[发明专利]一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎及其设计方法

说明书

本发明公开了一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎及其设计方法，涉及车辆零部件技术领域，解决了轮胎重量较大、制造成本较高且不易更换维修的技术问题，其技术方案要点是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；“花瓣”中交叉的V型结构形成散热孔，改善了制动系统风冷条件，且该结构具有优良的稳定性、传导力和承载性能；轮箍与轮心采用分体式结构，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。

技术领域

本申请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

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。

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。

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。

发明内容

本申请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。

本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

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°。

一种基于花瓣拓扑结构的新型轮胎的设计方法，包括：

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；

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；

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；

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。

本申请的有益效果在于：

(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。