteristics and digital design.

　　Finally, taking into account the influence of velocity and contact surface, the theory of robust design is applied to improve the performance of non-pneumatic tire. In the study of the performance of the ground, the friction between the tire and the ground is taken as the measure index. By improving the performance of the non- pneumatic tires, can solve a lot of rolling problems, is the main way to improve handling. In the non-pneumatic type, with smooth rolling, the spokes deformation, squeeze strain energy, this is the tire itself internal energy, and the belt as the main force components, the stiffness of the mechanical properties of the non-pneumatic tire has a great influence on optimization design, with a layer of beam to improve the comfort of the vehicle.

　　Keywords: non-pneumatic tire, robust design, finite element analysis, rollingperformance

　　隨著(zhù)現代科技技術(shù)的發(fā)展，當前社會(huì )對于車(chē)輛速度和行駛環(huán)境提出了較高的要求，這也相應的提高到了對輪胎的要求。輪胎是車(chē)輛與地面接觸的唯一的部分，不僅作為整個(gè)車(chē)輛的支柱，起到支撐作用，而且還可以向地面傳遞驅動(dòng)和轉向力矩；不僅可以提供較高的乘坐舒適性，而且還是車(chē)輛行駛平順性的保障，因此輪胎對于車(chē)輛的重要性不言而喻。依據交通部門(mén)的統計，近年來(lái)由于漏氣、爆胎引發(fā)的交通事故居高不下，傳統的充氣輪胎的橡膠材料的磨損、氣壓的不穩定等一些特征也能夠引發(fā)較大的交通事故。傳統的充氣輪胎缺點(diǎn)體現在以下幾個(gè)方面：只有保證合適的輪胎氣壓才能正常的平穩行駛，過(guò)高或過(guò)低都會(huì )影響車(chē)輛的安全；容易被扎胎，導致漏氣等，造成事故；隨著(zhù)制造輪胎工藝的提高，需要合適的材料才能滿(mǎn)足輪胎的各方面的要求。在軍事方面，普通輪胎無(wú)法承受輕武器和地雷的襲擊[1-3]。由于傳統的充氣輪胎的各方面的性能受到限制，因此研究出了各種各樣的新型輪胎，其中最具有革命化的意義[4]的是非充氣輪胎的運用，不僅打破了傳統充氣輪胎的設計理念，還從材料的選擇和加工，機械設計等一系列的方面進(jìn)行了優(yōu)化[5]，使輪胎的發(fā)展向著(zhù)智能、環(huán)保、安全等方面大步前行[6-7]。

　　相較于傳統輪胎，非充氣輪胎在材料的選擇和結構的設計方面都有較大的不同之處，但存在一個(gè)無(wú)可爭議的優(yōu)點(diǎn)就是比傳統輪胎更現代化、更簡(jiǎn)潔。非充氣輪胎一般包括輪輻外加剪切帶的結構，輪輻的材料必須具有高強度和高彈性等特點(diǎn)，因此輪輻的優(yōu)越性是重點(diǎn)是保證非充氣輪胎特性的最關(guān)鍵部分。非充氣輪胎相比較于傳統輪胎有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　由于非充氣輪胎不是依靠空氣支撐車(chē)輛的重量和增加輪胎彈性，因此不需要充氣，具有防扎、防爆等特點(diǎn)，安全性能得到很大的提高；當非充氣輪胎收到垂向的載荷時(shí)，其中的可變形的支撐體能夠產(chǎn)生較大的變形量，相比較于普通的輪胎，能夠減小路面通過(guò)輪胎傳遞到車(chē)身和懸架的沖擊力，從而提高車(chē)輛的行駛平順性；非充氣輪胎的支撐體在作用的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生較大的變形，這就導致了車(chē)輪與地面的接觸面積大幅度的提高，隨著(zhù)接觸面積的增大，車(chē)輪對地面的附著(zhù)力會(huì )增大，從而提升車(chē)輛的驅動(dòng)和制動(dòng)性能；非充氣輪胎的支撐體均采用側向排布，這種結構的優(yōu)點(diǎn)在于：當車(chē)輪承受側向載荷時(shí)，其受力的方向與支撐體作用力的方向平行，支撐體間的間隙會(huì )失效，這時(shí)候輪胎的的支撐作用完全通過(guò)支撐結構來(lái)決定，輪胎側向形變量會(huì )變小，車(chē)輪的側偏剛度會(huì )增大，從而保證了車(chē)輛的操控穩定性。當然，由于獨特的結構特點(diǎn)，非充氣輪胎自身也存在一些缺陷[8]，主要變現在：非充氣輪胎的支撐體是裸露在外面的，所以一旦異物進(jìn)入車(chē)輪內部，將會(huì )導致支撐結構受到嚴重的損壞。如若在積雪路段、泥濘路段行駛，帶有附著(zhù)效應的積雪和泥土便會(huì )堆積在支撐體的間隙中，從而影響車(chē)輪的變形；伴隨著(zhù)非充氣輪胎的滾動(dòng)，將會(huì )產(chǎn)生較大的垂向變形，帶來(lái)的后果是產(chǎn)生較大的滾動(dòng)阻力。如果高速運轉，車(chē)輪會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，將會(huì )導致胎圈材料性能的失效，所以非充氣輪胎到目前為止還不能承受較高的速度。對非充氣輪胎的使用環(huán)境就提出了較高的要求，僅適用于效率要求不高、速度要求不高等環(huán)境[9]。

　　隨著(zhù)科技的迅速發(fā)展，人們對于車(chē)輛輪胎的性能提出了更高的要求來(lái)滿(mǎn)足不同的狀況，在這樣的大環(huán)境下，非充氣輪胎的發(fā)展必將打破人們的傳統思維，以后非充氣輪胎的發(fā)展勢在必行，非充氣輪胎是輪胎技術(shù)的重大變革和技術(shù)突破[10]，開(kāi)展非充氣輪胎結構合理化、優(yōu)化等設計理論及方法的研究，對其靜態(tài)性能進(jìn)行深入分析，對其滾動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行結構設計，盡早鉆研出具有自主知識產(chǎn)權且裝備成型的非充氣輪胎，對我國發(fā)展非充氣輪胎結構設計方法、提高行車(chē)安全等都具有重大的理論意義和應用價(jià)值，因此在不遠的將來(lái)非充氣輪胎將具有較大的市場(chǎng)和重要的價(jià)值意義。

　　正是由于非充氣輪胎的獨特的優(yōu)點(diǎn)，本文是以一種新型的非充氣輪胎為例，結構為剛性的輪轂，超彈性的且具有一定弧度的輪輻和剪切帶，其中，剪切帶有內襯層、帶束層和橡膠層三層組成。剛性的輪轂可以為非充氣輪胎提供一個(gè)支撐作用，保證非充氣輪胎在運動(dòng)過(guò)程中的穩定性。輪輻和橡膠層為具有超彈性的聚氨酯材料（PU 材料），它是一種新型的有機高分子材料。剪切帶的作用是保證輪胎與地面的接觸和應力[45]，其中，內襯層的作用是固定輪輻，可以看作為輪輻與外環(huán)的緩沖帶。帶束層是保證輪胎外環(huán)的剛度，起到保護和支撐外環(huán)的作用，而最外面的橡膠層則是輪胎與地面接觸的保障，必須具有良好的耐磨性。利用 SolidWorks 三維軟件建立模型，然后利用具有的強大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能的 hypermesh 劃分網(wǎng)格，最后進(jìn)行有限元的分析。

　　本文以建立新型結構非充氣輪胎為主要研究目標，考慮胎面接觸、滾動(dòng)速度等因素的影響，選取需要的目標量，采用穩健參數設計方法，根據模擬出的理論結果，建立基于正交試驗設計的設計因素分析方法，以定量分析各設計因素對輪胎性能的影響；研究關(guān)鍵結構參數對非充氣輪胎性能穩健性的影響，獲得使非充氣輪胎對滾動(dòng)速度和載荷變化等具有穩健性的最優(yōu)的參數水平組合，為新型非充氣輪胎特性研究及數字化設計提供有效方法和理論支持。

　　非充氣輪胎結構設計：

輪輻的變形

非充氣輪胎的接觸面

非充氣輪胎應力分布

非充氣輪胎滾動(dòng)時(shí)的接觸狀態(tài)

非充氣輪胎滾動(dòng)摩擦應力

目 錄

　　摘要
　　ABSTRACT
　　第 1章 緒論
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 非充氣輪胎研究現狀
　　　　1.3 非充氣輪胎的力學(xué)分析
　　　　　　1.3.1 力學(xué)性能
　　　　　　1.3.2 力學(xué)性能的影響因素
　　　　1.4 本文研究?jì)热?br /> 　　第 2章 穩健設計方法
　　　　2.1 穩健設計及其標準化設計
　　　　2.2 產(chǎn)品設計的重要性
　　　　2.3 標準化設計的必要性
　　　　2.4 穩健設計的運用步驟
　　　　2.5 穩健設計的特征
　　　　　　2.5.1 SN 比
　　　　　　2.5.2 穩健設計中的靜態(tài)特征
　　　　　　2.5.3 零點(diǎn)望目特征和一般望目特征
　　　　2.6 本章小結
　　第 3章 非充氣輪胎有限元模型
　　　　3.1 非充氣輪胎結構
　　　　3.2 材料模型選擇
　　　　3.3 網(wǎng)格生成
　　　　3.4 邊界條件和接觸設定
　　　　3.5 載荷工況設定
　　　　3.6 定義作業(yè)并提交運行
　　　　3.7 本章小結
　　第 4章 非充氣輪胎的穩健設計及靜態(tài)性能分析
　　　　4.1 標準正交試驗設計
　　　　4.2 位移量與力的關(guān)系
　　　　4.3 輪輻變形
　　　　4.4 接地狀態(tài)
　　　　4.5 輪胎結構應力分布
　　　　4.6 本章小結
　　第 5章 非充氣輪胎的穩健設計及滾動(dòng)性能分析
　　　　5.1 非充氣輪胎滾動(dòng)性能影響因素
　　　　　　5.1.1 摩擦力的影響
　　　　　　5.1.2 帶束層結構對輪胎剛度的分布影響
　　　　5.2 抓地性能研究
　　　　5.3 應變能變化規律
　　　　5.4 滾動(dòng)接觸狀態(tài)
　　　　5.5 滾動(dòng)摩擦應力
　　　　5.6 本章小結
　　第 6章 結論與展望
　　　　6.1 結論
　　　　6.2 展望
　　參考文獻
　　致謝

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