换热轮胎及车辆的制作方法

1.本公开涉及轮胎制造技术领域，尤其涉及一种换热轮胎及车辆。


背景技术：

2.随着汽车智能化、电动化、网联化和共享化的发展，传统的充气轮胎在安全性、行驶性能等方面都难以满足未来车辆的发展需求，非充气轮胎打破传统充气轮胎在结构、材料、工艺等方面的局限，在保证安全性的前提下，具有进一步提升行驶性能的潜能，成为轮胎行业的未来发展方向。
3.目前市面上使用的非充气轮胎，通常选用超弹性高分子材料，例如橡胶、聚氨酯等，然而，无论是橡胶、聚氨酯或其他高分子材料，在高频或高载下长时间运行极易产生内生热，且很难散出，这种材料内生热的问题是阻碍非充气轮胎发展的一大障碍。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种换热轮胎及车辆。
5.第一方面，本公开提供了一种换热轮胎，其包括轮胎本体，所述轮胎本体的内部具有填料腔，所述填料腔内填充有相变吸热结构；
6.所述相变吸热结构包括相变材料，所述相变材料能够在轮胎行驶状态下发生相变，并在相变过程中吸收所述轮胎本体的热量。
7.可选的，所述相变吸热结构还包括导热剂和吸附剂，所述相变吸热结构通过所述相变材料、所述导热剂和所述吸附剂混合后形成。
8.可选的，所述吸附剂为膨胀石墨。
9.可选的，所述相变材料为固-液相变材料，所述相变材料能够在轮胎行驶状态下自固态变化为液态，并在固态变化为液态的过程中吸收所述轮胎本体的热量。
10.可选的，所述相变吸热结构还包括封装层，所述封装层位于所述相变材料和所述填料腔的腔壁之间。
11.可选的，所述封装层为管状结构，所述封装层与所述填料腔的腔壁之间过盈配合或粘接连接。
12.可选的，所述换热轮胎还包括轮毂，所述轮胎本体设置在所述轮毂的外圈；
13.所述轮毂的内部具有换热腔，所述换热腔与所述轮胎本体的填料腔连通。
14.可选的，所述填料腔在所述轮胎本体的内部沿所述轮胎本体的周向延伸并呈环形设置。
15.可选的，所述填料腔的数量为多个，所有所述填料腔在所述轮胎本体的内部均匀分布。
16.可选的，所述轮胎本体为镂空式结构，所述轮胎本体的镂空处形成至少部分所述填料腔。
17.可选的，所述轮胎本体还包括侧面挡板，所述侧面挡板设置在所述轮胎本体的轴向至少一侧，所述填料腔位于所述侧面挡板的内部。
18.可选的，所述轮胎本体包括内缓冲层、外缓冲层和支撑结构，所述换热轮胎还包括轮毂，所述内缓冲层设置在所述轮毂的外圈，所述支撑结构设置在所述内缓冲层上，所述外缓冲层通过所述支撑结构设置在所述内缓冲层的外圈；
19.所述填料腔位于所述支撑结构的内部。
20.可选的，所述轮胎本体还包括剪切层，所述剪切层设置在所述外缓冲层的外圈，所述剪切层内设置有填充有所述相变吸热结构的所述填料腔；
21.所述剪切层包括外增强层、中间弹性层和内增强层，所述填料腔位于所述中间弹性层。
22.第二方面，本公开还提供了一种车辆，其包括上述的换热轮胎。
23.本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
24.本公开提供的换热轮胎及车辆通过在轮胎本体的内部设置填料腔，并在填料腔中填充相变吸热结构，来起到吸收轮胎在行驶过程中产生的热量，并且该相变吸热结构包括有相变材料，通过利用相变材料能够通过相变过程来进行吸热的特性，实现了对轮胎的吸热，且不需要借助外部结构来将轮胎内部的热量进行散除，即可实现对于轮胎的降温作用。在保证对轮胎的降温效果的基础上，结构更加简单。
附图说明
25.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
26.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本公开实施例一所述的换热轮胎的部分截面示意图；
28.图2为本公开实施例一所述的换热轮胎的截面示意图；
29.图3为本公开实施例一所述的换热轮胎的部分截面示意图；
30.图4为本公开实施例一所述的填充有复合式的相变吸热结构的换热轮胎的部分截面示意图；
31.图5为本公开实施例一所述的另一种填料腔的设置方式的换热轮胎的部分截面示意图；
32.图6为本公开实施例二所述的轮毂具有换热腔的换热轮胎的截面示意图；
33.图7为本公开实施例三所述的换热轮胎的立体结构示意图；
34.图8为本公开实施例三所述的换热轮胎的轴向结构示意图；
35.图9为本公开实施例三所述的填充有相变吸热结构的换热轮胎的结构示意图；
36.图10为本公开实施例三所述的填充有相变吸热结构的换热轮胎的部分截面示意图；
37.图11为本公开实施例三所述的安装有侧面挡板的换热轮胎的结构示意图；
38.图12为本公开实施例三所述的侧面挡板的轴向截面示意图；
液相变材料时，相变过程中会由固相转化为液相，该过程吸热，从而降低轮胎内部温度。轮胎停止行驶后，其内部温度逐渐降低至环境温度，相变材料21发生负相变能时，即相变过程中会由液相转化为固相，该过程放热，从而通过相变储能材料实现可逆的储能过程。
55.该换热轮胎通过在轮胎本体1的内部设置填料腔10，并在填料腔10中填充相变吸热结构2，来吸收轮胎在行驶过程中产生的热量。该相变吸热结构2包括有相变材料21，相变材料21能够通过相变过程来进行吸热的特性，在体积不变的基础上，实现了对轮胎的吸热，且不需要借助外部结构来将轮胎内部的热量进行散除，即可实现对于轮胎的降温作用。传统轮胎主要采用风冷或水冷的方式，而风冷的制冷效果有限，水冷的应用方式复杂。相较而言，通过相变材料21进行吸热，不仅保证了吸热效果，结构也更加简单。
56.另外，轮胎作为车辆与地面接触的唯一部件，行驶的时候工况复杂恶劣，不平路面的冲击迫使轮胎必定要具备一定的缓冲减振性能，因此相变材料21在非充气轮胎中应用时要考虑到大变形是否会导致相变材料失效，或者与非充气轮胎的分离。其次，非充气轮胎具有防扎、防爆胎的特性，而相变材料应用于非充气轮胎以后，还需保证安全性能。
57.本实施例提供的换热轮胎，通过在轮胎本体1的内部封装含有相变材料21的相变吸热结构2，针对性解决轮胎内部严重的生热。这种通过相变过程从内部吸收轮胎的内生热的方式，相对于传统轮胎将内部的热量传递到表面进行降温的方式，降温更加快速，并且对于非充气式轮胎的结构特性，针对性更强，对应的降温效果则更好。另外，由于相变材料21封装在轮胎本体1的内部，因此使用安全性也能够得到保证，泄露的风险更小。
58.目前的相变材料21有固-液相变材料、固-气相变材料、固-固相变材料和液-气相变材料几种，其中，固-气和液-气相变材料相对来说不易封装且易泄露，固-固相变材料方便存储，但存在材料导热系数过低、过冷度大、稳定性等问题，因此，本实施例中采用固-液相变材料，并以采用固-液相变材料为例进行结构设置。当然，在其他实施例中，也可采用其他类型的相变材料，只要能够实现本技术中的功能即可。
59.在采用固-液相变材料时，相变材料21能够在轮胎行驶状态下自固态变化为液态，并在相变过程中吸收轮胎本体1的热量。并且体积基本不会发生变化，对于轮胎本体1的影响较小，对于存储的安全性影响较低。
60.以聚氨酯材质的非充气轮胎为例，当温度达到70-80℃时，材料的强度会下降约一半，在110℃时，会下降约80％，因此，最好保证轮胎的温度能稳定在50℃以下，优先选择相变温度在50℃以下的材料。在本实施例中，可选择石蜡作为应用在轮胎内部的相变材料21，其基本能够满足维持在50℃的相变温度。并且，石蜡的潜热值较高，不但可以降低轮胎内部环境温度的最高温度值，还可以降低升温速度，从根本上防止了轮胎内部过高过快的内生热。当然，在其他实施例中，也可选择其他类型的相变材料，只要能够满足需要的降温效果即可。
61.对于该相变吸热结构2来说，可以采用仅包含普通的相变材料21，如图3所示，也可以采用复合式的相变吸热结构2，即多种材料混合形成该相变吸热结构2，如图4所示。当采用复合式的相变吸热结构2时，该相变吸热结构2包括导热剂23、吸附剂24和上述的相变材料21，通过将上述几种材料混合，从而使该相变吸热结构2具有更好的效果。具体地，导热剂23能够提高相变材料21对于轮胎本体1的吸热效率，而吸附剂24的设置能够使该相变吸热结构2更容易进行封装，且不易泄露。
62.在本实施例中，导热剂23使用氮化硼导热材料，相变材料21可使用聚乙二醇，吸附剂24使用膨胀石墨。聚乙二醇作为相变材料21的基体，能够使轮胎本体1的温升减缓，从而降低其最高温度，提高轮胎的使用寿命，特别是在高速行驶时。膨胀石墨的表面为薄片型网状孔结构，由于三维多孔结构的存在可以增加膨胀石墨的比表面积，让熔融的聚乙二醇更容易吸附在膨胀石墨上。因此可将膨胀石墨作为吸附聚乙二醇和容纳氮化硼导热剂的骨架材料。当然，在其他实施例中，也可选择其他材质的上述导热剂23、吸附剂24以及相变材料21。
63.在制备该复合式的相变吸热结构2时，可将聚乙二醇/膨胀石墨/氮化硼以91:5:4的质量比例加入恒温加热磁力搅拌器中搅拌4h使其充分地混合在一起。
64.对于非充气式轮胎来说，其形状及内部设置多种多样，对于完全实心的非充气式轮胎，可在其中设置一空腔，该空腔形成轮胎本体1内部的填料腔10，用来容纳相变材料21，参见图1所示。具体地，填料腔10在轮胎本体1的内部沿轮胎本体1的周向延伸并呈环形设置。即设置成与沿轮胎本体1的环向延伸，以保证对轮胎各个位置处均能够实现换热。
65.进一步地，为了起到换热更加均匀的效果，还可以将填料腔10的数量设置为多个，所有填料腔10在轮胎本体1的内部均匀分布，参见图4所示，这种离散式的分布方式更能够加快换热，降温效率进一步提升。
66.在设置了相变吸热结构2的基础上，为了进一步起到较好的封装效果，可以设置封装层22，进一步保证相变材料21密封。封装层22位于相变吸热结构2和填料腔10的内壁之间，用于隔离相变材料21和轮胎本体1的中间胶，避免相变材料21对轮胎本体1的中间胶产生腐蚀等问题。
67.在本实施例中，封装层22为管状结构，并且封装层22与填料腔10的腔壁过盈配合或粘接连接。封装层22通过管状结构形成，即封装层22可设置为能够成型的管状结构，方便在轮胎本体1内的填料腔10内进行装设。
68.本实施例中提供一种封装层22的设置方式，使封装层22包括密封基体221和导热填料222，其中，密封基体221可选用硅橡胶，该材料密度小、渗透性低、弹性优异，可以较为安全地应用于相变材料21的封装，并且可以与轮胎本体1的中间胶进行很好的融合。硅橡胶在-60～200℃下均具有较好的弹性，耐水、耐臭氧和耐天候性能良好，是一种性能上佳的封装材料。
69.导热填料222主要用于解决密封基体221的导热率较低的问题，由于密封基体221导热率较低，会导致内部的相变材料21吸热的时间延长，与轮胎本体1之间的热交换性能变差，因此在密封基体221中添加导热填料222。
70.导热填料222也具有很多种类，如金属氧化物al2o3，在密封基体221选用高温硫化硅橡胶时，大量的al2o3粒子键可以链接到硅橡胶基体上，从而提高热导率。另外，也可采用氮化物相变吸热结构，例如aln，bn和si3n4等，填充后热导率高且耐高温。
71.封装层22可以有效地解决相变材料21由于液化而发生的析出问题，同时保持相变材料21的高导热与高潜热值。由于其具有一定的弹性，保证了整个非充气轮胎系统具有一定缓冲作用，减少了相变材料21与轮胎本体1之间的接触热阻，进一步提高了整个轮胎的散热性能。
72.另外，为了保证轮胎的稳定行驶，需要计算出相变材料21的质量，该数值可以通过
轮胎的内生热、弹性体材料比热容及相变材料21的相变潜热来获得。轮胎的比热容比较好确定，而相变材料21的相变潜热可以通过下述方式来确定：
73.首先，关于相变潜热，其指单位质量或者单位物质的量在等温等压的情况下，从一个相转变为另一个相吸收或者放出的热量。在本实施例中采用的相变材料21在发生相变时的温度几乎不变化，因此比热容并不适用于相变材料21的相变潜热计算。考虑到本实施例中主要采用固-液相变材料21，这种固相通过吸热转化为液相的相变潜热也称为熔化热，因此可以通过经验公式、变时间步长法、有限差分-有限单元法、焓法、显热熔法等方式来测量。目前最常采用的仪器测试方法主要有差式扫描量热法(dsc)和参比温度曲线法(t-history)。
74.对于不同使用场景的非充气轮胎，其内生热情况差异较大，因此需要根据一定的方法计算所需相变材料21的体积或质量的初值。本实施例中提供一种计算方法如下：
75.对于非充气轮胎来说，由于其内生热来源于弹性体材料在动态载荷下的能量耗散，进而引起结构件温度升高。基于此原理，通过有限元仿真手段或者试验方法可以得到非充气轮胎在以稳态滚动时，滚动一周的能量耗散。
76.根据非充气轮胎的尺寸(如直径)，以及常用工况(如行驶时速ν)，在连续行驶时间下，弹性体材料的总能量耗散为：
[0077][0078]
其中，e为非充气轮胎滚动一周的能量耗散，v为常用工况下的行驶时速，t为连续行驶时间，d为该非充气式轮胎的直径。
[0079]
在此基础上，至少所需的相变材料的质量通过以下公式进行计算：
[0080]q吸
＝mr
[0081]q吸
≥e-m1c(t
0-t1)
[0082]
其中，m为相变材料的质量，r为相变材料的相变潜热，m1为轮胎弹性体材料的总质量，c为轮胎弹性体材料的比热容，t0为相变材料的相变温度，t1为轮胎行驶的环境温度。
[0083]
根据上述公式，即可得出非充气轮胎的相变材料的质量的设计初值。
[0084]
实施例二
[0085]
如图5所示，本实施例提供一种换热轮胎，该换热轮胎的结构与实施例一中的换热轮胎基本相同，区别在于相变吸热结构2的设置方式。
[0086]
在本实施例中，换热轮胎还包括有轮毂4，其设置在轮胎本体1的内圈。轮毂4的内部具有换热腔41，换热腔41与轮胎本体1内部的填料腔10连通。
[0087]
由于轮胎使用的轮毂4为金属材质，通常为铝合金材质，导热率很高，能够很快进行风冷，这将快速释放相变材料21吸收的热量，因此，通过连通轮胎内部和轮毂4内部，使相变材料21可在轮胎本体1内部与轮毂4内部的换热腔41之间流动，从而可以利用金属轮毂释放相变材料21吸收的热量，使相变材料21更好的调节轮胎内部温度，实现轮胎内部温度持续稳定在较低温度下，即加快了相变材料21的可逆转化，有利于内部温度的稳定。
[0088]
实施例三
[0089]
如图6-12所示，本实施例提供一种换热轮胎，其对于轮胎内部相变吸热结构2的设置方式与实施例一中的换热轮胎基本相同，其区别在于所应用的轮胎的结构形状。
[0090]
在本实施例中，换热轮胎为镂空式轮胎结构，例如蜂巢轮胎、辐条轮胎等，具体可参见图6和图7所示。
[0091]
换热轮胎设计为镂空式结构，与实心轮胎相比材料更少，能够加快散热，但是散热效果的提升有限，因此仍然需要结合相变吸热结构2来保证降温效果。并且，由于镂空式结构需要承担与实心轮胎同等的载荷，其采用的高分子材料要比橡胶更强一些，比如高分子弹性体，然而这类材料的内生热要比普通橡胶更加严重。
[0092]
图6示出一种镂空式的轮胎结构，其上具有多处镂空空间5，镂空空间5形成该轮胎本体1的填料腔10，该相变吸热结构2可填充在镂空空间5内。在这种结构的基础上，可在制作时先将封装层22设置成与该镂空空间5形状相同的结构，然后再将相变吸热结构2注入封装层22内，最终填充到镂空空间5内。封装层22可以与镂空空间5的内部过盈配合，连接方式可采用机械嵌套或者粘接等。
[0093]
虽然本实施例中仅提供出一种镂空式的轮胎结构，但本实施例仅为轮胎的一种示例性镂空方式，并不代表该换热轮胎仅指代图中所示的该种镂空式的轮胎结构。在其他实施例中，也可对于不同镂空形状的轮胎进行适应性的调整设计，只要保证能够设置填料腔10的位置即可，例如蜂巢式或者其他组合形状式结构。
[0094]
并且，镂空处的轮胎本体1的材料可选用聚氨酯材料，也可以选择弹性金属片、其他高分子材料或复合材料等，能够起到足够的弹性支撑作用即可。
[0095]
在一些以聚氨酯为主体的镂空式轮胎结构中，还可在部分镂空空间5内设置辅助支撑结构6，具体可参见图9所示。辅助支撑结构6主要为弹性较强的一种支撑结构，其弹性比胎面橡胶强，比聚氨酯弱一些，优选发泡聚氨酯。该结构形状为多孔结构，如蜂窝结构或气泡囊结构，该结构的主要作用是为了防止镂空结构的根部接地部分出现应力集中现象，或者相互干涉出现较大的摩擦生热，将极大改善底部内生热，同时对接地应力也有改善，接地更加均匀，改善接地应力集中，从而改善胎面15磨损均匀性，提高轮胎寿命。
[0096]
对于镂空式轮胎结构来说，还可以设置侧面挡板16，以防止外部灰尘或石块落入镂空空间5内，具体可参见图11所示。侧面挡板16设置在轮胎本体1的至少一侧，在本实施例中，采用将侧面挡板16设置在轮胎本体1的外侧，即轮胎本体1的远离安装该轮胎本体1的车辆设备的一侧。在其他实施例中，也可以在轮胎本体1的两侧均安装侧面挡板16。
[0097]
在具有侧面挡板16时，可以在侧面挡板16的内部也布置相变吸热结构2，通过侧面挡板16的部分也能够降低轮胎内部的温度，且泄露率更低。
[0098]
具体地，侧面挡板16包括防护层161、中间层162和填料层163，具体可参见图12所示。防护层161位于最外侧，其主要起到防护胎侧的作用，中间层162起到进一步的防护作用的同时，还可以提高导热率，以使轮胎本体1内部的热量更加快速地散发到环境中，填料层163位于最内侧，起吸热作用。在本实施例中，防护层161主要由增强纤维组成，可采用尼龙、玻纤、碳纤或钢丝等，基体为橡胶或聚氨酯；中间层162为硬质颗粒层，这里的硬质颗粒为金属氧化物或氮化物硬质颗粒，基体为橡胶或聚氨酯；填料层163采用普通的相变吸热结构2，即单一相变材料21或者复合式的相变吸热结构2，即多种材料混合形成的复合式相变材料21均可。
[0099]
当侧面挡板16上设置有相变吸热结构2后，其起到了降温挡板的效果，从而在挡板附近的轮胎结构将会有更低的温度，可以保证温度维持在相变温度附近，从而实现非充气
轮胎的中高速行驶。
[0100]
实施例四
[0101]
如图13-17所示，本实施例提供一种换热轮胎，其对于轮胎内部相变吸热结构2的设置方式与实施例一中的换热轮胎基本相同，区别在于所应用的轮胎的结构形状。
[0102]
在本实施例中，换热轮胎的轮胎本体1包括内缓冲层11、外缓冲层12和支撑结构13，换热轮胎安装在轮毂(图中未示出)外侧。内缓冲层11设置在轮毂的外圈，支撑结构13设置在内缓冲层11上，外缓冲层12通过支撑结构13设置在内缓冲层11的外圈。填料腔10位于支撑结构13的内部。外缓冲层12的外侧还设置有剪切层14，剪切层14的外侧固定连接有胎面15。
[0103]
其中，内缓冲层11和外缓冲层12主要为超弹性材料，支撑结构13和剪切层14包括超弹性材料和增强复材结构。
[0104]
对于具有支撑结构13的换热轮胎，由于其变形内生热最大的位置为支撑结构13，尤其在支撑部交叉点，仿生非充气轮胎的仿生腿部关节点。仿生腿部在发生变形时，最容易内生热的部位就是顶部、底部和中间部，在节点处精准设置相变材料21，可以降低内部温度，提高其疲劳寿命，同时将相变材料21集中用在最易发生内生热的部位，也可以降低相变材料21的用量，例如图14和图15所示。
[0105]
如图16和图17，为另一种形式的非充气轮胎，该支撑结构13呈x字形，可在其中心交叉点处设置相变材料21，可以大大降低该部位的内生热，提高该支撑结构13的疲劳寿命。
[0106]
在此基础上，也可在剪切层14内设置相变材料21，如图18所示，剪切层14包括外增强层141、中间弹性层142和内增强层143，这种“三明治”式结构，可以增强剪切作用，却也是最易发生内生热的部位，因此在其中布置相变材料21，降低此处的热量，提高剪切带的疲劳寿命。
[0107]
实施例五
[0108]
本实施例提供一种车辆，其包括车辆本体和设置在车辆本体底部的轮胎。本实施例中的轮胎使用换热轮胎，换热轮胎能够在车辆行驶状态下对轮胎实现换热，以减小轮胎在行驶过程中较大的内生热，避免对其结构造成损伤。
[0109]
本实施例中的换热轮胎的具体结构和实现原理与实施例一提供的换热轮胎基本相同，并能带来相同或者类似的技术效果，在此不再一一赘述，具体可参照实施例一的描述。
[0110]
本实施例提供的车辆可以是乘用车，例如轿车等，也可以是重型工业用车，例如装载车，货车，其他具有特定功能的机械车辆等，本实施例并不限于此。只要是具有换热需求，且能够使用上述换热轮胎的车辆均属于本实施例保护的范围。
[0111]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0112]
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。