一种仿生轮胎结构.pdf

本发明公开了一种仿生轮胎结构，基于蛇类脊椎骨与筋腱间的结合机理，将其整合移植于轮胎带束层端部，使每层带束层沿水平轴向形成一定的斜角与层间差，改善胎肩处的应力集中现象，使带束层与胎面胶料之间应力分布均匀。本发明所述的轮胎带束层结构能够在较少更改当前轮胎结构设计的基础上，增加带束层与胎面胶之间的接合强度，减少轮胎后期硫化过程中带束层边部容易产生的位移和变形情况；减少轮胎胎肩裂和生热过多导致爆胎等现象，大幅提高轮胎的质量与使用寿命。本发明同样适用于轮胎反包端部的设计,通过在加强层与胎体层端部布置此仿生轮胎结构，能够显著减少轮胎胎圈处的应力集中现象。

1.  一种仿生轮胎结构，其特征在于，包括第一号带束层（4）、第二号带束层（3）、第三号带束层（1）、第零号带束层（2）、加强层（9）和胎体层（10）；
所述第零号带束层（2）包括左第零号带束层和右第零号带束层，所述左第零号带束层和右第零号带束层对称布置于第三号带束层（1）的左右两侧；
所述第一号带束层（4）、第二号带束层（3）仿蛇类脊椎骨结构，所述第一号带束层（4）、第二号带束层（3）的左右两端均为楔形结构，所述左第零号带束层的左端面为楔形结构，所述右第零号带束层的右端面为楔形结构；所述加强层（5）、胎体层（6）的上端为楔形结构。

2.  根据权利要求1所述的一种仿生轮胎结构，其特征在于，所述第一号带束层（4）的左端面、第二号带束层（3）的左端面、左第零号带束层的左端面楔形结构的斜面方向一致，左端面楔形结构的斜切角度均为30°～45°，左端面楔形结构的楔形长度为2mm～5mm。

3.  根据权利要求1所述的一种仿生轮胎结构，其特征在于，所述第一号带束层（4）的右端面、第二号带束层（3）的右端面、右第零号带束层的右端面楔形结构的斜面方向一致，右端面楔形结构的斜切角度为30°～45°，右端面楔形结构的楔形长度为2mm～5mm。

4.  根据权利要求1所述的一种仿生轮胎结构，其特征在于，所述加强层（5）上端部楔形结构的斜面方向与胎体层（6）端部的斜面方向一致，所述楔形结构的斜切角度为30°～45°，楔形结构的楔形长度为2mm～5mm。

5.  根据权利要求1所述的一种仿生轮胎结构，其特征在于，所述第三号带束层（1）与第零号带束层（2）的总长等于所述第一号带束层（4）长度；所述第二号带束层（3）与第一号带束层（4）的长度差值小于所述第二号带束层（3）总长的十分之一。

一种仿生轮胎结构
技术领域
本发明涉及轮胎结构设计，具体涉及一种仿生轮胎结构。
背景技术
轮胎在制造过程中，各层带束层端部和翻包端部是应力集中的主要区域，轮胎的肩空和圈裂是轮胎破坏的主要型式，基本是带束层端部和反包端部的应力集中引起的，因此降低应力集中是轮胎结构设计时必须面对的问题。
中国专利CN102114754通过在带束层胶料中混入芳纶浆粕来提高轮胎的耐久性能，然而这种方式由于需要调整轮胎胶料，成本较高实行繁琐；中国专利CN102922951通过在带束层夹层之间设置夹胶块来减少带束层边部存气现象以提高轮胎的寿命，然而此种方式需要设计专用成型机，设计制造复杂；中国专利CN203818934通过将轮胎胎肩部用缠绕钢丝进行带束层补强来达到改善轮胎性能的目的，然而此种方法会导致轮胎质量增加，以致增加轮胎的滚动阻力；中国专利CN1775568A通过在带束层端部增加边缘衬条和加强材料来减少一号带束层处的边缘部分离，然而此专利结构复杂成型繁琐并且对于轮胎应变能密度最大的二号带束层考虑甚少，难以在工程实践中得以运用。因此，目前尚没有一种在小幅度修改现有轮胎制造设备条件下，不增加轮胎生产价格和不减少轮胎生产效率，并且增加轮胎寿命的有效途径。
发明内容
生物学家经过长期的观察发现，自然界中许多生物经过数百万年的进化发展，形成了特殊的身体结构。以蛇类动物为例，蛇类在陆地上移动时，必须在地面找到能对其产生阻力的地表（例如坚硬的岩石），因为这样它才方便利用腹部的鳞甲与地面作出有效的摩擦，利用腹鳞及肌肉的缩放产生移动力，藉以把身体迅速推前。而在蛇类前进过程中，其肌肉组织与脊椎骨之间会产生较大的应力，很容易造成内脏损伤。因此蛇类进化出了有突起状斜刺结构的脊椎骨（如图2所示），增加了蛇类骨架与肌肉筋腱之间的接触面积，使得从地面传导到蛇脊椎骨的力能够均匀分散。汽车轮胎与蛇类相似，都是通过利用地面的反作用力向前前进的，轮胎中的带束层类似于蛇类的脊椎骨，对轮胎整体起到加固和分担应力的作用，其受到的应变能密度较大，而带束层处的应变能密度梯度与汽车轮胎寿命有着显著关系，因此利用蛇类形态结构进行仿生有着一定依据。
通过修改带束层，胎体层以及加强层端部处的结构，在胶片端部布置仿蛇类脊椎骨胶料结构，使胶片端部与其他胶料呈现楔形连接，楔形长度取决于轮胎胶片的厚度，当胶片厚度为3mm时，楔形长度为3mm到5mm，楔形角度控制在小于等于45°，大于等于30°范围内,采用仿生结构的多个带束层应该朝向一致，同时胎圈处的加强层以及胎体层端部朝向也应一致。
基于蛇类脊椎骨与筋腱间的结合方式，使用仿生学方法，将轮胎带束层、加强层以及胎体层的端部采用斜面结构，使含有钢丝帘线的轮胎胶片与其他胶料的结合处形成一定斜面，增加胶片与其他胶料之间的结合力。本发明提供一种仿生结构轮胎，包括第一号带束层、第二号带束层、第三号带束层、第零号带束层、加强层和胎体层；所述第零号带束层包括左第零号带束层和右第零号带束层，所述左第零号带束层和右第零号带束层对称布置于第三号带束层的左右两侧；所述第一号带束层、第二号带束层仿蛇类脊椎骨结构，所述第一号带束层、第二号带束层、的左右两端均为楔形结构，所述左第零号带束层的左端面为楔形结构，所述右第零号带束层的右端面为楔形结构；所述加强层、胎体层的上端为楔形结构。
上述方案中，所述第一号带束层的左端面、第二号带束层的左端面、左第零号带束层的左端面楔形结构的斜面方向一致，左端面楔形结构的斜切角度均为30°～45°，左端面楔形结构的楔形长度为3mm～5mm。
上述方案中，所述第一号带束层的右端面、第二号带束层的右端面、右第零号带束层的右端面楔形结构的斜面方向一致，右端面楔形结构的斜切角度为30°～45°，右端面楔形结构的楔形长度为3mm～5mm。
上述方案中，所述加强层、胎体层上端部楔形结构的斜面方向一致，所述上端部楔形结构的斜切角度为30°～45°，上端面楔形结构的楔形长度为3mm～5mm。
上述方案中，所述第三带束层与第零号带束层的总长等于所述第一带束层长度；所述第二带束层与第一带束层的长度差值小于所述第二带束层总长的十分之一。
本发明的有益效果：1.本发明能够显著优化胎肩处的应力分布，减少其周向方向上的最大应力，使得轮胎带束层与胎面胶料之间的结合更为紧密，带束层更不易发生形变以及变形；2.与普通结构相比，采用仿生结构的轮胎应变能密度梯度模最大值降低了约18.07%，根据负荷下应变能最小化理论（STEM），分散或减少应变能能够显著提高轮胎的使用寿命，减少胎肩处的破坏发生几率；3.此种形式的带束层结构能够解决轮胎在生产贴合过程中带束层端部容易出现的存气问题，而且能够减少轮胎在硫化过程中带束层端部发生的位移与变形。能够提高轮胎的使用寿命，又不会影响轮胎的滚动阻力等其他性能，同时不增加轮胎的生产成本以及生产效率。
附图说明
图1为一种仿生轮胎结构的示意图。
图2为蛇类脊椎骨结构放大示意图。
图3为一种仿生轮胎结构带束层处局部放大图。
图4为一种仿生轮胎结构胎圈处的局部放大图。
图中：1、第三号带束层；2、第零号带束层；3、第二号带束层；4、第一号带束层；5、加强层；6、胎体层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
如图1所示，一种仿生结构轮胎， 包括第一号带束层4、第二号带束层3、第三号带束层1、第零号带束层2、加强层5和胎体层6；所述第零号带束层2包括左第零号带束层和右第零号带束层，所述左第零号带束层和右第零号带束层对称布置于第三号带束层1的左右两侧；所述第一号带束层4、第二号带束层3仿蛇类脊椎骨结构，第一号带束层4、第二号带束层3的左右两端均为楔形结构，所述左第零号带束层的左端面为楔形结构，所述右第零号带束层的右端面为楔形结构；所述加强层5、胎体层6的上端部均为楔形结构。楔形结构优化了胎肩处的应力分布，并且减小了其周向方向上的最大应力，使得轮胎带束层与胎面胶料之间的结合更为紧密，使带束层更不易发生形变以及变形。
进一步的，所述第一号带束层4的左端面、第二号带束层3的左端面、左第零号带束层的左端面楔形结构的斜面方向一致，左端面楔形结构的斜切角度均为30°～45°，左端面楔形结构的楔形长度为3mm～5mm。
进一步的，所述第一号带束层4的右端面、第二号带束层3的右端面、右第零号带束层的右端面楔形结构的斜面方向一致，右端面楔形结构的斜切角度为30°～45°，右端面楔形结构的楔形长度为3mm～5mm。
进一步的，所述加强层5、胎体层6上端部楔形结构的斜面方向一致，所述上端部楔形结构的斜切角度为30°～45°，上端面楔形结构的楔形长度为3mm～5mm。
进一步的，所述第三带束层1与第零号带束层2的总长等于所述第一带束层4长度；所述第二带束层3与第一带束层4的长度差值小于所述第二带束层3总长的十分之一。
普通轮胎结构与仿生轮胎结构的应变能密度梯度模最大点位于相近位置，普通轮胎结构的应变能密度梯度（SEDG）模最大值为42251.63，仿生轮胎结构的应变能密度梯度模最大值为34616.45，与普通结构相比，采用仿生结构的轮胎应变能密度梯度模最大值降低了约18.07%，根据负荷下应变能最小化理论（STEM），分散或减少应变能能够显著提高轮胎的使用寿命，减少胎肩处的破坏发生几率。此种形式的带束层结构不仅能够解决轮胎在贴合过程中带束层端部容易出现的存气问题，而且能够减少轮胎在硫化过程中带束层端部发生的位移与变形，更能够大幅增加轮胎的使用寿命。
所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本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。