一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎及其设计方法

1.本技术涉及车辆零部件技术领域，尤其涉及一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎及其设计方法。


背景技术：

2.轮胎是车辆的重要组成部分之一，其与地面或铁轨直接接触部分需要承载重量，而且与地面或铁轨之间发生滚动摩擦与滑动摩擦，要求轮胎外部具有足够的强度和耐磨性，所以其性能高低直接影响了整车的稳定性和安全性。在满足性能要求前提下，降低轮胎重量及生产制造成本对实现高效节能有着重要的意义。
3.现有的轮胎结构大部分采用实心整体式结构，材料消耗量大。例如申请号为201320379843.8的中国实用新型专利，公开了一种新型轮胎，其包括辐板、制动盘安装面、传动销安装面、制定盘安装孔、传动销安装孔、轮辋和轮毂。其缺陷是轮胎重量大，在实际的轮胎装配过程中移动和安装不便，且整体式轮胎长期与轨道摩擦产生磨损后，需将整个轮胎进行修复或报废，造成材料浪费。传统汽车充气轮胎易被尖锐物体刺穿导致泄气或爆裂，从而使得整车丧失机动性能，非充气轮胎的发展也必然成为一种趋势。
4.对于工程应用而言，如何对轮胎进行拓扑优化，减少制造成本，进一步提升其使用稳定性仍是亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎及其设计方法，其技术目的是对轮胎进行拓扑优化，降低轮胎重量，减少生产成本，缩短生产周期，提高轮胎的使用寿命和效果，达到节能减排的目的。
6.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎，包括围绕圆心由内而外依次设置的轮毂、轮心、轮箍和轮箍圈，所述轮箍圈设在所述轮箍的凹槽内与所述轮箍镶接，所述轮箍的侧面设有金属压环，所述金属压环用于紧固所述轮箍，所述轮箍与所述轮心为分体式结构，所述轮心包括由24组v型基本结构单元绕圆心交叠而成的花瓣拓扑结构，所述花瓣拓扑结构中带有散热孔，所述轮心的内径为260mm、外径为650mm，所述v型基本结构单元沿所述轮毂周向均匀分布，相邻所述v型基本结构单元的间隔旋转角为15
°
，所述v型基本结构单元由两段半径为557mm的圆弧组成，所述圆弧的弦长为237mm、宽度为6mm，所述v型基本结构单元的v型夹角为85
°
。
8.一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎的设计方法，包括：
9.s1：在三维建模软件中建立轮胎概念设计模型，选择轮毂、轮箍、轮心和轮箍圈的材料，并在有限元前处理软件中进行网格单元划分；
10.s2：建立设计变量、设置约束条件和目标函数，根据设计变量、约束条件和目标函数建立轮胎拓扑优化模型；其中，所述约束条件包括最小尺寸约束、旋转类部件的对称约束
和轮胎加工工艺约束，最小尺寸为网格单元尺寸的3倍；
11.s3：对轮胎拓扑优化模型提交计算分析，得到初步优化的轮胎拓扑构型和材料密度云图，然后基于单元构型法构建新型轮胎结构模型；
12.s4：建立新型轮胎结构模型的数值仿真模型，获取轮胎在额定载荷下的刚度特性，若所述刚度特性未能满足需求，则重复步骤s1至s4，直至刚度特性满足需求。
13.本技术的有益效果在于：
14.(1)该基于花瓣拓扑结构的新型轮胎结构紧凑，轮心主体结构采用轻量化的花瓣型拓扑构型，降低了零件的成本与重量，增加了整车成本收益。
15.(2)“花瓣”型轮心内的散热孔更好得改善制动系统风冷条件，且该结构具有优良的稳定性、传导力和承载性能。
16.(3)在轮箍上镶上一圈橡胶材质的轮箍圈，提高了轮胎的摩擦系数，增强整车的牵引力和制动效果，进一步提高车辆运输的质量。利用橡胶的弹性作用，减缓轮胎与地面或铁轨的磨损，延长轮胎的使用寿命，并有效降低摩擦所产生的振动和噪声，优化环境。
17.(4)采用分体式结构，将传统列车的整体式轮胎中易磨损的轮箍与无磨损的轮心分离开来，使得轮胎在磨损后只需对受磨损的轮箍进行返修或更换，分离出来的轮心可以继续正常使用，从而无需将整个轮胎进行修复或者报废。亦或者根据实际车轴大小，将不同尺寸的轮毂、轮心及轮箍进行装配使用。
附图说明
18.图1为本技术所述基于花瓣拓扑结构的新型轮胎的三维模型图；
19.图2为本技术所述基于花瓣拓扑结构的新型轮胎的三维爆炸图；
20.图3为轮箍和轮毂圈示意图；
21.图4为本技术所述基于花瓣拓扑结构的新型轮胎的俯视示意图；
22.图5为本技术所述基于花瓣拓扑结构的新型轮胎的右视示意图；
23.图6为轮胎概念设计二维图；
24.图7为轮心的拓扑结果示意图；
25.图8为轮胎的垂向刚度曲线对比示意图；
26.图中：1-轮毂；2-轮箍；3-轮心；4-螺纹孔；5-金属压环；6-螺栓；7-轮箍圈；8-散热孔。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本技术技术方案进行详细说明。
28.如图1、图2、图4、图5所示，该基于花瓣拓扑结构的新型轮胎包括围绕圆心由内而外依次设置的轮毂1、轮心3、轮箍2和轮箍圈7，所述轮箍圈7设在所述轮箍2的凹槽内与所述轮箍2镶接，并用铆钉紧固，如图3所示。所述轮箍2的侧面设有金属压环5，所述金属压环5用于紧固所述轮箍2；具体地，金属压环5上周向均匀设有四个螺纹孔4，所述螺纹孔4通过螺栓6紧固所述轮箍2。
29.所述轮箍与所述轮心为分体式结构。
30.所述轮心3包括由24组v型基本结构单元绕圆心交叠而成的花瓣拓扑结构，所述花
瓣拓扑结构中带有散热孔8，所述轮心3的内径为260mm、外径为650mm，所述v型基本结构单元沿所述轮毂1周向均匀分布，相邻所述v型基本结构单元的间隔旋转角为15
°
，所述v型基本结构单元由两段半径为557mm的圆弧组成，所述圆弧的弦长为237mm、宽度为6mm，所述v型基本结构单元的v型夹角为85
°
。
31.所述轮心3和所述轮箍2的厚度均为215mm。
32.所述轮毂1的材质为铝合金制成，所述轮箍2的材质为高碳钢，所述轮心3的材质为45钢，所述轮箍圈7的材质为橡胶。
33.本技术所述基于花瓣拓扑结构的新型轮胎的设计方法，包括：
34.s1：在三维建模软件中建立轮胎概念设计模型，如图6所示。选择轮毂1、轮箍2、轮心3和轮箍圈7的材料，并在有限元前处理软件中进行网格单元划分。
35.在三维建模软件中建立轮胎概念设计模型，并将轮心的整个拓扑空间用实体填充。在有限元前处理软件hypermesh中进行网格划分，划分为网格单元尺寸为2mm的六面体网格。在模型中心处建立参考点，用中心参考点约束控制轮毂内表面。与轮胎直接接触的铁轨采用固定约束，轮胎外表面与轨道建立面面接触，摩擦系数为0.15。忽略空气阻力的影响，由于车辆在运行时，轮胎主要受到地面的压力、与轨道之间的摩擦力以及车厢的重力通过车轴施加给轮毂中心的垂向载荷设置为2000n，摩擦力为300n。
36.s2：建立设计变量、设置约束条件和目标函数，根据设计变量、约束条件和目标函数建立轮胎拓扑优化模型；其中，所述约束条件包括最小尺寸约束、旋转类部件的对称约束和轮胎加工工艺约束等，最小尺寸为网格单元尺寸的3倍。
37.本实施例以单元密度作为优化设计变量，选择轮心主体结构为设计域区间进行拓扑优化。为了清晰显示拓扑优化结果中的材料分布，最小尺寸约束单元控制为网格单元尺寸的3倍，即6mm，尺寸约束的最大值为网格单元尺寸的6倍，即12mm。所述轮心的旋转周期在optistruct中的pattern grouping卡片下实现，设置为24；所述轮胎加工工艺约束，为了模拟轮胎的铸造或锻压工艺，添加拔模约束；另外，约束轮胎的最大体积分数为30％，以柔顺度最小(即刚度最大)作为目标函数，建立轮胎拓扑优化模型为：
38.min(compliance(ρ))
[0039][0040]
式中，ρ表示单元密度；compliance表示柔度值；σb(ρ)表示轮胎受载荷下的最大vonmises应力；σd表示轮胎许用应力；v
*
表示优化后体积；f表示体积分数；v表示初始体积；ρ
min
一般取0.0001等接近0的值。
[0041]
s3：对轮胎拓扑优化模型提交计算分析，得到初步优化的轮胎拓扑构型和材料密度云图，然后基于单元构型法构建新型轮胎结构模型。
[0042]
所述轮胎轮心的拓扑结构是选取单元密度为0.45和最大体积分数为0.4时的拓扑结构，如图7所示；由于拓扑优化所获得的主传力路径结构是不规则的，则需要对拓扑优化后的密度云图的结构进行提取其基本结构单元并规则化，使得基本结构单元在符合拓扑优化得到的概念模型结构的同时，也能保证所得到的模型结构便于进行工艺加工，可以得到v形的基本结构单元。在单元构型法的基础上，选用v型基本结构单元，构建阵列周期为24的“花瓣”拓扑结构，v型结构间隔旋转角为15
°
，属于轮心式且为周期对称，可以保证轮胎在运行过程中接轨更加均匀，提高了轮胎在运行过程中的稳定性和舒适性。v型结构由两段圆弧半径r557mm组成，弦长为237mm，v型夹角为85
°
，圆弧宽度为6mm。
[0043]
s4：建立新型轮胎结构模型的数值仿真模型，获取轮胎在额定载荷下的刚度特性，若所述刚度特性未能满足需求，则重复步骤s1至s4，直至刚度特性满足需求。
[0044]
轮胎的动力性能、承载性能以及安全性能都与轮胎的刚度有直接关系。刚度越大，轮胎在行驶过程中具有较好的滚动性能，滚动过程消耗的能量较少。为了验证该“花瓣”结构的行驶平稳性，将同一模型结构从原始位置分别向左和向右旋转5
°
得到位置a和位置b的两个不同位置的模型，对三个不同位置的轮胎模型每隔1000n从0逐渐加载到额定载荷10000n，得到不同载荷与下沉量的关系曲线，与同型号的国标ss4b机轮胎的垂向刚度曲线进行对比，得到如图8所示的垂向刚度曲线对比图。
[0045]
根据图8的垂向刚度曲线可知，在相同载荷下ss4b机轮胎的下沉量要比“花瓣”型轮胎的下沉量大，即“花瓣”型轮胎的承载性能较好。对比原位置与位置a和位置b载荷与下沉量的曲线关系，其垂向刚度曲线几乎保持一致，三条曲线上下波动范围很小，成线性关系，由此可推断，“花瓣”型轮胎结构在逐渐加载不同垂向载荷时，不同位置的下沉量近乎相同，相差较小，因此该新型轮胎具有较好的行驶稳定性。
[0046]
所述实施为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。