基于内凹六边形负泊松比支撑结构的非充气轮胎的制作方法

本发明涉及汽车轮胎技术领域，特别涉及一种基于内凹六边形负泊松比支撑结构的非充气轮胎。

背景技术：

目前广泛使用的带内胎的充气轮胎是车辆在运行驶过程中保证行驶性、平顺性以及舒适性的综合解决方案，但充气轮胎存在易爆胎的安全隐患，需要定期维护。此外，充气轮胎在制动时无法达到理想的附着状态，为弥补由此产生的车辆制动缺陷需要另加装abs、esp等电子控制系统，增加了车辆系统复杂性和整车成本。非充气轮胎凭借其在安全性、稳定性、承载性和附着性等方面的优势，已逐渐成为轮胎行业的重要技术趋势，受到生产厂商和研究人员的广泛关注。

cn206306739u公开了一种免充气轮胎，包括橡胶胎面，与橡胶胎面胶合为一体的基部胶，以及外侧与橡胶胎面连接、内侧与轮辋连接起支撑作用的弹性支撑体，支撑体从外到内依次是外承压环、中部支撑体和内承压环，所述支撑体由周向均匀分布的第一支撑体和第二支撑体构成，其中第一支撑体由多个v形组件连接而成，第二支撑体由正v组件和倒v组件连接而成的负泊松比单元沿周向均匀分布构成。但是，起到核心支撑作用的中部支撑体多采用橡胶等弹性材料制造而成，无法提供足够的支撑刚度与强度，且贯通式的结构会使得车轮在高速旋转时因气流流经支撑体内表面而产生较大的气动噪声。

cn102529583b公开了基于负泊松比结构的超轻重量非充气轮胎结构，包括一个旋转中心轴，一组绕中心轴旋转的由负泊松比单元晶胞构成的同心环状物，每个负泊松比单元晶胞由一组构成负泊松比结构的构件嵌套组成。所述负泊松比结构由受压的第一v形子结构(支撑)和受拉的第二v形子结构(筋腱)连接而成。每两层同心环状物中间可以放置夹层材料或填充材料。在最外圈单元晶胞外面会覆盖一层适合与地面相接触的材料，以构成完整的轮胎。但该专利所述负泊松比结构仅在轮胎径向提供负泊松比效应，无法保证轮胎侧向刚度和强度，使得该非充气轮胎侧向稳定性不足。此外，负泊松比环状结构与地面之间只设有一层耐接触材料，在行驶过程中轮胎所受路面冲击将直接传递至环状结构，使结构产生较大震动，影响车辆的行驶平顺性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于内凹六边形负泊松比支撑结构的非充气轮胎，凭借其在径向和侧向的负泊松比效应显著改善轮胎的承载性和稳定性，同时轮胎结构稳定、抗震性能好，负泊松比多胞结构的几何—性能关系也使新型非充气轮胎具备了优异的功能导向设计特性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于内凹六边形负泊松比支撑结构的非充气轮胎，沿径向由外向内依次包括胎面、胎体和负泊松比支撑结构；所述胎面内侧与胎体外侧胶合为一体，所述胎体由具有负泊松比特性的聚氨酯发泡材料制成；

所述负泊松比支撑结构包括与胎体内侧卡装相连的外增强环，与车轮轮辋相连的内增强环，以及连接内外增强环的负泊松比多胞支撑体；所述负泊松比多胞支撑体是由多个呈同心环状分布的内凹六边形单胞结构通过连接胞臂相互连接而成，每个内凹六边形单胞结构由一对内凹六边形单元结构正交嵌套连接而成。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明的非充气轮胎，通过采用同心环状分布的内凹六边形负泊松比多胞支撑结构，使轮胎在径向和侧向具备负泊松比效应；负泊松比支撑结构在承受径向载荷时，会向受载区域局部收缩，使结构等效强度和刚度提高，改善轮胎的承载性能；支撑结构的侧向负泊松比效应则会提高轮胎在行驶过程中的侧向稳定性；(2)本发明所述的非充气轮胎的胎体是采用经过二次发泡法得到的聚氨酯作为基体材料浇铸而成，是各向同性的负泊松比材料，进一步提高非充气轮胎的承载性和稳定性；同时，负泊松比胎体有良好的抗冲击性和抗震性，有助于改善车辆的行驶平顺性；(3)负泊松比胎体与外增强环之间通过爪型结构与适配凹槽卡装连接，强化了胎体内侧环面与外增强环外侧环面的连接强度，显著提高了轮胎的安全性，避免了高速行驶过程中轮胎的脱圈风险；同时，采用可拆卸式的胎体降低了非充气轮胎的更换难度和维护成本；(4)本发明所述的非充气轮胎的胎面圆周方向的横截面采用拱形设计，其中横截面的上部圆弧为多段弧相切造型，两侧胎肩处厚度略低于胎面中心区域厚度，既能减少轮胎胎面磨损，也能改善轮胎排水性、提升轮胎在湿滑路面上行驶时的抓地力。

附图说明

图1为本发明第一实施例的基于内凹六边形负泊松比支撑结构的非充气轮胎结构示意图。

图2为本发明第一实施例的内凹六边形负泊松比单胞结构示意图。

图3为本发明第一实施例的负泊松比支撑结构示意图。

图4为本发明第一实施例的胎面周向断面示意图。

图5为本发明第一实施例的胎面、胎体和外增强环连接的周向断面示意图。

图6为本发明第二实施例的内凹六边形负泊松比单胞结构示意图。

图7为本发明第二实施例的负泊松比支撑结构示意图。

具体实施方式

一种基于内凹六边形负泊松比支撑结构的非充气轮胎，沿径向由外向内依次包括胎面1、胎体2和负泊松比支撑结构；所述胎面1内侧与胎体2外侧胶合为一体，所述胎体2由具有负泊松比特性的聚氨酯发泡材料制成；

所述负泊松比支撑结构包括与胎体2内侧卡装相连的外增强环31，与车轮轮辋相连的内增强环32，以及连接内外增强环的负泊松比多胞支撑体33；所述负泊松比多胞支撑体33是由多个呈同心环状分布的内凹六边形单胞结构331通过连接胞臂332相互连接而成，每个内凹六边形单胞结构331由一对内凹六边形单元结构正交嵌套连接而成。

进一步的，每个内凹六边形单元结构呈左右对称的燕尾形状，外侧两条等长竖边为支撑胞臂334，长度为h，内侧四条等长斜边为弯曲胞臂333，长度为l，支撑胞臂334与弯曲胞臂333之间的夹角为θ，θ<90°，支撑胞臂334与弯曲胞臂333之间的长度关系满足公式h>2·cosθ·l；两个内凹六边形呈正交排布且相交于两个内凹点335，形成一个完整的内凹六边形单胞结构331。

进一步的，所述内凹六边形单胞结构331在径向通过连接胞臂332彼此相连，在圆周方向和旋转轴方向通过共用支撑胞臂334相连，从而形成在三个方向具有周期性单胞结构的负泊松比多胞支撑体33。所述负泊松比多胞支撑体33在圆周方向一圈中单胞结构331的数量称为周期数t，在径向的周期性单胞数量称为圈数c，在旋转轴方向的周期性单胞数量称为层数l，所述多胞支撑体33的周期数、圈数和层数根据轮胎不同的性能需求而有所差异。

进一步的，所述弯曲胞臂333和支撑胞臂334形成的一对内凹六边形单元结构在上下凹点处内夹角均大于180°，两个内凹点335之间初始径向间距大于支撑胞臂334长度的一半。

进一步的，所述弯曲胞臂333、支撑胞臂334和连接胞臂332为等截面梁或者变截面梁，横截面为圆形或矩形。

进一步的，所述弯曲胞臂333、支撑胞臂334和连接胞臂332的材料为金属、橡胶、陶瓷、纤维增强物、尼龙或者多聚物。

进一步的，每一圈中单胞结构331的几何尺寸一致，不同圈之间单胞结构的几何尺寸根据轮胎不同的性能需求而有所差异。

进一步的，所述外增强环31为环状结构，其周向断面外侧设有向内凹陷的凹槽311，内侧与所述负泊松比多胞支撑体33最外圈单胞结构相连；所述内增强环32为环状结构，其周向断面为矩阵，断面外侧与所述负泊松比多胞支撑体33最内圈单胞结构相连，断面内侧与车轮轮辋相连。

进一步的，所述胎体2为环状结构，其中胎体2内侧为两爪型支撑结构21；两爪型支撑结构21通过卡爪与外增强环31的凹槽311卡装，使得所述胎体2与所述外增强环31相连。

进一步的，所述胎体2采用经过二次发泡法得到的聚氨酯作为基体材料浇铸而成。

所述胎面1圆周方向的横截面采用拱形设计，其中横截面的上部圆弧为多段弧相切造型，两侧胎肩处厚度低于胎面中心区域厚度；胎面1采用适合与地面接触的耐磨性材料作为基体材料，通过压延法加工制成。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，为本发明基于内凹六边形负泊松比支撑结构的非充气轮胎结构示意图。非充气轮胎沿径向由外向内依次包括胎面1、胎体2、负泊松比支撑结构。所述胎面1内侧与胎体2外侧胶合为一体。所述胎体2为具有负泊松比特性的聚氨酯发泡材料制成。所述负泊松比支撑结构包括与胎体2内侧卡装相连的外增强环31，与车轮轮辋相连的内增强环32，以及连接内外增强环的负泊松比多胞支撑体33。所述多胞支撑体是由多个呈同心环状分布的内凹六边形单胞结构331通过连接胞臂332相互连接而成，其中每个内凹六边形单胞结构331是由一对内凹六边形单元结构正交嵌套连接而成。其中，负泊松比多胞支撑体33最外圈胞元与外增强环31内侧环面相连，最内圈胞元与内增强环32外侧环面相连。

图2为内凹六边形负泊松比单胞结构示意图。所述内凹六边形单胞结构331由8根弯曲胞臂333和4根支撑胞臂334组成的一对内凹六边形单元结构在两个内凹点335正交嵌套连接而成。为保证负泊松比特性，所述弯曲胞臂333和支撑胞臂334形成的对内凹六边形单元结构在上下凹点处内夹角可相同也可不同，但均必须大于180°使六边形满足内凹特性。同时，两个内凹点335之间需要保证一定径向间距。本实施例中上下凹点处内夹角均为210°，内凹点335径向间距为15mm。所述弯曲胞臂333和支撑胞臂334可以是等截面梁，也可以是变截面梁，其横截面可以是圆形或矩形。所述弯曲胞臂333和支撑胞臂334的材料可以是相同也可以不同，胞臂原材料为金属、橡胶、陶瓷、纤维增强物、尼龙或者多聚物。本实施例中弯曲胞臂333为抗压的铝合金材料制成的正方形等截面梁，支撑胞臂334为抗拉的尼龙材料制成的正方形等截面梁。

图3为本实施例的负泊松比支撑结构示意图。内凹六边形单胞结构331在圆周方向通过共用两侧的支持胞壁334彼此相连，形成一个单圈的负泊松比多胞结构。多圈负泊松比多胞结构在径向呈放射状排列，通过连接胞臂332连接相邻圈的上下凹点335，形成一个单层的负泊松比多胞结构。多层负泊松比多胞结构在轴向通过共用两侧的支持胞壁334彼此相连，形成一个完整的负泊松比多胞支撑体33。所述负泊松比多胞支撑体33在圆周方向一圈中单胞结构331的数量称为周期数t，在径向的周期性单胞数量称为圈数c，在旋转轴方向的周期性单胞数量称为层数l，所述多胞支撑体33的周期数、圈数和层数根据轮胎不同的性能需求而有所差异。此外，每一圈中单胞结构331的几何尺寸一致，不同圈之间单胞结构的几何尺寸根据轮胎不同的性能需求而有所差异。本实施例中周期数t＝12、圈数c＝4，层数l＝2，不同圈之间单胞结构的几何尺寸沿径向由内向外逐渐增大。本实施例中所述外增强环31为具有一定厚度的环状结构，其周向断面外侧设有向内凹陷的凹槽311，内侧与所述负泊松比多胞支撑体33最外圈单胞结构相连。所述内增强环32为具有一定厚度的环状结构，其周向断面为矩阵，断面外侧与所述负泊松比多胞支撑体33最内圈单胞结构相连，断面内侧与车轮轮辋相连。负泊松比支撑结构在承受径向载荷时，会向受载区域局部收缩，使结构等效强度和刚度提高，改善轮胎的承载性能。支撑结构的侧向负泊松比效应则会提高轮胎在行驶过程中的侧向稳定性。

图4为胎面周向断面示意图。胎面1圆周方向的横截面采用拱形设计，其中横截面的上部圆弧为多段弧相切造型，两侧胎肩处厚度低于胎面中心区域厚度。第一实施例中胎面中心区域采用半径为r2的弧段两侧胎肩处采用半径为r1的弧段中心弧段和胎肩弧段分别相切于b、c点。胎面采用适合与地面接触的耐磨性材料如蒲公英橡胶、杜仲橡胶作为基体材料，通过压延法加工制成。胎面中心区域采用弧线设计能降低小负载时的胎面磨损，提高大负载时的接地面积，改善轮胎附着性能。圆弧胎肩能改善轮胎排水性，让轮胎下的积水更快的被甩出，进而提升轮胎在湿滑路面上的抓地力。

图5为本发明胎面、胎体和外增强环连接的周向断面示意图。胎体2为具有一定厚度的环状结构，其中胎体2外侧与胎面1内侧胶合为一体。胎体1内侧为两爪型支撑结构21，在两爪型支撑结构21的两侧边缘分别设有凸出的卡爪211。胎体2通过卡爪211与所述外增强环31的凹槽311卡装，使得所述胎体2与所述外增强环31相连，强化了胎体2与外增强环31的连接强度，显著提高了轮胎的安全性。同时，可拆卸式的连接方式也降低了非充气轮胎的更换难度和维护成本。胎体2采用经过二次发泡法得到的聚氨酯作为基体材料浇铸而成，是各向同性的负泊松比材料，进一步提高非充气轮胎的承载性和稳定性。同时，负泊松比胎体有良好的抗冲击性和抗震性，有助于改善车辆的行驶平顺性。

实施例2

图6为本发明实施例2的内凹六边形负泊松比单胞结构示意图。所述内凹六边形单胞结构331由8根弯曲胞臂333和4根支撑胞臂334组成的一对内凹六边形单元结构在两个内凹点335正交嵌套连接而成。为保证负泊松比特性，所述弯曲胞臂333和支撑胞臂334形成的对内凹六边形单元结构在上下凹点处内夹角可相同也可不同，但均必须大于180°使六边形满足内凹特性。同时，两个内凹点335之间需要保证一定径向间距。本实施例中上凹点处内夹角为200°，上凹点处内夹角均为190°，内凹点335径向间距为10mm。弯曲胞臂333为抗压的陶瓷材料制成的圆形等截面梁，支撑胞臂334为抗拉的纤维材料制成的圆形等截面梁。

图7为本实施例的负泊松比支撑结构示意图。所述内凹六边形单胞结构331在圆周方向通过共用两侧的支持胞壁334彼此相连，形成一个单圈的负泊松比多胞结构。多圈负泊松比多胞结构在径向呈放射状排列，通过连接胞臂332连接相邻圈的上下凹点335，形成一个单层的负泊松比多胞结构。多层负泊松比多胞结构在轴向通过共用两侧的支持胞壁334彼此相连，形成一个完整的负泊松比多胞支撑体33。所述负泊松比多胞支撑体33在圆周方向一圈中单胞结构331的数量称为周期数t，在径向的周期性单胞数量称为圈数c，在旋转轴方向的周期性单胞数量称为层数l，所述多胞支撑体33的周期数、圈数和层数根据轮胎不同的性能需求而有所差异。此外，每一圈中单胞结构331的几何尺寸一致，不同圈之间单胞结构的几何尺寸根据轮胎不同的性能需求而有所差异。本实施例中周期数t＝24、圈数c＝2，层数l＝4，不同圈之间单胞结构的几何尺寸沿径向由内向外逐渐增大。所述外增强环31为具有一定厚度的环状结构，其周向断面外侧设有向内凹陷的凹槽311，内侧与所述负泊松比多胞支撑体33最外圈单胞结构相连。所述内增强环32为具有一定厚度的环状结构，其周向断面为矩阵，断面外侧与所述负泊松比多胞支撑体33最内圈单胞结构相连，断面内侧与车轮轮辋相连。负泊松比支撑结构在承受径向载荷时，会向受载区域局部收缩，使结构等效强度和刚度提高，改善轮胎的承载性能。支撑结构的侧向负泊松比效应则会提高轮胎在行驶过程中的侧向稳定性。