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给你的爱车安上机械弹性车轮，或许不远
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作为车辆行驶系统的重要组成，轮胎的主要功能是支撑车辆、缓和路面冲击力、产生驱动 / 制动力等，同时其在车辆行驶的舒适性、平顺性等方面也具有重要影响。但是，采用充气轮胎的车辆在高速行驶时存在爆胎隐患，越野路面行驶时存在刺破危险，严重影响车辆的行驶安全性和机动性，特别是近年来随着汽车工业的迅速发展和交通道路网络的日趋完善，人们对车辆安全性、操纵稳定性、舒适性的要求不断提高，对轮胎各方面性能的要求也日趋严格，特别是对轮胎安全性的要求。据交通管理部门统计，高速公路 46％ 的交通事故是由轮胎发生故障引起的，仅爆胎一项就占轮胎事故总量的 70％ ，车辆时速在 160 公里以上发生爆胎造成的死亡率接近 100％ 。因此，安全轮胎的研发与生产越来越引起生产厂家的重视。
安全轮胎 (run-flat tire ， RFT) 又称为零压轮胎或跑气保用轮胎，其发展历史可追溯到 20 世纪初叶，美国固特异轮胎有限公司于 1934 年取得防爆内胎安全轮胎专利，1955 年研制成功双腔型安全轮胎，在随后的发展中，又出现了自体支撑型安全轮胎、加物支撑型安全轮胎、自修复型安全轮胎以及采用不同结构和原理的非充气型安全轮胎等。充气式安全轮胎在不破损时，具有普通轮胎的所有功能，只有在爆胎事故发生时才起作用，能有效地保护车辆安全和避免交通事故。由于充气安全轮胎存在重量明显增大、结构复杂、制造成本较高等缺点，各大轮胎生产商推出了多种非充气式结构的安全轮胎，例如，固铂轮胎公司和威斯康星大学麦迪逊分校聚合体工程学中心的研究人员基于仿生学原理推出的蜂窝轮胎，米其林 (Michelin)公司推出的 X-Tweel 车轮以及韩泰 (Hankook) 轮胎公司推出的 i-Flex 等。配备安全轮胎的车辆能在爆胎后继续以一定的速度行驶一定的距离，保证车辆能移动到维修区。当前，安全轮胎技术已在军事车辆、特种作业车辆及某些品牌的轿车上得到了较为广泛的应用，按照目前的发展速度预测，在不久的将来，安全轮胎技术在普通乘用车辆上也将获得普及。
图 轮胎安全技术的主要分类
根据现有非充气结构安全轮胎的技术特点与发展趋势，可以预测未来非充气结构安全轮胎产品的特点应是防爆、防弹、防火、滚动阻力小、机械效能高、侧向稳定性好、使用寿命长、承载能力大以及适应军民两用型的安全轮胎产品。为了争得自己的市场份额，世界各大轮胎公司都在竞相研制更加先进的泄气保用轮胎系统，预计不久的将来还会出现越来越多的各式各样旨在提高高速行驶安全性的泄气保用轮胎。为了加快研制步伐，有些大轮胎公司之间还达成了共同合作开发协议，一方面共享研究成果，另一方面协调技术标准，使产品具有互换性，以便将来实现市场共享。
机械弹性安全车轮是南京航空航天大学车辆结构力学与控制科研团队提出的一种全新型的非充气安全轮胎，与传统充气轮胎结构相比具有很大的区别。机械弹性安全车轮打破了充气轮胎的结构配置，将传统意义上的车轮和轮胎整合成了一体化的结构，主要由轮、铰链组、轮毂等组成。多组弹性环通过卡环固定后埋设入橡胶层及帘布层内，经过硫化后成为 轮，而 轮和轮毂之间是由沿车轮周向均匀分布的多个三连杆式铰链组连接。机械弹性安全车轮这种非充气轮毂铰链式结构设计不会存在充气轮胎具有的漏气、胎压不稳甚至爆胎等潜在的危险因素。
《非充气机械弹性安全车轮理论与方法》是南京航空航天大学车辆结构力学与控制科研团队十多年来对机械弹性安全车轮研究成果的系统性总结，机械弹性安全车轮项目成果已入选工业和信息化部与国家国防科工局遴选的《军用技术转民用推广目录 (2018 年度 ) 》， 2019 年获得国防技术发明奖二等奖。本书阐述了机械弹性安全车轮的结构和原理、承载特性，并利用数字化建模、数值仿真计算、理论和试验相结合的方法对车轮的接地特性、滚动阻力特性、侧向特性、垂向振动特性、包容特性、牵引通过性，以及模具设计方法、参数化设计方法等进行了分析总结。机械弹性安全车轮项目的研究先后获得多个国家级和省部级项目的资助。
非充气机械弹性安全车轮的研究，在完成车轮基本力学性能的基础理论和结构设计的同时，保证其具有更加良好的机动性能、安全性能、生存性能、可靠性能以及适应性，为非充气安全车轮的研究提供一定
作者简介 赵又群，南京航空航天大学车辆工程专业教授、博导，中国汽车工程学会越野车技术分会委员，《应用基础与工程科学学报》编委。获2019年国防技术发明二等奖，发表学术论文200余篇，授权国防专利、国家发明专利20余件。主持总装探索研究重大项目、陆装预研专用技术项目、国家“863”重大项目子课题、国家自然基金项目、教育部博士点基金项目等20余项。
《非充气机械弹性安全车轮理论与方法》
ISBN: 978-7-03-065972-9
《非充气机械弹性安全车轮理论与方法》阐述了非充气机械弹性安全车轮理论与方法。本书内容包括轮胎的功能及使用性能要求、安全轮胎简介、机械弹性安全车轮的承载特性及滚动机理、机械弹性安全车轮的接地特性、机械弹性安全车轮滚动阻力特性、机械弹性安全车轮侧向特性、机械弹性安全车轮垂向振动特性、机械弹性安全车轮包容特性及其影响因素、机械弹性安全车轮松软路面牵引通过性、机械弹性安全车轮轮活络模具设计方法、机械弹性安全车轮结构的参数化设计方法。 本书内容是非充气安全车轮技术领域最新的研究成果，较全面地介绍了非充气机械弹性安全车轮的结构、理论与方法，除用于高等院校车辆工程专业高年级本科生和研究生的教材外，还可以作为科研院所与企业从事特种车辆、空天飞行器起落架和轮式地面移动平台设计、试验及使用的科研与工程技术人员的参考书。
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序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 轮胎的功能及使用性能要求 1
1.1.1 轮胎的功能 1
1.1.2 使用性能要求 2
1.2 安全轮胎简介 6
1.2.1 安全轮胎的泄气保用技术 7
1.2.2 安全轮胎的非充气结构技术 11
1.2.3 安全轮胎的发展趋势 14
参考文献 17
第2章 机械弹性安全车轮的承载特性及滚动机理 22
2.1 机械弹性安全车轮的结构性能及设计流程 22
2.1.1 结构组成 22
2.1.2 性能特点 23
2.1.3 设计流程 24
2.2 机械弹性安全车轮的承载方式及工作原理 24
2.2.1 承载方式 24
2.2.2 工作原理 26
2.3 机械弹性安全车轮的滚动机理 27
2.3.1 驱动力学模型 27
2.3.2 制动力学模型 29
2.3.3 滚动阻力模型 31
参考文献 32
第3章 机械弹性安全车轮的接地特性 34
3.1 轮胎接地特性 34
3.1.1 接地印迹 34
3.1.2 接地压力分布测量 35
3.1.3 接地压力分布评价 38
3.2 接地特性仿真 39
3.2.1 仿真模型 39
3.2.2 充气轮胎接地压力仿真 41
3.2.3 机械弹性安全车轮接地压力仿真 44
3.3 接地压力试验与验证 46
3.3.1 试验设备与试验步骤 46
3.3.2 充气轮胎接地压力试验与验证 48
3.3.3 机械弹性安全车轮接地压力试验与验证 49
3.3.4 接地压力试验评价 51
参考文献 54
第4章 机械弹性安全车轮滚动阻力特性 57
4.1 滚动阻力理论 57
4.1.1 弹性迟滞损失原理 57
4.1.2 弹性迟滞力理论模型 58
4.2 滚动阻力影响因素 60
4.2.1 内部因素 60
4.2.2 外部因素 60
4.3 滚动阻力测量方法 60
4.3.1 室内试验方法 61
4.3.2 道路试验方法 61
4.3.3 经验方法 62
4.4 机械弹性安全车轮滚动阻力模型 63
4.4.1 基本原理 63
4.4.2 复合恢复力 64
4.4.3 复合恢复力参数辨识 66
4.4.4 滚动阻力模型构建 67
4.5 滚动阻力试验 68
4.5.1 试验原理 68
4.5.2 装车试验 69
参考文献 70
第5章 机械弹性安全车轮侧向特性 73
5.1 机械弹性安全车轮的侧向静力学特性 73
5.1.1 静态侧向特性试验 73
5.1.2 车轮侧向刚度特性 74
5.2 机械弹性安全车轮侧偏特性产生机理 76
5.3 机械弹性安全车轮的侧偏特性试验及分析 78
5.3.1 试验台架 78
5.3.2 试验步骤及内容 79
5.3.3 稳态侧偏特性分析 81
5.4 机械弹性安全车轮与充气轮胎车轮侧偏特性对比分析 82
5.5 机械弹性安全车轮的侧倾特性 84
5.5.1 简化刷子模型 84
5.5.2 忽略轮体宽度的侧倾刷子模型 85
5.5.3 包含轮体宽度的侧倾刷子模型 86
5.5.4 侧倾角对侧向力和回正力矩的影响 88
5.6 机械弹性安全车轮侧倾角对侧偏特性的影响 89
5.6.1 侧倾侧偏特性试验 89
5.6.2 侧向力特性分析 90
5.6.3 回正力矩特性分析 91
5.6.4 载荷对侧倾侧偏特性的影响 92
参考文献 93
第6章 机械弹性安全车轮垂向振动特性 96
6.1 REF模型和有限元仿真 96
6.1.1 REF模型 96
6.1.2 运动方程 97
6.1.3 REF模型参数确定 102
6.1.4 基于REF的有限元模型 103
6.1.5 仿真分析 103
6.2 试验模态分析 104
6.2.1 模态试验理论模型 104
6.2.2 模态测试系统 105
6.2.3 试验模态分析 107
6.3 振动传递特性分析 108
6.3.1 路径传递率分析 109
6.3.2 路径介入损失分析 111
6.4 机械弹性安全车轮与充气轮胎车轮模态参数对比分析 115
6.4.1 充气轮胎模态试验与分析 115
6.4.2 机械弹性安全车轮与充气轮胎车轮模态参数的对比 117
6.5 机械弹性安全车轮垂向振动特性的影响因素 117
6.5.1 轮结构的影响 117
6.5.2 铰链组结构的影响 120
6.5.3 不同工况的影响 123
6.5.4 不均匀性的影响 125
参考文献 126
第7章 机械弹性安全车轮包容特性及其影响因素 129
7.1 弹性滚子接触模型及仿真 129
7.1.1 弹性滚子接触模型 129
7.1.2 有效路形仿真 131
7.2 有限元建模 132
7.3 低速稳态包容特性 133
7.3.1 障碍物截面尺寸对径向刚度的影响 134
7.3.2 垂向力特性 137
7.3.3 纵向力特性 138
7.4 包容特性的影响因素 140
7.4.1 载荷的影响 140
7.4.2 径向刚度的影响 141
7.5 越障性能的实车试验 142
参考文献 143
第8章 机械弹性安全车轮松软路面牵引通过性 146
8.1 机械弹性安全车轮通过性评价指标 146
8.2 机械弹性安全车轮轮-地作用模型 147
8.2.1 法向载荷与静态沉陷 147
8.2.2 滑转与动态沉陷 148
8.2.3 土壤推力与挂钩牵引力 150
8.3 机械弹性安全车轮与轮胎挂钩牵引力对比 151
8.4 机械弹性安全车轮结构与使用参数对牵引通过性的影响 153
8.4.1 刚度的影响 153
8.4.2 半径的影响 155
8.4.3 宽度的影响 156
8.4.4 载荷的影响 158
8.5 整车道路试验 159
参考文献 161
第9章 机械弹性安全车轮 轮活络模具设计方法 164
9.1 机械弹性安全车轮 轮活络模具结构设计方案 164
9.1.1 活络模具结构方案 164
9.1.2 活络模具材料 166
9.1.3 活络模具精度 167
9.2 机械弹性安全车轮 轮活络模具的设计及计算 167
9.2.1 模具分型面的选择 167
9.2.2 活络模具型腔壁厚设计方法 168
9.2.3 模具脱模力的确定 171
9.2.4 模具强度校核 172
9.2.5 弓形块结构的优化设计 174
9.2.6 模具各部分螺纹强度校核 176
9.2.7 模具结构尺寸参数 179
9.3 机械弹性安全车轮 轮活络模具三维实体建模与封装 179
9.3.1 SolidWorks 的参数化设计思想 179
9.3.2 活络模具三维实体建模 181
9.3.3 活络模具封装过程 184
参考文献 186
第10章 机械弹性安全车轮结构的参数化设计方法 189
10.1 总体结构设计 189
10.1.1 系统简介 189
10.1.2 系统结构 190
10.2 主要结构参数及约束关系分析 191
10.2.1 主要结构参数分类 191
10.2.2 约束关系的建立 192
10.3 零件参数化的设计实现 194
10.3.1 零件参数化模型库的搭建 194
10.3.2 车轮结构的参数校核 196
10.3.3 参数驱动三维建模 198
10.3.4 零件工程图的创建 199
10.3.5 零件的自动装配 201
10.4 ME-Wheel Design 系统设计实例 202
10.4.1 总体设计 202
10.4.2 轮设计 204
10.4.3 铰链组设计 213
10.4.4 轮毂设计 216
10.4.5 生成装配件 218
参考文献 219
附录 作者已发表的机械弹性车轮相关论文 222
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