前言
輪胎是車輛接觸地面的唯一媒介，其主要功能是支撐整車重量，向地面傳遞驅動力、制動力和轉向力，保證車輛具有良好的乘坐舒適性和行駛平順性。對輪胎的性能要求是安全、耐久、經濟、舒適等，其中安全尤為重要，一旦行駛中輪胎出現爆胎等故障，輕則車輛不能行駛，重則發生交通事故，造成人員傷亡和財產損失。安全輪胎（runflattire，RFT）和胎壓監測系統（tirepressuremonitoringsystem，TPMS）是繼安全帶、安全氣囊、ABS之後的又一汽車安全保障系統，是解決車輛爆胎安全的關鍵技術措施。
世界著名輪胎公司都非常注重RFT技術的研究和開發。2000年，米其林（Michelin）和固特異（Goodyear）宣告成立各占50%技術份額的合資機構，共同完善現有內支撐式RFT技術，互相分享最新研究成果。2004年，日本普利司通（Bridgestone）和德國大陸（Continental）簽署了研發自體支撐式RFT的技術協定，與內支撐式RFT形成了技術競爭。致力於基於普通輪胎配套內支撐式RFT的法國Hutchinson、美國Rodgard、英國Tyron和RunflatInternationalLtd.等公司，各自在軍事車輛、警車、VIP轎車、SUV等特種車輛領域發展自己的市場，並顯現出巨大的技術優勢。安全輪胎（RFT）與胎壓監測系統（TPMS）配合使用，使得輪胎超出了“一條輪胎”的技術內涵，成為由輪輞、輪胎、內支撐、胎壓監測裝置等核心部件組成的安全輪胎技術系統（safetytiretechnologysystem,STTS）。目前，很多高檔車輛已經將STTS作為標準配置。以當前的發展速度預測，不久普通乘用車輛也有望普及套用RFT和TPMS。
基於標準輪輞和輪胎配套設計內支撐，設計製造成本較低，常壓行駛中不影響車輛的操向性能，突然爆胎時可有效保護車輛安全，爆胎失壓後可繼續行駛較長距離，在軍車、警車、運鈔車、消防車、救護車、專用校車、VIP轎車、SUV、特種工程車和農用車等諸多領域可推廣套用。國外輪胎企業對內支撐式RFT技術研發和生產都實行嚴格的保密制度，我國開展RFT技術研究只能採取自主研發或花費巨額資金合資建廠，引進國外技術。即使合資建廠或引進技術，也需要進一步消化吸收再創新，而自主研發是符合我國科技發展戰略的一個重要途徑。內支撐的結構、尺寸和材料是RFT設計的三大關鍵技術。由於缺少完善的設計理論，沒有系統的設計方法，當前設計多基於傳統經驗，在很大程度上制約著這一技術向更多車輛的移植和套用。
本書主要是針對RFT內支撐結構設計和尺寸計算作系統闡述，從學科交叉角度分析安全輪胎零壓滾動機理，探討RFT內支撐設計計算的理論依據，並採用數位化設計方法，基於標準輪輞和輪胎設計內支撐組合體，並對其進行結構分析、最佳化和改進，通過台架試驗驗證RFT的性能。本書闡述的理論和方法是作者自2004年以來，主研和承擔RFT相關科研項目成果的提煉和總結。主要項目包括：國家傑出青年科學基金（50025516）和吉林大學“985工程”資助項目“車輛安全關鍵技術安全輪胎（Runflat）系統”、吉林大學工程仿生教育部重點實驗室開放基金項目（K200707）“零壓續跑輪胎內支撐幾何結構與強度”、中國博士後科學基金面上資助項目（201000480290）“安全輪胎內支撐強度與性能最佳化”等。這些科研項目的完成，先後得到吉林大學長江學者佟金教授、清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室張金換教授的精心指導。兩位導師在百忙之中審閱書稿並為本書作序，作者在此表示最衷心的感謝！項目研究工作還分別得到了吉林大學馬雲海教授、陳東輝教授、鄒猛博士和張成春博士，清華大學許述財博士、馬春生博士，河南科技大學張伏博士，山東交通學院吳娜博士，山西農業大學賀俊林教授，河北農業大學劉俊峰教授、馬躍進教授、馮曉靜教授，劉洪傑博士和李建平博士等多位老師和同事的熱心幫助。得到了吉林大學工程仿生教育部重點實驗室、汽車動態模擬國家重點實驗室、清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室、河北農業大學機電工程學院和長城汽車學院等單位試驗工程師的幫助和試驗儀器設備的支持。在本書完稿之際，向所有提供指導、幫助、支持的專家、老師、同事表示感謝！並謹贈此書留念。
本書撰寫時參考了國內外大量相關技術文獻，套用了一些設計和工程分析軟體，這些文獻和軟體均來自上述相關單位的數據資源和著作權授權。本書的出版還得到了河北農業大學青年科學（引進人才）基金（2013QNR001）的資助和清華大學出版社的大力支持和幫助，在此一併表示衷心感謝！
由於作者理論水平有限，本書側重對內支撐式RFT設計理論和方法進行論述，對TPMS技術和其他安全輪胎內容僅作簡要介紹，本書中許多問題仍有待進一步研究。因此，書中不妥之處在所難免，敬請各位同仁和讀者批評指正。
目錄
第1章緒論
1.1安全輪胎技術簡介
1.1.1輪胎安全與爆胎
1.1.2安全輪胎的概念和分類
1.1.3內支撐式RFT系統概念
1.1.4胎壓監測系統TPMS
1.2內支撐式RFT類型及發展
1.2.1基於特製輪輞型
1.2.2基於標準輪輞型
1.2.3基於標準輪輞綜合型
1.2.4國內外RFT研究進展
1.3安全輪胎設計方法
1.3.1RFT設計技術關鍵
1.3.2RFT內支撐設計流程
1.3.3設計與分析軟體簡介
第2章安全輪胎零壓滾動機理
2.1RFT零壓滾動學
2.1.1RFT零壓滾動學知識體系
2.1.2RFT系統元素及功能定位
2.1.3RFT坐標系和運動參數
2.2RFT零壓續跑系統模型
2.2.1充氣輪胎模型簡介
2.2.2輪胎接地印跡與輪胎變形
2.2.3RFT零壓續跑等效系統模型
2.2.4RFT零壓行走鬃毛刷子模型
2.2.5RFT零壓滾動阻力
2.3RFT零壓行走能力分析
2.3.1碾胎和脫圈的基本條件
2.3.2道路衝擊與內支撐振動
2.3.3界面摩擦與損傷破壞
2.3.4溫度升高與輪胎失火
2.3.5高速駐波與零壓駐波
2.4RFT的滾動與滑動條件
2.4.1RFT常壓接地壓力分布
2.4.2RFT零壓接地壓力分布
2.4.3RFT從動工況滾動與滑動
2.4.4RFT驅動工況滾動與滑動
2.5RFT純滾動運動分析
2.5.1內支撐子單元概念
2.5.2內支撐子單元運動分析
2.5.3內支撐子單元慣性力分析
2.5.4內支撐對車輪動平衡的影響
第3章內支撐設計計算依據
3.1內支撐設計原則和要求
3.1.1內支撐設計基本原則
3.1.2RFT性能指標與設計要求
3.1.3內支撐結構術語及參數名稱
3.2內支撐與輪輞結構的關係
3.2.1輪輞的結構與內支撐分體
3.2.2輪輞斷面結構與標準曲線
3.2.3內支撐基部與輪輞槽的關係
3.3內支撐與輪胎輪廓的關係
3.3.1輪胎基本尺寸及扁平率
3.3.2輪胎斷面重要參數的計算
3.3.3充氣輪胎平衡輪廓的確定
3.3.4內支撐與輪胎斷面輪廓的關係
3.4內支撐與輪胎接地變形的關係
3.4.1接地徑向變形
3.4.2側偏與外傾變形
3.4.3輪胎包容變形
3.4.4內支撐與輪胎變形的關係
3.5內支撐結構與安裝工藝的關係
3.5.1內支撐安裝工藝與內支撐結構
3.5.2分體結構的裝卡鎖緊原理
3.5.3輪胎安裝工藝與內支撐結構
3.6內支撐斷面參數CAGD求解
3.6.1參數求解的CAGD方法
3.6.2內支撐斷面參數計算實例
第4章安全輪胎裝配關聯設計方法
4.1基本概念與設計流程
4.1.1裝配設計的概念
4.1.2裝配體與裝配樹
4.1.3建立RFT項目
4.1.4RFT建模流程
4.2輪輞參數化特徵造型
4.2.1標準輪輞斷面曲線
4.2.2輪輞斷面參數化草圖
4.2.3完整的輪輞特徵造型
4.3輪胎參數化特徵造型
4.3.1輪胎平衡輪廓曲線
4.3.2輪胎斷面參數化草圖
4.3.3完整的輪胎特徵造型
4.4內支撐在位設計
4.4.1內支撐斷面草圖
4.4.2內支撐分體設計
4.4.3裝卡槽結構設計
4.5裝卡鎖緊零件設計
4.5.1連線零件在位設計
4.5.2原輪輞和輪胎附加質量
4.5.3螺栓選擇與校核計算
4.5.4鎖緊狀態連線件模型
第5章內支撐強度分析與形狀最佳化
5.1結構有限元分析基礎
5.1.1彈性力學基本方程
5.1.2有限元分析的步驟
5.1.3結構分析單元類型
5.2內支撐三維結構靜力學分析
5.2.1內支撐分析流程
5.2.2定義內支撐材料
5.2.3有限元格線劃分
5.2.4施加約束和載荷
5.2.5計算求解與結果分析
5.2.6材料對內支撐強度的影響
5.3內支撐三維結構拓撲最佳化
5.3.1結構拓撲最佳化的基本原理
5.3.2內支撐拓撲最佳化單元體選擇
5.3.3內支撐單元體約束與載荷
5.3.4內支撐單元體有限元格線劃分
5.3.5內支撐單元體結構拓撲最佳化結果
5.4內支撐三維結構改進設計
5.4.1確定主體寬度
5.4.2設定裝胎環槽
5.4.3調整裝卡參數
5.4.4設定減重結構
第6章內支撐安全性影響因素分析
6.1關鍵幾何特徵的影響
6.1.1主體寬度的影響
6.1.2裝胎環槽的影響
6.1.3鎖環槽的影響
6.1.4鎖緊壁厚度的影響
6.1.5鎖緊孔大小的影響
6.1.6減重孔形式的影響
6.1.7減重孔數量的影響
6.2內支撐固有頻率與影響因素
6.2.1模態分析數學模型
6.2.2內支撐模態分析物理模型
6.2.3內支撐模態分析邊界條件
6.2.4內支撐固有頻率和振型
6.2.5鎖緊的內支撐固有頻率
6.2.6不同減重孔數量模態對比
6.2.7基頻下內支撐安全性預測
6.3材料選擇對內支撐安全性的影響
6.3.1內支撐整體格線控制
6.3.2裝卡部位局部單元細化
6.3.3精確計算求解與結果分析
6.3.4不同材料的內支撐安全性
6.4運動因素對內支撐安全性的影響
6.4.1內支撐滑轉時的安全程度
6.4.2不同車速下內支撐安全性
第7章內支撐散熱結構耦合設計
7.1溫度場有限元分析基礎
7.1.1熱力學第一定律和導熱微分方程
7.1.2三維穩態熱傳導有限元基本方程
7.1.3三維溫度場分析常用單元類型
7.2內支撐穩態溫度場分析
7.2.1穩態溫度場分析的內支撐模型
7.2.2單元控制與格線劃分
7.2.3熱載荷邊界條件
7.2.4結果分析與討論
7.3內支撐與輪輞接觸傳熱
7.3.1裝配模型準備與數據共享
7.3.2接觸傳熱處理
7.3.3單元控制與格線劃分
7.3.4熱載荷邊界條件
7.3.5結果分析與討論
7.4散熱結構設計與對比分析
7.4.1散熱結構設計
7.4.2帶散熱結構的內支撐穩態溫度場
7.4.3內支撐與輪輞接觸的穩態溫度場
7.5內支撐熱結構耦合有限元分析
7.5.1熱結構耦合有限元分析基礎
7.5.2熱結構耦合模型和邊界條件
7.5.3熱結構耦合求解和結果對比
第8章安全輪胎試製與性能試驗
8.1干涉檢查與技術文檔
8.1.1試製前裝配干涉檢查
8.1.2工程圖與技術檔案
8.2內支撐試製與裝配
8.2.1內支撐毛坯與加工
8.2.2連線零件的加工
8.2.3內支撐裝配試驗
8.3RFT台架性能試驗
8.3.1試驗台簡介及試驗內容
8.3.2零壓接地印跡和變形
8.3.3縱滑特性對比試驗
8.3.4側偏特性對比試驗
8.3.5極限工況性能試驗
8.4RFT試驗與研究方向討論
參考文獻
