王恒，張友新，韓林

(廣東技塑新材料股份有限公司，廣東 東莞 523527)

電動(dòng)自行車，作為一種便捷又環(huán)保的交通工具，深受人們的青睞。根據(jù)中國(guó)自行車協(xié)會(huì)提供的數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)，中國(guó)電動(dòng)自行車年銷量超3000萬(wàn)輛，到2020年底社會(huì)保有量將接近3億[1]。隨著電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，其行駛安全也成為了社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)，非充氣輪胎因其具有不漏氣、耐磨損、不爆胎等特點(diǎn)，已經(jīng)成為電動(dòng)車輪胎產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向。隨著時(shí)代的進(jìn)步，電動(dòng)車使用頻率的增加，消費(fèi)者對(duì)于電動(dòng)車的用戶體驗(yàn)和性能方面提出了更苛刻的要求，比如電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨于人性化，輪胎的減震效果更是極大的影響著騎行的舒適度。目前，市場(chǎng)上已有的電動(dòng)自行車非充氣輪胎主要是真空胎和實(shí)心胎，能夠滿足非充氣輪胎的安全要求，但其在行駛過(guò)程中因地面不平整所造成的騎行舒適度不足的問(wèn)題令其應(yīng)用效果大打折扣[2]。

現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)推出的蜂窩狀雙排圓孔非充氣輪胎和免充氣環(huán)保開(kāi)式輪胎，都具有免充氣、耐磨損、減震性能良好、騎行舒適度好的特點(diǎn)。但是這兩款非充氣輪胎都有一個(gè)共同的缺陷，就是隨著負(fù)重的增加和速度的提升，輪胎中空結(jié)構(gòu)的結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、粉化等情況，導(dǎo)致輪胎使用壽命非常短，限制了非充氣輪胎的使用范圍。導(dǎo)致這種問(wèn)題發(fā)生的原因除了材料本身性能還不能滿足更高要求外，輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也存在一定缺陷。在開(kāi)發(fā)更高性能材料的同時(shí)，設(shè)計(jì)出更合理的輪胎結(jié)構(gòu)，可以有效的提升非充氣輪胎的使用壽命。

在本文中，筆者在現(xiàn)有已開(kāi)發(fā)出的熱塑性彈性體非充氣輪胎材料物性的基礎(chǔ)上，對(duì)非充氣輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)輪胎結(jié)構(gòu)與材料性能相結(jié)合的方式，來(lái)解決現(xiàn)有非充氣輪胎存在的開(kāi)裂、粉化問(wèn)題，從而提升輪胎的使用壽命。

1 現(xiàn)有非充氣輪胎結(jié)構(gòu)缺陷分析

為了更好地呈現(xiàn)出現(xiàn)有非充氣輪胎結(jié)構(gòu)的缺陷，在本文中，筆者以已量產(chǎn)的蜂窩狀雙排圓孔非充氣輪胎（圖1）和免充氣環(huán)保開(kāi)式輪胎（圖2）為參照物進(jìn)行分析討論。這兩款非充氣輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共同特點(diǎn)都是以貫穿于輪胎的圓孔作為減震構(gòu)件，來(lái)提升騎行的舒適度。

圖1 耐動(dòng)科技蜂窩狀圓孔結(jié)構(gòu)雙排圓孔非充氣輪胎

1.1 蜂窩狀圓孔結(jié)構(gòu)雙排圓孔非充氣輪胎

這種非充氣輪胎以熱塑性彈性體為輪胎材料，采用蜂窩狀雙排圓孔貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一次性注塑成型[3]。在車輛運(yùn)行過(guò)程中，這種蜂窩狀雙排圓孔受到擠壓時(shí)變形，變成橢圓狀，減壓后快速?gòu)?fù)原，可以起到減震的作用。蜂窩狀雙排圓孔與空氣充分接觸，可有效釋放輪胎運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。

圖2 金特安科技鏤空狀結(jié)構(gòu)免充氣環(huán)保開(kāi)式輪胎

這種非充氣輪胎在低速、低負(fù)重的情況下，其性能表現(xiàn)非常良好，使用壽命也較為正常。但是，隨著負(fù)重的增加和速度的提升，這種輪胎的兩個(gè)圓孔中間的壁柱因受到不斷的擠壓、回彈復(fù)原后，出現(xiàn)開(kāi)裂、粉化等情況，如圖3所示。出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因除了材料本身性能欠佳外，主要是這種雙排圓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定缺陷。具體表現(xiàn)在，輪胎運(yùn)行過(guò)程中受壓之后，壓力并未如設(shè)想中所認(rèn)為的垂直傳遞，即壓力方向并非沿著圓孔壁柱中線，而是很大程度上會(huì)走向兩側(cè)，從而造成圓孔壁柱受力錯(cuò)位，如圖4所示。這種情況下，圓孔壁柱的材料不僅僅是受壓，還會(huì)因?yàn)槭芰﹀e(cuò)位形成扯拉，這樣就會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度快速上升，材料老化加速，出現(xiàn)開(kāi)裂、粉化等情況。也正是因?yàn)槿绱?，越是不平坦的道路，在?fù)重顛簸行駛的情況下，這種缺陷會(huì)表現(xiàn)的更加突出。需要特別指出的是，隨著輪胎尺寸的增大，圓孔孔徑的變大（提升減震效果），這缺陷也會(huì)表現(xiàn)的更加突出。

圖3 蜂窩狀輪胎易開(kāi)裂、粉化位置圖

圖4 蜂窩狀輪胎受壓示意圖

1.2 鏤空狀結(jié)構(gòu)免充氣環(huán)保開(kāi)式輪胎

這種非充氣輪胎也是以熱塑性彈性體為輪胎材料，采用交錯(cuò)圓孔+多維減震腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一次性注塑成型[4]。其減震原理和散熱模式與蜂窩狀圓孔結(jié)構(gòu)雙排圓孔非充氣輪胎基本相同。在車輛運(yùn)行過(guò)程中，圓孔和減震空腔受到擠壓時(shí)變形，減壓后快速?gòu)?fù)原，減震效果更加明顯。圓孔和減震空腔與空氣充分接觸，可快速釋放輪胎運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。

同樣，隨著負(fù)重的增加和速度的提升，這種輪胎的圓孔壁因受到不斷的擠壓、回彈復(fù)原后，也會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、粉化等情況，如圖5所示。因此，這種交錯(cuò)圓孔+多維減震腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也存在一定缺陷。具體表現(xiàn)在，輪胎運(yùn)行過(guò)程中受壓之后，如圖6所示，壓力沿圓孔壁傳遞，至加強(qiáng)壁時(shí)受阻，壓力向減震空腔移動(dòng)，使圓孔壁受力錯(cuò)位。同樣，這種情況下，圓孔壁的材料不僅僅是受壓，還會(huì)因?yàn)槭芰﹀e(cuò)位形成扯拉，這樣就會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度快速上升，材料老化加速，出現(xiàn)開(kāi)裂、粉化等情況。需要指出的是，相對(duì)于蜂窩狀雙排圓孔貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于加強(qiáng)壁的反作用力的存在，這種交錯(cuò)圓孔+多維減震腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力錯(cuò)位情況會(huì)更加嚴(yán)重，材料內(nèi)部溫度上升會(huì)更快，材料老化速度也會(huì)更加明顯。同樣，在負(fù)重顛簸行駛的情況下，以及在輪胎尺寸孔徑變大的情況下，這種缺陷也會(huì)表現(xiàn)的更加突出。

圖5 鏤空狀輪胎易開(kāi)裂、粉化位置圖

圖6 鏤空狀輪胎受壓示意圖

2 中空式非充氣輪胎設(shè)計(jì)

針對(duì)上述非充氣輪胎設(shè)計(jì)存在的缺陷，筆者在現(xiàn)有熱塑性彈性體輪胎材料物性的基礎(chǔ)上，對(duì)非充氣輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期通過(guò)輪胎結(jié)構(gòu)與材料性能相結(jié)合的方式，來(lái)解決現(xiàn)有非充氣輪胎存在的開(kāi)裂、粉化問(wèn)題，從而提升輪胎的使用壽命。

2.1 設(shè)計(jì)概述

如圖7所示，本設(shè)計(jì)的非充氣輪胎主要包括胎面、胎冠、胎肩、胎側(cè)及趾口，還包括上胎壁和下胎壁。胎面帶有防滑凸塊，兩側(cè)的上胎壁沿周向均勻分布多個(gè)V形的第一通孔，多個(gè)第一通孔圍成環(huán)形。在下胎壁上靠近V形的第一通孔圍成的環(huán)形，設(shè)有多個(gè)第二通孔，第二通孔呈兩頭粗中間細(xì)的呈花生殼狀的圓環(huán)形。多個(gè)第二通孔圍成環(huán)形，在第二通孔的內(nèi)側(cè)周向，均勻分布多個(gè)第三通孔。第一通孔、第二通孔和第三通孔均貫穿輪胎的兩個(gè)側(cè)面，相互交錯(cuò)分布。本設(shè)計(jì)中通過(guò)不同通孔形狀的變化，以及減震孔和支撐筋在胎壁徑向的合理分布，在確保輪胎減震效果的同時(shí)，也提升了輪胎整體抗形變能力，確保了輪胎長(zhǎng)期使用時(shí)不易開(kāi)裂，使車輛在行駛過(guò)程中更加安全舒適。輪胎受力變形示意圖如圖8、圖9所示。

圖7 中空式輪胎結(jié)構(gòu)圖

圖8 輪胎擠壓受力變形示意圖

2.2 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的非充氣輪胎采用熱塑性彈性體高分子材料，具有質(zhì)輕、耐磨、耐候、抗疲勞、高彈性、高韌性、不易壓縮變形等優(yōu)點(diǎn)，可單獨(dú)一次性注塑加工成型，加工方法簡(jiǎn)單和生產(chǎn)成輪胎后可回收再循環(huán)使用，綠色環(huán)保。

圖9 輪胎擠壓受力變形的局部剖面放大示意圖

在本設(shè)計(jì)中，V型第一通孔的主要作用是減震，即輪胎在運(yùn)行過(guò)程中受到擠壓時(shí)，V型通孔的兩個(gè)伸出端（圓柱狀）產(chǎn)生變形，空腔受壓變小，形成緩沖，減少了直接沖擊力。擠壓過(guò)程結(jié)束后，V型的兩個(gè)伸出端快速回彈，通孔空腔恢復(fù)，輪胎復(fù)原，如圖10所示。這個(gè)擠壓復(fù)原過(guò)程如同一個(gè)帶彈簧的夾子的夾尾一樣，受力基本是垂直的，不會(huì)像圓孔結(jié)構(gòu)一樣受壓產(chǎn)生向兩側(cè)孔壁傳遞的壓力，從而避免孔壁受力錯(cuò)位。也正是如此，與圓孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，V形通孔具有更高的彈性和快速恢復(fù)反彈的能力，可以提高輪胎減震緩沖效果。

花生殼狀的第二通孔的主要作用除減震外，還起到提升壁柱（支撐筋）的耐折性能。如圖11所示，其花生殼狀的中間收縮部分相當(dāng)于對(duì)兩個(gè)相鄰間的第二通孔的壁柱進(jìn)行了加強(qiáng)，同時(shí)這種壁柱呈紡錘狀，輪胎在運(yùn)行過(guò)程中受到擠壓時(shí)，這種紡錘狀的壁柱受力在垂直傳遞的同時(shí)，還會(huì)伴隨著紡錘狀壁柱的變形向兩側(cè)的通孔延伸，不會(huì)造成壁柱受力錯(cuò)位。這也是與圓孔壁柱設(shè)計(jì)最大的不同，紡錘狀壁柱由于沒(méi)有受力錯(cuò)位而形成材料的扯拉，只是垂直壓縮反彈，這樣就可以降低材料內(nèi)部溫度快速上升的風(fēng)險(xiǎn)，也就可以有效的降低材料的老化速度，減少輪胎開(kāi)裂、粉化風(fēng)險(xiǎn)，從而提升輪胎的使用壽命。同時(shí)，花生殼狀通孔由于兩頭大的空腔受力變形比較大，給輪胎提供較大的變形空間，使輪胎的彈性和減震緩沖得到進(jìn)一步提高，從而減小了車輛在行駛過(guò)程中的跳動(dòng)和顛簸。

圓柱形的第三通孔的主要作用是減震作用，即輪胎在運(yùn)行過(guò)程中受到擠壓時(shí)變形，擠壓后快速?gòu)?fù)原，起到輔助減震效果。

圖10 V型通孔擠壓受力變形示意圖

圖11 花生殼狀通孔擠壓受力變形示意圖

2.3 注塑加工

本設(shè)計(jì)的非充氣輪胎采用熱塑性彈性體高分子材料，可一次性注塑加工成型，無(wú)需硫化，加工方法簡(jiǎn)單。廢舊輪胎回收后可直接粉碎抽粒，再循環(huán)使用，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

與現(xiàn)有非充氣輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)比，本設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

（1）V形通孔的設(shè)計(jì)，比普通封閉式形狀（如三角形、圓柱形）具有較高的彈性和快速回復(fù)原狀的能力，提升了輪胎的變形空間，起到了提高輪胎的彈性和減震緩沖作用。

（2）花生殼狀通孔的設(shè)計(jì)，主要作用除了減震外，還起到提升壁柱（支撐筋）的耐折性能，降低了壁柱（支撐筋）的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了輪胎強(qiáng)度。輪胎在運(yùn)行過(guò)程中，紡錘狀壁柱可以降低材料內(nèi)部溫度快速上升的風(fēng)險(xiǎn)，有效的降低材料的老化速度，減少輪胎開(kāi)裂、粉化風(fēng)險(xiǎn)，從而提升輪胎的使用壽命。同時(shí)，花生殼狀通孔由于兩頭大的空腔受力變形比較大，給輪胎提供較大的變形空間，使輪胎的彈性和減震緩沖得到進(jìn)一步提高，從而減小了車輛在行駛過(guò)程中的跳動(dòng)和顛簸。

（3）本設(shè)計(jì)設(shè)置的圓柱形通孔，在減輕輪胎重量的同時(shí)，還起到了輔助減震效果。

（4）本設(shè)計(jì)通過(guò)不同形狀減震孔的設(shè)置和合理的分布，為輪胎提供了變形空間，加強(qiáng)了輪胎整體的抗形變能力，減少了輪胎在行駛過(guò)程中的跳動(dòng)和顛簸，使車輛在行駛過(guò)程中更加舒適安全。

車輛安全是相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)必須確保的首要任務(wù)，輕量化、舒適度是未來(lái)行業(yè)發(fā)展的極致追求，未來(lái)巨大的市場(chǎng)需求必將促使非充氣輪胎行業(yè)快速發(fā)展，非充氣輪胎以其自身特有的性能將會(huì)引導(dǎo)未來(lái)輪胎行業(yè)發(fā)展的方向[5]。通過(guò)對(duì)非充氣輪胎結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以彌補(bǔ)當(dāng)前技術(shù)條件下非充氣輪胎材料性能的不足，為全面推廣非充氣輪胎的應(yīng)用提供了切實(shí)可行的技術(shù)方向。輪胎結(jié)構(gòu)與材料性能相結(jié)合的研制與創(chuàng)新方式將決定非充氣輪胎性能提升的技術(shù)水平，并影響著輪胎行業(yè)升級(jí)換代的速度和可能性。