CN103332070B - 一种仿生胎冠结构子午线轮胎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生胎冠结构子午线轮胎，轮胎的胎面弧仿蝗虫脚掌表面几何结构，行驶面宽L的胎面弧由两段圆弧组成，两段圆弧以轮胎断面中心线对称；两段胎面弧的水平长度分别为L₁、L₂，且L₁=L₂，L₁、L₂的长度分别为行驶面宽L的50%。胎面弧的最高点有两个，以轮胎断面中心线对称，胎面弧的最高点到断面中心线的距离分别为L₃、L₄，L₃、L₄的长度分别为行驶面宽L的15%～25%。在胎面中心加上一段高模量的带束层，为仿蝗虫脚掌的屈肌腱结构，其钢丝帘线的角度为0度，仿生带束层宽度为L₅，其中L₅为L的10%～20%。这种胎冠结构的子午线轮胎有效地控制了轮胎接地过程中胎冠的变形，改善了轮胎接地压力分布，提高了子午线轮胎的接地性能。

Description

一种仿生胎冠结构子午线轮胎

技术领域

本发明属于汽车部件领域，涉及一种子午线轮胎，特别涉及一种仿生胎冠结构的子午线轮胎。

背景技术

汽车与地面的作用是通过轮胎来实现的。轮胎的性能对车辆的乘坐舒适性、操纵性和安全性有着重要影响，并决定着汽车与地面之间载荷传递的特性。接地印痕是轮胎被施加载荷后与地面接触而形成的印痕，它能反映出轮胎的接地压力的分布情况。接地压力分布对汽车操纵稳定性有着重要的影响，而且它决定轮胎胎面的磨损，对轮胎的使用寿命有着重要的影响。 对于宽基子午线轮胎，由于其胎面较宽，胎面的刚度分布难以控制，导致这种轮胎的接地印痕呈沙漏型和花瓶型，接地压力分布不均匀，对轮胎的接地性能造成严重的影响。为了改善这一状况，国内外学者进行了大量卓有成效的研究。主要是通过优化胎面圆弧的以及探索新型的带束层结构来改善轮胎的接地压力分布。例如：某轮胎公司针对445/50 R22.5宽基子午线轮胎，提出一种新型的五层带束层结构，其中一层主要承载层采用单丝缠绕的方法成型装配。这种结构有效的控制了轮胎胎冠的变形。然而这些方法往往带来其他负面的影响：轮胎胎肩变厚影响散热、轮胎质量的增加、成型装配工艺复杂成本增加。Dong Woo Lee等利用克里金插值法对胎冠形状进行了优化；张建等利用遗传算法，以带束层结构为设计变量对轮胎接地压力分布进行了优化。这些研究和方法在一定程度上改善了接地压力分布状况，降低了接地压力偏度值，使接地压力趋于均匀。然而，这些优化方法很可能对轮胎的其他性能造成影响。如何在不影响轮胎其他性能的基础上有效地控制轮胎胎冠的变形使轮胎接地压力分布更加均匀，至今为止还没有找到有效的途径。

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，她的问世开辟了独特的技术发展道路。在35亿年的进化和生存竞争中，动物形成了许多优异的几何结构、巧妙的材料拓扑、简约而有效的控制方式和功能丰富的表面织构。这些结构、材料、表面及其运动控制的方式，使动物运动平稳性、灵活性、健壮性、环境适应性等方面优于现代机械***。在上百万年的生物进化过程中，昆虫的足掌获得了最佳的几何设计和生物材料特性。卢松明等人根据蝗虫脚掌面几何结构提出了仿蝗虫脚掌的机器人脚结构设计，并通过实验与理论分析了其可行性；德国大陆公司根据豹脚爪功能特性提出了仿生胎面轮廓和非对称花纹结构设计，这种轮胎的出现说明了进行猫科动物仿生进行轮胎花纹设计是可行的。可见，仿生设计理念为我们设计新型宽基子午线轮胎胎冠结构提供了设计灵感和创新源泉。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种仿生胎冠结构的子午线轮胎，使其能够有效改善宽基子午线轮胎的接地压力分布，改善其接地性能，并且实现起来简单易行，成本低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种仿生胎冠结构子午线轮胎，所述轮胎的胎面弧仿蝗虫脚掌表面几何结构，行驶面宽L的胎面弧由两段圆弧组成，两段圆弧以轮胎胎面中心线对称；所述的两段胎面弧的水平长度分别为L₁、L₂，且L₁=L₂，L₁、L₂的长度分别为行驶面宽L的50%。

所述的两段胎面圆弧的半径分别为R₁、R₂，其中R₁= R₂，R₁、R₂的取值范围为400～800mm。

所述的胎面弧有两个最高点，以轮胎断面中心线对称，胎面弧的最高点到断面中心线的距离分别为L₃、L₄，且L₃=L₄，L₃、L₄的长度分别为行驶面宽L的15%～25%。

在所述胎面中心设置一段高模量的带束层，为仿蝗虫脚掌的屈肌腱结构，其钢丝帘线的角度为0度，带束层宽度为L₅，其中L₅长度为行驶面宽L的10%～20%。

本发明通过有限元仿真结果可以看出通过仿生胎冠设计的子午线轮胎接地性能较原设计有很大的改善，仿生胎冠结构子午线轮胎胎冠刚度分布更加均匀，接地压力分布更加均匀，制动和驱动工况下接地面积增大，提高了轮胎的抓地性能。胎面中心处的接地压力有所降低，对轮胎的抗滑水性能有一定的提升。由于仿生带束层的作用，有效的控制了胎冠的变形，降低了轮胎的空腔噪声。

附图说明

图1是本发明仿生胎冠结构整体示意图。

图2是本发明仿生胎面弧设计与仿生带束层设计参数示意图。

图3是传统结构设计方案轮胎受力示意图。

图4是本发明仿生胎冠设计结构受力示意图。

图5是传统结构设计方案的接地印痕图。

图6是本发明仿生胎冠设计方案的接地印痕图。

附图标记：1-仿蝗虫脚掌面几何结构胎面弧一；2-仿蝗虫脚掌面几何结构胎面弧二；3-仿蝗虫屈肌腱结构带束层。

具体实施方式

现结合附图对本发明一种仿生胎冠结构的子午线轮胎做进一步说明。

本发明提出的仿生胎冠结构子午线轮胎胎冠结构的如图1所示，主要包括仿蝗虫脚掌几何结构胎面弧一1，仿蝗虫脚掌面几何结构胎面弧二2、仿蝗虫屈肌腱结构带束层3。

本发明提出的仿蝗虫脚掌胎面弧主要控制参数有：L₁、L₂、L₃、L₄、曲率半径R₁、曲率半径R₂、行驶面宽L、行驶面高H（如图2所示）。胎面宽L与原有胎面结构参数保持一致。L₁、L₂、L₃、L₄、R₁、R₂、H具体的数值根据具体的轮胎型号通过优化来定。其中L₁=L₂，L₃=L₄，且L₁、L₂的长度分别为行驶面宽L的50%， R₁=R₂，且R₁、R₂的范围为400mm～800mm。胎面弧的最高点有两个，以轮胎断面中心线对称，胎面弧的最高点到断面中心线的距离分别为L₃、L₄且L₃=L₄，L₃、L₄的长度分别为行驶面宽L的15%～25%。行驶面高H具体值由胎面弧的圆弧半径和胎面弧最高点到轮胎断面中心线的距离来确定，大小约为原有胎面结构行驶面高h的1～1.5倍。

本发明在胎面中心设置一段高模量的带束层，为仿蝗虫脚掌的屈肌腱结构，其钢丝帘线的角度为0度，长度为L₅（如图2所示），L₅的大小为其中L₅为L的10%～20%。其材料选用高模量的钢丝帘线材料。

图3为传统设计方案的受力示意图，传统设计轮胎接地过程中的受力点从胎面中心开始，胎冠的变形也是从胎面中开始向两个胎侧蔓延；图4为仿生胎冠设计方案的受力示意图，通过仿生胎冠设计可以把轮胎分成两个主要受力的空腔，轮胎接地过程中胎面上有两个点同时开始受力，胎冠的变形是从这两个受力点开始向左右两边蔓延的。通过这种方式有效的控制了胎冠的变形。

本发明以型号为385/55 R22.5宽基子午线轮胎为例，通过有限元模拟得到子午线轮胎的接地印痕如图5、图6所示。由图6可知仿生胎冠设计的轮胎接地印痕跟原设计区别较大，胎面中心接地压力较小，有利于降低轮胎噪声和提高轮胎的滑水性能，关于胎面中心对称的接地印痕类似于双胎并装的接地印痕。传统设计轮胎与仿生设计轮胎在静态加载工况以及驱动制动工况下的接地面积对比如表1所示，可见仿生设计轮胎在驱动和制动时的接地面积比传统设计增加显著，从而可以判定仿生设计轮胎比传统实际轮胎具有更好的抓地性能。

表1传统设计轮胎与仿生设计轮胎的接地面积

工况	传统设计	仿生设计
			静态加载接地面积/m2	6.20E-2	5.94E-2
驱动工况下接地面积/m2	6.54E-2	6.42E-2
			制动工况下接地面积/m2	6.55E-2	6.43E-2

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (1)

1.一种仿生胎冠结构子午线轮胎，其特征在于：所述轮胎的胎面弧仿蝗虫脚掌表面几何结构，行驶面宽L的胎面弧由两段圆弧组成，两段圆弧以轮胎胎面中心线对称；所述的两段胎面弧的水平长度分别为L₁、L₂，且L₁=L₂，L₁、L₂的长度分别为行驶面宽L的50%；

所述的两段胎面圆弧的半径分别为R₁、R₂，其中R₁= R₂，R₁、R₂的取值范围为400～800mm；

所述的胎面弧有两个最高点，以轮胎断面中心线对称，胎面弧的最高点到断面中心线的距离分别为L₃、L₄，且L₃=L₄，L₃、L₄的长度分别为行驶面宽L的15%～25%；

在所述胎面中心设置一段高模量的带束层，为仿蝗虫脚掌的屈肌腱结构，其钢丝帘线的角度为0度，带束层宽度为L₅，其中L₅长度为行驶面宽L的10%～20%。