本發(fā)明涉及輪胎領域，特別涉及一種梯度彈性非充氣輪胎。

背景技術：

自從充氣輪胎出現(xiàn)，尤其是子午線輪胎出現(xiàn)以來，輪胎結構不斷改善，性能趨于完善。充氣輪胎能支撐載荷、吸收路面振動，且具有一些顯著的優(yōu)點：接地壓力較低、滾動阻力較低且噪聲比較小，已經(jīng)廣泛應用于各種車輛。但充氣輪胎由于其結構原因，又存在著不可避免的缺點，比如，制造工藝復雜、需消耗大量的天然橡膠、需要維持一定的充氣壓力，且存在著爆胎的危險。

綜合考慮充氣輪胎的各種性能，目前已有多種新型非充氣輪胎問世。

專利cn101687433b提出一種基于拉伸力的非充氣輪胎，用于在拉伸力下支撐負載。該發(fā)明提出的非充氣輪胎，只是從整體上考慮應力的總量，而未能考慮局部結構的應力集中，缺少對應情況下的應對方案。專利cn102398474b提出了一種實心輪胎，該發(fā)明突出實心輪胎的緩沖作用，但在承受載荷后并不能即是恢復到其原始形態(tài)，這對輪胎的抓地能力非常不利。專利cn104995036a公開了一種非充氣輪胎，該發(fā)明中車輪內(nèi)外部分結構剛度不同，是對車輪整體的要求，而未對車輪內(nèi)局結構部作具體的要求，無法應對車輪變形時的產(chǎn)生的應力集中問題。

在上述多種非充氣輪胎中，分別提出運用不同結構和材料進行設計的非充氣輪胎，但目前的設計中，非充氣輪胎結構不盡完善或者結構過于復雜，而本發(fā)明的非充氣輪胎結構簡單，易于制造，并且可以獲得較好的抓地性能。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在不足，本發(fā)明提供了一種梯度彈性非充氣輪胎，通過設置柔性層和剛性層，合理分布梯度彈性輪輻中應力分布，使非充氣輪胎變形時整體呈現(xiàn)較低的應力水平，有利于提高非充氣輪胎的使用壽命，并降低輪胎滾動過程中的能量損耗。

本發(fā)明是通過以下技術手段實現(xiàn)上述技術目的的。

一種梯度彈性非充氣輪胎，包括支撐結構和環(huán)形帶；所述環(huán)形帶表面固定胎面；所述環(huán)形帶由方形網(wǎng)格圍繞構成；所述支撐結構包括內(nèi)固定環(huán)、梯度彈性輪輻和外固定環(huán)，所述內(nèi)固定環(huán)安裝在車輪輪輞外側，所述外固定環(huán)安裝在環(huán)形帶內(nèi)側，所述梯度彈性輪輻在內(nèi)固定環(huán)和外固定環(huán)之間；所述梯度彈性輪輻包括剛性層和柔性層，所述剛性層的徑向結構剛度大于柔性層的徑向結構剛度；剛性層和柔性層在輪胎徑向方向間隔分布，剛性層數(shù)大于柔性層數(shù)；所述柔性層的徑向結構剛度沿輪胎徑向直徑的遞減而增加。

進一步，所述剛性層由筋板構成；所述柔性層由首尾相連的筋板構成波浪形；所述波浪形的柔性層設有波峰和波谷，所述波峰為在當前柔性層中距輪胎圓心距離最小的端點；所述波谷為在當前柔性層中距輪胎圓心距離最大的端點；所述波峰和波谷分別與剛性層的筋板連接。

進一步，所述剛性層的徑向結構剛度不小于柔性層的徑向結構剛度的10倍。

進一步，所述筋板為板狀結構或由纖維材料編制成的膜狀結構；所述筋板的中面位置設加強層，所述加強層由高強度纖維的材料組成或者由等間隔平行排布的纖維簾線組成。

進一步，柔性層中首尾相連的所述筋板之間的夾角不小于90°。

進一步，所述剛性層包括第一剛性層、第二剛性層和第三剛性層；所述柔性層包括第一柔性層和第二柔性層；所述第一剛性層和第三剛性層的筋板按周向分布，且互不連接；所述第一剛性層的筋板的一端與連接內(nèi)固定環(huán)，另一端與所述第一柔性層的波峰連接；所述第三剛性層的筋板的一端與連接外固定環(huán)，另一端與所述第二柔性層的波谷連接；所述第二剛性層由倒v型筋板組成，所述倒v型筋板的頂角與所述第一柔性層的波谷連接，所述倒v型筋板的兩個底腳分別與所述第二柔性層的兩個相鄰的波峰連接。

進一步，所述第一剛性層和第三剛性層的筋板周向分布的角度小于30°。

進一步，所述第二剛性層的倒v型筋板的夾角小于90°。

進一步，所述第三剛性層中的筋板數(shù)量是第一剛性層中的筋板數(shù)量的整數(shù)倍，且倍數(shù)不少于2；所述第二柔性層的波浪形的周期為td，所述第一柔性層的波浪形的周期為tb，td：tb≥2。

進一步，所述第一柔性層中筋板的厚度大于第二柔性層中筋板的厚度，但小于第二柔性層的筋板厚度的2倍。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明所述的梯度彈性非充氣輪胎，通過設置柔性層和剛性層，合理分布梯度彈性輪輻中應力分布，使非充氣輪胎變形時整體呈現(xiàn)較低的應力水平，有利于提高非充氣輪胎的使用壽命，并降低輪胎滾動過程中的能量損耗。

2.本發(fā)明所述的梯度彈性非充氣輪胎，通過設置兩層徑向剛度不同的柔性層，可以實現(xiàn)輪胎在變形過程中，輪胎徑向剛度隨輪胎變形量增加而增加，使輪胎在受到?jīng)_擊時具有較好的緩沖效果。

3.本發(fā)明所述的梯度彈性非充氣輪胎，通過設置兩層徑向剛度不同的柔性層，并合理設計剛性層中板狀結構的數(shù)量，使本發(fā)明的非充氣輪胎接地時，接地壓力均勻分布，且接地印痕較長，由此獲得優(yōu)異的抓地能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的梯度彈性非充氣輪胎等軸側視圖。

圖2為本發(fā)明所述的梯度彈性輪輻局部放大視圖。

圖3為本發(fā)明所述的梯度彈性非充氣輪胎一個實施例在有限元仿真中，固定路面，輪胎下沉量為20mm時，輪胎變形后的形狀及應力分布。

圖4為本發(fā)明所述的梯度彈性非充氣輪胎一個實施例在有限元仿真中，固定路面，輪胎下沉量為20mm時，輪胎接地區(qū)域壓力分布曲線。

圖5為本發(fā)明所述的梯度彈性非充氣輪胎一個實施例在有限元仿真中，固定路面，輪胎下沉量最大達到40mm時，單位厚度的輪胎產(chǎn)生的載荷-位移曲線。

圖中：

2-支撐結構；21-內(nèi)固定環(huán)；22-梯度彈性輪輻；22a-第一剛性層；22b-第一柔性層；22c-第二剛性層；22d-第二柔性層；22e-第三剛性層；23-外固定環(huán)；3-環(huán)形帶；4-胎面。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

如圖1所示，一種梯度彈性非充氣輪胎，包括支撐結構2和環(huán)形帶3；所述環(huán)形帶3表面固定胎面4；所述環(huán)形帶3由方形網(wǎng)格圍繞構成；環(huán)形帶3由方形網(wǎng)格圍繞構成，通過鑄造或者3d打印的方式，環(huán)形帶3可以一體地形成。所述支撐結構2包括內(nèi)固定環(huán)21、梯度彈性輪輻22和外固定環(huán)23，所述內(nèi)固定環(huán)21安裝在車輪輪輞外側，所述外固定環(huán)23安裝在環(huán)形帶3內(nèi)側，所述梯度彈性輪輻22在內(nèi)固定環(huán)21和外固定環(huán)23之間；所述梯度彈性輪輻(22)包括剛性層和柔性層，所述剛性層的徑向結構剛度大于柔性層的徑向結構剛度；剛性層和柔性層在輪胎徑向方向間隔分布，剛性層數(shù)大于柔性層數(shù)；優(yōu)選所述剛性層的徑向結構剛度不小于柔性層的徑向結構剛度的10倍。所述柔性層的徑向結構剛度沿輪胎徑向直徑的遞減而增加，即靠近內(nèi)固定環(huán)21的柔性層的徑向結構剛度大于遠離內(nèi)固定環(huán)21的柔性層徑向結構剛度。本發(fā)明通過設置柔性層和剛性層，且所述剛性層的徑向結構剛度大于柔性層的徑向結構剛度，并合理分布梯度彈性輪輻中應力分布，使非充氣輪胎變形時整體呈現(xiàn)較低的應力水平，有利于提高非充氣輪胎的使用壽命，并降低輪胎滾動過程中的能量損耗。

如圖2所示，所述剛性層由筋板構成；所述柔性層由首尾相連的筋板構成波浪形；柔性層中首尾相連的所述筋板之間的夾角不小于90°；所述波浪形的柔性層設有波峰和波谷，所述波峰為在當前柔性層中距輪胎圓心距離最小的端點；所述波谷為在當前柔性層中距輪胎圓心距離最大的端點；所述波峰和波谷分別與剛性層的筋板連接。所述筋板為板狀結構或由纖維材料編制成的膜狀結構；所述筋板的中面位置設加強層，所述加強層由高強度纖維的材料組成或者由等間隔平行排布的纖維簾線組成。通過設置兩層徑向剛度不同的柔性層，可以實現(xiàn)輪胎在變形過程中，輪胎徑向剛度隨輪胎變形量增加而增加，使輪胎在受到?jīng)_擊時具有較好的緩沖效果。

圖2所示，所述剛性層包括第一剛性層22a、第二剛性層22c和第三剛性層22e；所述柔性層包括第一柔性層22b和第二柔性層22d；所述第一剛性層22a和第三剛性層22e的筋板按周向分布，且互不連接；所述第一剛性層22a和第三剛性層22e的筋板周向分布的角度小于30°。所述第一剛性層22a的筋板的一端與連接內(nèi)固定環(huán)21，另一端與所述第一柔性層22b的波峰連接；所述第三剛性層22e的筋板的一端與連接外固定環(huán)23，另一端與所述第二柔性層22d的波谷連接；所述第二剛性層22c由倒v型筋板組成，所述倒v型筋板的頂角與所述第一柔性層22b的波谷連接，所述倒v型筋板的兩個底腳分別與所述第二柔性層22d的兩個相鄰的波峰連接。所述第二剛性層22c的倒v型筋板的夾角小于90°。

圖2為本發(fā)明的梯度彈性非充氣輪胎的梯度彈性輪輻22的具體實施例：所述第一剛性層22a的筋板與所述第一柔性層22b的波峰的夾角為108°；所述第二剛性層22c的倒v型筋板的夾角為68°，所述第三剛性層22e的筋板與所述第二柔性層22d的波谷的夾角為119°。

按照剛性層的徑向結構剛度大于柔性層的徑向結構剛度，由此選取柔性層和剛性層所采用的材料，第一剛性層22a、第二剛性層22c和第三剛性層22e中筋板采用彈性模量較大、幾乎線性的工程塑料制造，比如聚碳酸酯(pc，彈性模量2.7gpa)；所述第一柔性層22b和第二柔性層22d中筋板采用彈性模量較小且具有超彈性特性的聚合物制造，比如聚氨酯(pu，等效彈性模量約為5mpa)。所述第一柔性層22b中筋板的厚度大于第二柔性層22d中筋板的厚度，但小于第二柔性層22d的筋板厚度的2倍，本實施例的支撐結構2中，設h代表結構板的厚度，h(22b)：h(22d)≈7∶4。

所述第二柔性層22d的波浪形的周期為td，所述第一柔性層22b的波浪形的周期為tb，td：tb≥2。因為第二柔性層22d中筋板數(shù)量大于第一柔性層22b中筋板數(shù)量，一方面是為了限定兩層柔性層中單個筋板長度關系。因為第二柔性層22d的徑向結構剛度小于第一柔性層22b的徑向結構剛度，如果兩層柔性層中的筋板長度相同，那么輪胎變形時，在一定的載荷下，第二柔性層22d的徑向變形量將會明顯大于第一柔性層22b的徑向變形量，這是應該避免發(fā)生的。為此，通過兩層柔性層中波浪形的周期不同，保證第二柔性層22d中筋板長度小于第一柔性層22b中筋板長度，使兩層柔性層在輪胎變形時的徑向變形量不會相差過大。

所述第三剛性層22e中的筋板數(shù)量是第一剛性層22a中的筋板數(shù)量的整數(shù)倍，且倍數(shù)不少于2；為了方便設計和調整三層剛性層筋板的數(shù)量。三層剛性層中，第一剛性層22a主要作用是連接、支撐第一柔性層22b，所以第一剛性層22a中的板狀結構可以設置為數(shù)量少、間隔遠、形狀粗大，以此節(jié)省材料；而第三剛性層22e，不僅要支撐第二柔性層22d，而且對其外側的外固定環(huán)23產(chǎn)生作用力。如果第三剛性層22e中筋板間隔較大，則其中單個筋板內(nèi)部承受較大的壓縮力，其作用力將會較為容易地透過其外側的所有結構(外固定環(huán)23、環(huán)形帶3和胎面)，作用到路面，直觀體現(xiàn)就是接地壓力分布不均勻，接地壓力中出現(xiàn)的多個峰值則對應第三剛性層22e中筋板的位置。所以，有必要使第三剛性層22e中板狀結構間隔較小，即為增加其數(shù)量。

本發(fā)明的梯度彈性非充氣輪胎的梯度彈性輪輻22的具體實施例中，以n(剛性層或柔性層)表示相應層中筋板數(shù)量，則有n(22a)：n(22b)：n(22c)：n(22d)：n(22e)＝1∶2∶2∶4∶2。

如圖3所示，用有限元方法對本發(fā)明的一個實施例構建二維模型，進行力學特性仿真。仿真中，路面(圖中未示出)固定不動，輪胎的支撐結構內(nèi)固定環(huán)21整體下沉20mm，結果顯示，由于剛性層的徑向結構剛度大于柔性層的徑向結構剛度，輪輻結構22中的剛性層的筋板變形很小，而第一柔性層22b和第二22d中筋板產(chǎn)生較大的彎曲。由于剛性層采用較硬的材料，而柔性層采用較軟的材料，輪輻結構中應力集中出現(xiàn)在第一剛性層22a和支撐結構內(nèi)固定環(huán)21的連接位置，其材料都為聚碳酸酯(pc)，應力大小為29.3mpa，小于材料的屈服應力81mpa；其中采用聚氨酯(pu)的柔性層中最大應力僅為11mpa，出現(xiàn)在筋板之間的連接位置。環(huán)形帶中最大應力為49.1mpa，出現(xiàn)在輪胎接地邊緣位置，分布較為均勻，且小于設定的最大應力60mpa。從結果上看，輪輻結構中整體呈現(xiàn)較低的應力水平，局部的應力集中的數(shù)值也在可以接受范圍內(nèi)。較低的應力水平有利于提高輪胎的使用壽命，而且減少輪胎使用過程中的生熱量，進一步地降低輪胎滾動過程中的能量損耗。

圖4顯示的是本發(fā)明的一個實施例的非充氣輪胎在產(chǎn)生20mm下沉量時的接地壓力分布情況。按照本實施例所設定的結構參數(shù)，由于靠第一柔性層22b的徑向結構剛度大于第二柔性層22d的徑向結構剛度，而第一柔性層22b的筋板長度大于第二柔性層22d的筋板長度，兩層柔性層的徑向變形量差別不大；由于第三剛性層22e中筋板數(shù)量是第一剛性層22a中筋板數(shù)量的2倍，且在接地范圍內(nèi)壓力分布較為均勻；另外，輪胎下沉20mm時接地長度已經(jīng)達到109mm，相對比較長。目前對輪胎抓地能力的評價并沒有統(tǒng)一而量化的標準，影響輪胎抓地能力的因素主要為接地長度和接地壓力分布均勻程度，而從本發(fā)明實施例的仿真結果上看，本實施例的非充氣輪胎具有良好的抓地能力。

圖5顯示的是本發(fā)明的一個實施例的非充氣輪胎在靜態(tài)條件下的載荷-位移曲線，由于第一柔性層22b的徑向結構剛度大于第二柔性層22d的徑向結構剛度，輪胎中心位移小于20mm時，地面反力增長較慢，即輪胎徑向剛度較小，此時第二柔性層22d發(fā)揮主要作用；位移大于20mm后，地面反力開始較快增長，即輪胎徑向剛度變大，此時第一柔性層22b和變形的第二柔性層22d共同起作用。如此變剛度的性能表現(xiàn)，使輪胎受到?jīng)_擊時變形不會過大，有利于提高輪胎在受到?jīng)_擊時的緩沖效果，使本發(fā)明的非充氣輪胎在受到過大載荷時也能保持一個合理的變形。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質內(nèi)容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。