一种一体化轮胎和轮毂的新型设计与其制造方法与流程

本发明涉及一种一体化轮胎和轮毂的新型设计及其增材制造方法，属于轮胎的开发与制备技术领域。

背景技术：

由于轮毂与轮胎一起承受汽车的各种载荷，影响着汽车的安全性、制动性及操纵稳定性等因素。轮毂的强度是汽车可靠运行的关键因素。常见的轮胎有木质轱辘、充气的橡胶轮胎以及实体的树脂泡沫橡胶轮胎。在充气轮胎存在容易被刺破、漏气、爆炸等安全隐患。为了改善轮胎的性能，现在研制出来实体轮胎，这种实体轮胎内部填充聚氨酯或海绵体橡胶，以及发泡橡胶和海绵体等混合物。通过橡胶胎体的气嘴灌入膨胀形成。

专利申请公布号为cn106394125a的中国发明专利公开了一种填充式实体轮胎及其制造方法，其橡胶等胎体中充入非发泡橡胶填充体后，在填充海绵橡胶填充体。

专利申请号201710469386.4的中国发明专利公开了一种实心免充气全塑车轮的制造方法及其产品，采用注射成型和蒸汽模压成型工艺制造。

这些发明专利中普遍存在，原料成本高，且耐热性低，容易熔融，并且制造方法繁杂，工艺难度大的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有轮胎的设计与制造过程中存在的问题，提出一种一体化轮胎和轮毂的新型设计及其增材制造方法，且这种轮胎采用免充气的结构。通过对轮胎和轮毂的三维设计模型进行有限元分析，明确一体化轮胎哈轮毂的受力情况，有效优化一体化轮胎轮毂的结构和材料组成。实现轻量化，高强度设计，制造简便的目的。

本发明具有制造简单有效，操作工艺简便，可以根据不同的车型、路况以及使用条件灵活，而设计制造这种一体化新型轮胎，这是为了轮胎设计制造的新方向，适应个性化、小批量发展方式。

轮胎及其轮毂的设计：

本发明所提出的一体化轮胎和轮毂的新型轮胎不同于传统的橡胶轮胎的结构工艺，本发明是将轮毂与轮胎集成以一体。轮胎和轮毂根据有限元分析结构设计成拓扑结构支撑汽车，增强了轮胎和轮毂结构的强度。

一体化轮胎是利用增材制造直接成型，在轮胎内部模仿的珊瑚形状（如图1所示），能像海绵一样伸缩自如，胎软硬自动变换。在干燥路面时，概念胎会自动变硬，降低摩擦；在湿路面上，胎面变软，可减少打滑现象。胎面根据使用要求采用子午线结构（如图2所示），增大子午线的扩散深度，提高抓地的力度。提高驾乘的安全舒适度。

根据国际标准轮胎有流体宽度（mm）、轮胎断面的扁平比（％）轮胎类型代号、轮毂直径（英寸）、负荷指数已经车速代号组成。

本发明对所设计的一体化轮毂和轮胎的增材制造方法，其不同空间立体单元的成形还受限于所采用的材料的宏观结构及其属性。

本发明所设计一体化新型轮毂和轮胎结构的增材成形的方法为：

1、新型一体化轮胎模型设计，利用cad、ug或其他三维设计软件设计所要增材制造新型轮胎模型形状；

参数化设计时首先需要确定轮毂优化目的：使所设计的轮毂在强度达到条件下实现轻量化。本文结合某款传统车辆的轮毂进行研究，对轮毂的螺栓孔节圆直径、中心孔、偏距、胎环直径和宽度等参数进行测定，进行三维模型构建。

利用软件ugnx进行轮毂建模，由于轮毂整体为圆形，先根据图纸画出其参数化截面草图，然后通过回转的方式建立轮毂主体。通过一系列曲线网格、投影、偏置、阵列、回转、剪切和布尔运算等步骤建立其三维立体模型。模型如图3所示，根据优化目标，在保证强度条件下对汽车轮毂进行轻量化设计。选择“几何优化”。对sim文件右击“新建求解过程→几何优化”，优化类型选为“altairhyperopt”，目标类型为“重量”，类别为“模型对象”，参数为“最小化”。

2、新型一体化轮胎模型有限元分析，对轮毂进行拓扑结构和轮胎进行有限元分析。对轮胎和轮毂采用网格划分，即将分为轮毂和轮胎两部分，分别采用映射网格以及自由网格进行划分，最后形成一体化轮胎的网格，如图4所示。

由二维轴对称有限元模型生成带复杂胎面的轮胎三维有限元模型，借助abaqus中的symmetricmodelgeneration,revolve命令和symmetricmodelgeneration,periodic,trasport命令实现。

首先使用symmetricmodelgeneration,revolve命令将二维轴对称模型旋转一个环纹节距（8°），生成一个节距的光面轮胎模型；然后将胎冠单元删除，导入已经准备好的代有胎面花纹的胎冠，利用tie命令将二者贴合，生成一个节距的带有完整胎面花纹的轮胎有限元模型；然后使用symmetricmodelgeneration,periodic,transport命令将一个节距的露台模型旋转哟周，得到一个带有复杂环纹的轮胎有限元模型。

在对轮毂的有限元分析中考虑网格类型、网格疏密网格塑料以及网格质量等。点击“网格收集器”图标，将实体属性“无”修改为psilid1。点击“3d四面体网格”图标，选择整个轮毂作为进行网格划分的对象，类型为“ctetre（10）”。网格参数中点击“自动单元大小”图标，单元大小自动更正为15.3，并将“尝试自由映射网格划分”打勾。其余选项默认参数，点击确认。此时，nx将进行计算划分网格，完成后的网格效果。

具体的轮毂有限元模型，根据如图3所示。得到网格类型为四面体网格，结点为140392个，单元为551874个，螺栓单元（rbe2）为5。

3、对一体化新型轮胎的模型进行切片设计和数据生成。利用分层软件将设计的模型分成n多层（n＞3）；

4、对一体化新型轮胎进行成形规划路径的设计，依据分层的数据链控制并增材（打印）出每一层的模型结构；

5、一体化新型轮胎模型的模仿珊瑚形状设计，根据设定珊瑚的孔径结构单元结构，利用智能机械臂将3d打印机的输出纤维化的材料进行编制空间珊瑚结构单元，形成材料的空间结构的成型，完成珊瑚空间结构的定型；

6、一体化轮胎制件的定型，利用3d直接打印成型的一体化轮胎和轮毂需要进行表面的打磨塑形，以增加制件成品的美观性和适用性。

本发明的轮胎和轮毂的一体化结构的制造工艺是采用增材制造成形。轮毂和轮胎的内部可以采用采用热塑性或热固性的tpu材料、abs材料、pa材料、pc材料、ppfs材料、peek材料、ep材料、endur材料、尼龙材料、纤维复合增强材料、以及其纤维树脂的混合材料、碳纤维热塑性复合材料、玻璃纤维、玄武岩等各类高强度复合纤维材料等多种材料选择等。也可以采用可降解的天然橡胶、竹、纸、锡罐、木材、塑料废弃物、干草、轮胎屑、二手金属、织物、硬纸板、糖浆、以及橘皮碎等材料环保材料。轮胎的胎面聚氨酯（tpu）材或橡胶等低生热、高弹性、耐磨损、抗撕裂的材料。

有益效果

本发明具有如下效益：

（1）本发明的一体化星型轮胎承载、减震、平稳、滚阻、油耗和行驶性能等均同充气轮胎相近，操控性能更优；（2）增材制造的效率高；（3）一体化轮胎制件模型强度大，重量轻；（4）一体化轮胎制件模型又多种材料构成，满足模型的物理和化学性能；（5）一体化轮胎制件模型的实用性强，可以作为最终的产品应用于汽车、飞机等，满足轻量化设计的需要；（6）本发明的增材成形方法和设备可以替代部分现有的加工方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1为轮胎内部的珊瑚形状设计图；

图2为轮胎胎面的子午结构设计图；

图3为轮毂的有限元分析图；

图4为轮胎的有限元分析图；

图5为轮胎和轮毂一体化模型设计图。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明，但发明的具体高强度轻量化车体一体化设计与增材制造方法和实际制作结构并不限于以下的实例。

实施例1

一体化轮胎和轮毂的新型轮胎设计：

轮胎的三维结构参数为：

轮胎的宽度为195mm、厚度为130mm、轮胎扁平比为为70％（扁平比=h/w％）、胎面为子午线胎纹；负荷指数为91。

轮胎的胎面厚度为30mm，胎面的实心颗粒紧密排列结构，采用碳粉、橡胶、聚氨酯混合材料。如图2所示。

内部采用聚氨酯材料，呈现六面体空心结构，免充气。

轮毂的三维结构参数为：

轮毂的直径为15英寸（381mm），内部构成呈现为珊瑚形状空间点阵结构。轮毂的结构为拓扑结构，采用聚氨酯加短碳纤维材料制成。

一体化轮胎和轮毂的新型轮胎通过熔融沉积法（fdm）增材制造成形工艺过程：

1）、利用cad设计软件，设计出轮胎和轮毂的一体化结构，如图5所示。

确定了轮毂的螺栓孔节圆直径、中心孔、偏距、胎环直径和宽度等参数。

2）、对一体化轮胎模型有限元分析，对轮毂进行拓扑结构和轮胎进行有限元分析。对轮胎和轮毂采用网格划分，即将分为轮毂和轮胎两部分，分别采用映射网格以及自由网格进行划分，最后形成一体化轮胎的网格，如图4所示。

3）、对一体化轮胎的模型进行切片设计和数据生成。利用分层软件将设计的模型分成1000层以上。

4）、对一体化轮胎进行成形规划路径的设计，依据分层的数据链控制并增材（打印）出每一层的模型结构，控制精度为0.05mm。

5）、一体化轮胎模型的模仿珊瑚形状设计，根据设定珊瑚的孔径结构单元结构，利用智能机械臂将3d打印机的输出纤维化的材料进行编制空间珊瑚结构单元，形成材料的空间结构的成型，完成珊瑚空间结构的定型，利用聚氨酯（tpu）材料。

6）、一体化轮胎制件的定型，利用3d直接打印成型的一体化轮胎和轮毂需要进行表面的打磨塑形，以增加制件成品的美观性和适用性。

实施例2

一体化轮胎和轮毂的新型轮胎结构的设计

轮胎和轮毂一体化结构的设计是将轮胎结构与轮毂结构设计成一个整体，如图5所示，根据受力传导，不同的结构承受的支撑力不同，而且在驱动电机的带动下转动。

轮胎和轮毂分别采用两种不同材料的结构。

轮胎的宽度为195mm、厚度为100mm、轮胎扁平比为为65％（扁平比=h/w％）、胎面为子午线胎纹；负荷指数为91，免充气结构。

轮胎的胎面厚度为30mm，胎面的实心颗粒紧密排列结构。采用尼龙、碳粉、橡胶混合材料制成。轮胎的内部为正六边形空心结构，采用聚氨酯（tpu）材料制成。

轮毂的直径为15英寸（381mm），内部构成呈现为珊瑚形状空间点阵结构。轮毂的结构为拓扑结构，采用碳纤维聚醚醚酮酮材料制成。

一体化轮胎和轮毂的新型轮胎一增材制造成形工艺过程：

1）、利用ug三维设计软件siemensnx8.0设计，设计出轮胎和轮毂的一体化结构，如图5所示。确定了轮毂的螺栓孔节圆直径、中心孔、偏距、胎环直径和宽度等参数。

2）、对一体化轮胎模型有限元分析，对轮毂进行拓扑结构和轮胎进行有限元分析。对轮胎和轮毂采用网格划分，即将分为轮毂和轮胎两部分，分别采用映射网格以及自由网格进行划分，最后形成一体化轮胎的网格，如图4所示。

3）、对一体化轮胎的模型进行切片设计和数据生成。利用分层软件将设计的模型分成5000层以上。

4）、对一体化轮胎进行成形规划路径的设计，依据分层的数据链控制并增材（打印）出每一层的模型结构，控制精度为0.02mm。

5）、一体化轮胎和轮毂的3d打印直接成形。利用打印进度在0.02mm的3d打印机，通过熔融沉积法（fdm），打印轮胎胎面结构利用采用尼龙、碳粉、橡胶混合材料，温度控制在180℃，依据胎面模型的设计生成切片结构，直接打印成形。如图2所示，同样，在打印轮胎胎面的内部结构时利用聚氨酯（tpu）材料制成形，控制温度为80℃，如图所示。在打印轮毂结构时利用长段碳纤维聚醚醚酮酮材料制成，温度控制在200℃，呈现珊瑚形状空间点阵结构，如图所示。

6）、一体化轮胎制件的定型，利用3d直接打印成型的一体化轮胎和轮毂需要进行表面的打磨塑形，以增加制件成品的美观性和适用性。