صنعت خودرو به سرعت در حال توسعه است و توجه مردم به ایمنی افزایش یافته است. در این رابطه تایرها نقش مهمی در تحرک، ایمنی و راحتی خودرو دارند و به همین دلیل قابلیت اطمینان آنها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در چین، 46 درصد از تصادفات رانندگی در بزرگراهها ناشی از نقص تایر است که ترکیدن آن 70 درصد از این حوادث را تشکیل میدهد. از یک سو، وقوع تصادفات تایر ارتباط نزدیکی با خود تایرها دارد. تایرهای بادی سنتی برای تحمل وزن خودرو به فشار هوای حفره داخلی متکی هستند که خطرات ایمنی ذاتی دارد. فشار غیرعادی تایر میتواند به راحتی منجر به افزایش ساییدگی آج، گرم شدن بیش از حد بدنه و حتی ترکیدن تایر شود. با کاهش فشار، مانورپذیری خودرو کاهش مییابد که به راحتی میتواند منجر به تصادفات بزرگ شود.
در این بین خالی شدن باد تایر باعث میشود وسیله نقلیه فوراً کنترل خود را از دست بدهد. غیرقابل پیشبینی بودن چنین موضوعی اغلب باعث میشود رانندگان زمان واکنش کافی نداشته باشند و در نهایت منجر به تصادف شود.
از سوی دیگر، این تصادف به دلیل ویژگیهای تماس تایر و سطح جاده است. از دست دادن اصطکاک تایر در شرایط پیچیده جاده و تعامل مداوم تایر-جاده در طول رانندگی طولانی مدت، کاهش سفتی باد را تشدید میکند. در این راستا، جیلک و همکارانش، ابزاری را با عنوان چسبندگی دینامیکی (DA) از طریق کنترل هیدرولیکی ارتقا داد که میتواند تنظیم دینامیکی آنلاین موقعیت چرخ را انجام دهد. این امر توانایی شبیهسازی تجهیزات را در شرایط کاری پیچیده بهبود میبخشد و DA را به ابزاری کلیدی برای مطالعه ویژگیهای تماس بین تایر و سطح جاده تبدیل میکند.
همچنین مبنایی تجربی برای تعیین کمیت پارامترهای شکست تماس فراهم میکند. این عوامل ذکر شده در بالا، همراه با هزینههای نگهداری، فناوری تایر ایمنی را به کانون تحقیق و توسعه صنعت تبدیل کرده است.
روند توسعه لاستیکهای ایمن را میتوان به آغاز قرن بیستم نسبت داد. شرکت گودیر ایالات متحده برای اولین بار در سال 1934 تیوب داخلی ضد انفجار را پیشنهاد و ثبت اختراع کرد. در سال 1955، تایر ایمنی دو محفظه معرفی شد و لاستیکهای پنچر رو با تکیهگاه داخلی (ISRFT) در اواسط و اواخر قرن بیستم به تولید انبوه رسیدند. در سال 1973، گودیر همچنین تایر پنچر رو با تکیهگاه داخلی (SSRFT) را پیشنهاد داد که در سال 1994 به تولید انبوه رسید و بارگیری شد. در سال 1926، شرکت هاچینسون ایالات متحده یک سیستم بدنه داخلی برای RFT برای وسایل نقلیه نظامی ارائه داد. در سال 1997، میشلن MXV RFT را معرفی کرد و در سال 1998، PAX ISRFT برای وسایل نقلیه غیرنظامی معرفی شد.
در سال 2002، شرکت بریجستون با شرکتهای آلمانی و ژاپنی برای توسعه بدنه داخلی، نوع حلقهای، سیستم پنچرگیری «حلقه پشتیبانی بریجستون» همکاری کرد و نسل سوم محصولات خودایستا را در سال 2009 تولید کرد. در سالهای اخیر، گروه کنتیننتال آلمان نیز ISRFTهای هوشمندی را توسعه داده است.
تحقیقات در مورد لاستیکهای ایمنی در چین نسبتاً دیرتر آغاز شد. در اواسط قرن بیستم، شرکتهای Shenyang T-Rubber،Shuguang Rubber و سایر شرکتها در تحقیق و توسعه پیشگام شدند و تولید انواع مختلف RFTها را محقق کردند. Tianyi Tire، Guizhou Tire و سایر شرکتها نیز محصولات ویژهای را روانه بازار کردند. در دو دهه گذشته، چین سرمایهگذاری در تحقیقات علمی را افزایش داده، بر بهبود ساختار و مواد لاستیک تمرکز کرده و توسعه سریع صنعت را ارتقا داده است.
طبق تحقیقات مرتبط در مورد لاستیکهای ایمنی در داخل و خارج از کشور، فناوری ایمنی لاستیک را میتوان به فناوری پنچررو و فناوری غیرپنوماتیک تقسیم کرد. در حال حاضر، اکثر RFTها عمدتاً ISRFT و SSRFT هستند. برخی از محققان تحقیقات نظری در مورد انواع تکیهگاههای اینسرت انجام دادهاند. آنها معیارهای طراحی را پیشنهاد کرده و مدلهایی را برای ارائه مبانی نظری برای طراحی ساختار بدنه اینسرتها ایجاد کردهاند.
اگرچه طراحی سختکاری دیواره جانبی SSRFT ظرفیت تکیهگاهی آن را بهبود میبخشد، اما منجر به افزایش سر و صدا، کاهش راحتی، هزینه بالا و دشواری در نگهداری و تعویض نیز میشود. اگرچه RFT میتواند خطر ترکیدن لاستیک را تا حدی کاهش دهد، اما نمیتواند خطر پنهان ترکیدن لاستیک را به طور اساسی از بین ببرد. بنابراین، تحقیق در مورد NPT به یک روند توسعه اجتنابناپذیر تبدیل شده است.
NPT فشار باد تایر را با یک ساختار نگهدارنده الاستیک جایگزین میکند. طراحی یکپارچه تایر-طوقه اتخاذ شده است. ارتعاش کاهش مییابد و انرژی ضربه زمین توسط تغییر شکل طوقه و پره الاستیک جذب میشود. این مفهوم ابتدا توسط مهندس آمریکایی برایان راسل پیشنهاد شد و در ابتدا برای تایرهای دوچرخه کوهستان به کار گرفته شد.
در سال 2005، میشلن Tweel NPT را معرفی کرد، در حالی که شرکت آمریکایی کوپر تایر متعاقباً یک تایر بیونیک لانه زنبوری را عرضه کرد.
در سال 2011، بریجستون یک NPT با مش مارپیچی شعاعی ( شکل 1 ج) توسعه داد و نسل دوم NPT را در سال 2013 معرفی کرد ( شکل 1 د ). در سال 2014، گروه BAIC یک NPT با نسبت پواسون منفی ( شکل 1 ه) را با استفاده از یک ماده ریزساختار با نسبت پواسون منفی برای بهبود مقاومت در برابر ضربه عرضه کرد. در دهه 2010، هانکوک تایر I-Flex ( شکل 1 و) را عرضه کرد که از مواد پلی اورتان و ساختار لانه زنبوری نامنظم برای بهبود ظرفیت تحمل و خاصیت ارتجاعی استفاده میکرد.
این شرکت در سال ۲۰۱۵ از طرح مفهومی «I-Flex» بدون هوا رونمایی کرد(شکل ۱ g). در سال ۲۰۱۷، گودیر با استفاده از مواد ترموپلاستیک، NPT های ترموپلاستیک را برای سادهسازی فرآیند تولید توسعه داد. علاوه بر این، دانشگاه هوانوردی و فضانوردی نانجینگ «چرخ الاستیک مکانیکی (ME-wheel)» را با استفاده از تکیهگاه ساختار لولا توسعه داد تا سختی استاتیک و ویژگیهای چرخش آن را بررسی کند.
در حال حاضر، با افزایش تحقیقات در مورد NPTها، بسیاری از محققان بررسیهای جامعی انجام دادهاند. سان و همکارانش مواد مورد استفاده در NPTها، از جمله آج، ساختار پشتیبانی الاستیک، اسکلت و چسب را بررسی کردند. آنها انواع فرآیندهای تولید را خلاصه کرده و چالشها و روندهای فعلی را تجزیه و تحلیل کردند.
دنگ و همکارانش به طور سیستماتیک انواع مختلف لاستیکهای نمونه و ویژگیهای آنها را به تفصیل معرفی کردند. آنها نتایج تحقیقات در مورد مواد، ویژگیهای مکانیکی و فرآیند قالبگیری را خلاصه کردند. علاوه بر این، آنها ایده استفاده از مواد و ساختارهای هوشمند در NPTها را به همراه روندهای توسعه آینده مطرح کردند.
ساردینها و همکارانش تحقیقات در مورد ویژگیهای ساختاری و ویژگیهای مکانیکی NPTها را بررسی کردند. استانداردهای مرتبط، استراتژیهای تجزیه و تحلیل، مواد، فناوری تولید و عمر مفید لاستیک نیز مورد بحث قرار گرفت.
به طور خلاصه، به عنوان یک راه حل فنی مهم برای رفع خطرات ایمنی لاستیکهای بادی سنتی، هم لاستیکهای RFT و هم لاستیکهای NPT به پیشرفتهای تحقیقاتی قابل توجهی دست یافتهاند. با این حال، در حال حاضر بررسی جامعی از تحقیقات در مورد لاستیکهای RFT وجود ندارد.
در این مقاله، طراحی ساختاری، انتخاب مواد و ویژگیهای مکانیکی این دو نوع لاستیک ایمنی به طور جامع بررسی شده است. وضعیت تحقیقات و مشکلات موجود عمیقاً تجزیه و تحلیل شده و در ترکیب با روند توسعه صنعت، جهت توسعه آینده پیشبینی شده است. بخش 2 به طور سیستماتیک سیستم طبقهبندی لاستیکهای ایمنی را طبقهبندی کرده و پیشرفت تحقیقات در مورد اشکال ساختاری معمول را خلاصه میکند.
بخش 3 طراحی مواد لاستیکهای ایمنی و ادغام متقابل چند ماده و فرآیندهای تولید را بررسی میکند. بخش 4 نتایج تحقیقات در مورد ویژگیهای مکانیکی لاستیکهای ایمنی را خلاصه میکند. بخش 5 روندهای توسعه آینده را مورد بحث قرار میدهد و مسیرهای بالقوهای را برای پیشرفتهای عملکردی پیشنهاد میدهد.
طبقهبندی لاستیکهای ایمنی
طبقهبندی لاستیکهای ایمنی در شکل 2 نشان داده شده است . لاستیکهای ایمن را میتوان به RFT و NPT تقسیم کرد. طرحهای رایج RFT شامل انواع تکیهگاه داخلی، انواع خودتکیهگاه و انواع خودآببندی است. NPTها بر اساس ساختار بدنههای تکیهگاهی خود طبقهبندی میشوند که انواع رایج آن شامل طرحهای نوع پره، ساختار متخلخل و چرخ ME است. این فصل عمدتاً پیشرفت تحقیقات ISRFT و SSRFT، ساختار متخلخل و ساختار پره NPTها و ساختار چرخهای ME را خلاصه میکند.
شکل ۲. نمودار طبقهبندی ساختاری لاستیکهای ایمنی.
۲.۱ طراحی سازهای RFTها
هسته اصلی فناوری لاستیکهای پنچررو در طراحی ساختاری ویژه آنها نهفته است. ساختار بدنه داخلی آنها به لاستیکهای بادی این امکان را میدهد که پس از افت فشار، برای مسافت محدودی به پشتیبانی از وسیله نقلیه ادامه دهند. ISRFT و SSRFT مسیرهای اصلی تحقیقات برای لاستیکهای پنچررو هستند.
۲.۱.۱ طراحی سازهای ISRFTها
سیستم ISRFT معمولاً شامل یک تایر، ساختار بدنهی اینسرتها، رینگ و دستگاه نظارت بر فشار تایر است. اصول کار آن به این صورت است که بدنهی اینسرتها در شرایط عادی کار غیرفعال میماند. هنگامی که تایر فشار خود را از دست میدهد، بدنهی اینسرتها وزن خودرو را تحمل کرده و از جدا شدن لبههای تایر جلوگیری میکند.
از نظر طراحی ساختاری، رینگها را میتوان به استاندارد یا غیراستاندارد تقسیم کرد و لاستیکهای رادیال عمدتاً مورد استفاده قرار میگیرند.
یانگ و همکارانش در تحقیقات خود از رینگهای 22.5 × 9.00 و لاستیکهای رادیال 12R22.5 برای برآورده کردن الزامات بار زیاد وسایل نقلیه سنگین استفاده کردند. آنها همچنین رینگهای 6 J × 15 و لاستیکهای رادیال 205/60R15 را برای مطالعات مرتبط انتخاب کردند.
این ترکیب احتمالاً برای بررسی عملکرد و بهینهسازی طراحی بدنه داخلی در RFTها تحت انواع مختلف وسیله نقلیه یا شرایط کاری مورد استفاده قرار گرفته است.
زنگ و همکارانش رینگهای شیار عمیق 5 درجه از نوع 16 × 6.5 J و لاستیکهای رادیال 205/55R16 را انتخاب کردند. آنها بر طراحی سبک و بهینهسازی عملکرد رانندگی بدون فشار برای وسایل نقلیه سواری تمرکز کردند.
پارامترهای طراحی ساختار اینسرتها باید به طور جامع رابطه با پروفیل تایر، تغییر شکل و مونتاژ را در نظر بگیرند. تعیین پارامترهایی مانند قطر داخلی، قطر خارجی، ارتفاع و عرض مقطع نیز در این امر گنجانده شده است.
برخی تحقیقات نیز بر روی اتلاف حرارت و طراحی کاهش وزن اینسرتها تمرکز دارند. زنگ و همکاران ساختار ترکیبی ISRFT را همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، پیشنهاد کردند . این ساختار از طراحی استاندارد رینگ استفاده کرده، یک شیار اتلاف حرارت به سطح خارجی اینسرتها اضافه کرده و شیار کاهش وزن را در هر دو طرف طراحی کرده است. مزایای آن ساختار ساده شده و کاهش هزینهها است. اینسرتهای سنتی مشکلاتی مانند وزن زیاد و ممان اینرسی زیاد داشتند.
زنگ و همکاران عملکرد کلی تایر را با بهینهسازی توپولوژی ساختار بدنه اینسرتهای تایر بهبود بخشیدند. آنها به اهداف کاهش وزن، بهینهسازی عملکرد یاتاقان و بهبود دقت طراحی دست یافتهاند.
لیو و همکاران فرمولاسیونها و ساختارهای مختلف لاستیک را مطالعه کردند. آنها بر بهینهسازی عملکرد بدنهی اینسرتها، حل بسیاری از مشکلات در شرایط رانندگی بدون فشار و بهبود عملکرد کلی و ایمنی لاستیکها تمرکز دارند.
در مطالعه روشهای طراحی و تحقیق ساختار بدنه اینسرتهای تایر، بسیاری از محققان این موضوع را از زوایای مختلف بررسی کردهاند. آنها ابزارهای فنی و مبانی نظری متنوعی را برای توسعه ISRFTها ارائه میدهند، از جمله طراحی مجازیسازی، الگوریتمهای یادگیری ماشین و مدلسازی بین رشتهای.
یانگ و همکارانش از عملکرد تطبیقی Autodesk Inventor در فرآیند طراحی قطعات تحت شرایط مقید استفاده کردند. این امر امکان وجود موقت اشکال هندسی اولیه تحت قید را فراهم میکرد. هنگامی که شرایط مونتاژ قطعات تغییر میکرد، ویژگیهای مربوط به قطعات به طور خودکار برای مطابقت با شرایط مونتاژ جدید تنظیم میشدند.
با محیط طراحی AIP، قسمتهای ضعیف بدنه اینسرتها و اجزای کاهش وزن برای ایجاد یک مونتاژ مجازی برای اعتبارسنجی مدل اصلاح شدند. در عین حال، برای هدایت طراحی ساختارهای بدنه اینسرتها، آنها یک مدل میرایی فنر غلتشی با فشار صفر و یک مدل برس متحرک با فشار صفر ایجاد کردند. در طول طراحی و بهینهسازی ساختارهای بدنه اینسرتها، زنگ و همکارانش از نظریه بهینهسازی توپولوژی با استفاده از روش چگالی متغیر در طول طراحی و بهینهسازی ساختارهای بدنه اینسرتها استفاده کرد و به طور مؤثر به مسائل موجود در بدنه اینسرتهای سنتی پرداخت و عملکرد تایر را افزایش داد.
نتایج این تحقیقات به طور قابل توجهی زمینه ISRFT را پیشرفت داده و پایه محکمی برای بهبود ایمنی رانندگی خودرو ایجاد کرده است.
در حال حاضر، پیشرفتهای قابل توجهی در تحقیقات ساختاری ISRFT در تطبیق لبه، بهینهسازی توپولوژی و طراحی کاهش وزن اتلاف گرما حاصل شده است. رویکردهای تحقیقاتی در این زمینه نیز به طور فزایندهای متنوع شدهاند. با این حال، اهداف بهینهسازی تحقیقات موجود عمدتاً بر عملکرد استاتیک یا تکی متمرکز هستند.
بهینهسازی مشارکتی چند هدفه و تأیید دوام طولانی مدت تحت شرایط دینامیکی کافی نیستند. علاوه بر این، تحقیقات در مورد طراحی قابلیت ساخت و سازگاری فرآیند تولید انبوه کمهزینه توپولوژیهای پیچیده و نوآورانه هنوز عقب مانده است. چنین ساختارهای پیچیدهای شامل لبههای شیار عمیق و ساختارهای توخالی گرادیان هستند.
۲.۱.۲ طراحی سازهای SSRFT
SSRFT در درجه اول از بدنه تایر، لاستیکهای نصب شده روی دیواره تایر (SIR)، رینگ و دستگاه نظارت بر فشار تایر تشکیل شده است، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است .
این تایر بر اساس اصل طراحی ساختاری ویژه خود عمل میکند: در شرایط رانندگی عادی، فشار داخلی تایر کافی باقی میماند. SIR در ارتباط با سایر اجزا برای حفظ هندسه طبیعی تایر کار میکند و عملکرد رانندگی قابل مقایسه با تایرهای معمولی را تضمین میکند.
در صورت پنچر شدن یا هنگامی که فشار باد تایر از آستانه بحرانی پایینتر میآید، فشار داخلی دیگر نمیتواند پشتیبانی کافی را ارائه دهد. SIR با استحکام بالای خود، وزن خودرو را تحمل میکند و به طور موثر از تغییر شکل بیش از حد دیواره تایر و تا شدن خودکار آن جلوگیری میکند. این امر تایر را قادر میسازد تا شکل و ظرفیت تحمل بار خود را در شرایط پنچرگیری حفظ کند.
شکل ۴. نمودار شماتیک SSRFT.
بدنه اصلی تایر معمولاً از یک ساختار تایر شعاعی برای ارائه عملکردهای اساسی تحمل بار و غلتش استفاده میکند. SIR جزء کلیدی SSRFT است. در تحقیقات موجود، محققان از عناصر هندسی SIR به عنوان متغیرهای اصلی طراحی استفاده کرده و نوآوری توپولوژی ساختاری یا بهینهسازی پارامتر را طراحی کردهاند. به این ترتیب، عملکرد تایر در شرایط رانندگی بدون فشار و عادی بهبود مییابد.
برای بهینهسازی لاستیکهای داخلی دیواره جانبی در RFTها، چو و همکارانش یک روش بهینهسازی چند هدفه تعمیمیافته مبتنی بر الگوریتم ژنتیک ارائه دادند که SIR در شکل 5c به عنوان هدف بهینهسازی نشان داده شده است. برخلاف انواع حلقه در شکل 5a و b، نوع تقویت دیواره جانبی، سفتی دیواره جانبی را افزایش میدهد تا از فروریختگی هنگام ترکیدن تایر جلوگیری کند.
نواحی زیر خط قرمز در شکل 5c به ترتیب نشاندهنده درجه فروریختگی تایرهای معمولی و SSRFT پس از ترکیدن هستند. این روش برای بهینهسازی شکل و سفتی قطعات داخلی دیواره جانبی استفاده شد. به طور خاص، این روش جایگزین تحلیل المان محدود (FEA) زمانبر با تکامل ژنتیکی و فناوریهای شبکه عصبی یکپارچه برای تحقیق شد.
بر اساس تایر رادیال 225/50 R17 98W، Lv و همکارانش طراحی لاستیک داخلی با بافت سخت را به دیواره جانبی اضافه کردند. قسمت بیرونی SIR به شکل هلالی به دیواره داخلی ناحیه انحراف دیواره جانبی نزدیک بود. انتهای بالایی و پایینی آن به ترتیب تا ناحیه شانه و لبه امتداد داشت. در همین حال، قسمت داخلی نزدیک به لایه طناب تقویت شده بود که باعث بهبود مقاومت دیواره جانبی میشد.
Lv و همکارانش پارامترهای طراحی SIR را همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، مطالعه کردند . حداکثر عرض L و حداکثر ضخامت H بر سختی و ویژگیهای تماس تایر تأثیر میگذارند. تغییر L بر ناحیه همپوشانی SIR با آج و تسمه تأثیر میگذارد که بر توزیع تحمل و تنش تایر تأثیر میگذارد. تغییر H مستقیماً با موقعیت تغییر شکل و تنش SIR مرتبط است.
در نتیجه، ساختار و طراحی پارامتر SIR بر ویژگیهای مکانیکی SSRFTها در شرایط فشار صفر و فشار نامی تأثیر میگذارد. این ویژگیها شامل سختی شعاعی، توزیع تنش زمین، تنش آج و غیره میشود. این یک عامل مهم برای ایجاد تعادل بین راحتی رانندگی، هندلینگ و توانایی رانندگی بدون فشار خودرو است.
شکل 6. طرح طراحی ساختار SIR.
در حال حاضر، بهینهسازی پارامترهای هندسی SIR عمدتاً به ناحیه دیواره جانبی محلی محدود شده است. طراحی مشترکی با ساختار کلی تایر وجود ندارد. در نتیجه، مشکلات جهش تنش در ناحیه شانه و لبه تایر در شرایط فشار صفر حل نشده است.
علاوه بر این، چه ISRFT باشد و چه SSRFT، انعطافپذیری تسمه و بدنه تایر نقش مهمی در ویژگیهای تماس تایر با جاده ایفا میکند. به طور خاص، لایه تسمه تایر بین لایه تسمه داخلی و لایه بدنه قرار دارد و 60 تا 75 درصد از تنش تایر را تحمل میکند.
برای بررسی بیشتر مکانیسمهای پشت این اثرات، محققان تحقیقات مرتبط با مدلهای مختلف را پیشنهاد کردهاند. در میان آنها، مدل تایر حلقهای انعطافپذیر (FTire) به عنوان یک مدل تایر انعطافپذیر شناخته شده، میتواند به طور دقیق نحوه تأثیر لایه تسمه بر نیروهای دینامیکی تایر را شبیهسازی کند و به طور گسترده در راحتی سواری، هندلینگ و پیشبینی بار جاده استفاده میشود.
مدل مکانیکی آن به زیر مدلهایی برای ساختار تسمه-لایه-بدنه-مهره و زیر مدلهایی برای ویژگیهای مکانیکی و تریبولوژیکی آج تقسیم میشود. جورج و همکاران یک مدل تایر برای تجزیه و تحلیل عملکرد هندلینگ گذرای یک تایر توسعه دادند. این مدل، ساختار تسمه-بدنه انعطافپذیر را با آج جفت میکند. این مدل که از سایر مدلهای موجود متمایز است، به یک نمایش کاملاً پویا از برهمکنشهای تماس تایر و جاده دست مییابد.
این مدل میتواند خواص ویسکوالاستیک و اینرسی آجهای گسسته جداگانه را همراه با یک قانون اصطکاک چسبندگی-لغزش عمومی در نظر بگیرد.
یاماشیتا و همکارانش یک مدل تایر انعطافپذیر مبتنی بر فیزیک ابداع کردند. این مدل میتواند برای تجزیه و تحلیل ویژگیهای ترمزگیری و پیچیدن گذرای تایرها استفاده شود. این مدل، مدل اصطکاک تایر LuGre با پارامتر توزیعشده را با مدل تایر انعطافپذیر ادغام میکند.
این مدل میتواند تنش تماس برشی گذرا را از طریق گسستهسازی مکانی پیشبینی کند. این مدل میتواند کوپلینگ پویا بین تغییر شکل ساختاری تایر و رفتار اصطکاک گذرای تایر را در نظر بگیرد و به این ترتیب به این مسئله بپردازد که مدلهای سنتی حالت پایدار در ثبت اثرات اصطکاک دینامیکی وابسته به تاریخچه شکست میخورند.
به طور خلاصه، از طریق بهینهسازی توپولوژی ساختاری قطعات داخلی، میتوان به اثرات اتلاف گرما و کاهش وزن دست یافت. بهینهسازی ساختار SIR در SSRFT میتواند عملکرد خودرو را در شرایط فشار صفر بهبود بخشد. علاوه بر این، بر اساس این مدلهای انعطافپذیر ذکر شده در بالا، تحقیقات آینده میتواند بر طراحی بهینه تایر برای بهبود عملکرد تماس در شرایط گذرا تمرکز کند و در نتیجه ایمنی هندلینگ خودرو را افزایش دهد.
۲.۲ طراحی سازهای NPT
ساختار NPT سادهتر از یک تایر بادی معمولی است و از سه جزء شامل آج، رینگ و یک ساختار نگهدارنده تشکیل شده است، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است . به جای استفاده از ساختار حفرهای سنتی و هوابندی شده تایرهای بادی، از ساختار نگهدارنده الاستیک برای جایگزینی فشار باد تایر استفاده میشود.
این ویژگی باعث میشود تایر بتواند به خوبی عمل کند. از طریق طراحی مکانیکی تخصصی، عملکردهای یاتاقان، جذب ضربه و غلتش حاصل میشود. علاوه بر این، از خطر ترکیدن تایر ناشی از فشار غیرطبیعی تایر جلوگیری میشود که به طور قابل توجهی ایمنی عملکرد خودرو را افزایش میدهد.
شکل 7. نمودار شماتیک ساختار NPT.
در حال حاضر، محققان متعددی تحقیقاتی روی NPTها با انواع مختلف ساختاری انجام دادهاند. در میان این انواع، نوع ساختار متخلخل، نوع ساختار پرهدار و چرخهای ME غالب هستند.
۲.۲.۱ طراحی ساختاری NPT با ساختار متخلخل
در حال حاضر، بسیاری از شرکتها در زمینه NPTها با ساختار متخلخل به نتایج قابل توجهی دست یافتهاند. مرکز تحقیقات پلیمر در مدیسون، ویسکانسین، ایالات متحده، یک تایر لانه زنبوری شش ضلعی اختراع کرده است ( شکل 8 الف). این تایر از یک ساختار منفذ شش ضلعی منظم استفاده میکند و به یک طرح لانه زنبوری معمولی در ساختارهای متخلخل تعلق دارد. در سال 2017، میشلن یک تایر مفهومی، یک تایر Vision زیست تخریب پذیر چاپ سه بعدی ( شکل 8 ب) را عرضه کرد که ساختار متخلخل بیونیکی شبکه مانند آلوئولها را تقلید میکند.
شکل 8. NPT با ساختار متخلخل: ( الف ) تایر لانه زنبوری شش ضلعی؛ ( ب ) تایر میشلن ویژن.
ساختار لانه زنبوری اساساً یک فرم متخلخل شش ضلعی منظم است. ساختار پشتیبانی شش ضلعی لانه زنبوری که مطابق با اصل لانه زنبوری طراحی شده است (همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است )، توزیع یکنواخت جرم تایر را ممکن میسازد و ظرفیت تحمل بالایی دارد. واحد لانه زنبوری بار را منتقل و انرژی را جذب میکند.
با بهینهسازی پیکربندی لایه طناب تایر پنوماتیک، چرخهای کامپوزیت لانه زنبوری میتوانند آسیب موضعی را کاهش داده و مقاومت در برابر ضربه را بهبود بخشند [ 26 ]. این ساختار برای وسایل نقلیه خارج از جاده، کاربردهای نظامی و ماشینآلات سنگین مناسب است.
شکل ۹. نمای جلویی یک NPT لانه زنبوری شش ضلعی.
بسیاری از محققان تحقیقات گستردهای در مورد NPT های ساختار لانه زنبوری انجام دادهاند. جین و همکارانش سه نوع NPT پره لانه زنبوری با ضخامت دیواره سوراخ و ظرفیت باربری یکسان را از طریق شبیهسازی عددی تجزیه و تحلیل کردند. آنها تأثیر پارامترهای هندسی مختلف را بر ویژگیهای استاتیکی و دینامیکی بررسی کردند. گانیاری و همکارانش رفتار مکانیکی نانولولههای لانه زنبوری و تأثیر پارامترهای هندسی بر مکانیک NPT ها را با استفاده از تحلیل عددی بررسی کردند. ژنگ و همکارانش از روش تاگوچی برای طراحی ترکیبات مختلف پارامتر استفاده کردند. سپس، آنها تأثیر هر پارامتر طراحی را بر سختی چند محوری و ویژگیهای تماس جادهای لاستیکهای لانه زنبوری ارزیابی کردند. این روش راهنمایی نظری دقیقتری برای طراحی NPT های لانه زنبوری ارائه داد.
در سالهای اخیر، به منظور غلبه بر محدودیتهای عملکرد سازههای لانه زنبوری سنتی، محققان بر طراحی نوآورانه اشکال ساختاری نامنظم تمرکز کردهاند. ژائو و همکارانش یک ساختار تکیهگاهی NPT با نسبت پواسون منفی و نوآورانه پیشنهاد کردند.
این ساختار از یک ریزساختار چهارضلعی مقعر سه لایه منحصر به فرد تشکیل شده بود و دارای ویژگیهای نسبت پواسون منفی “فشردهسازی-انقباض” قابل توجهی بود. حداکثر تنش در مقایسه با NPT لانه زنبوری شش ضلعی سنتی به طور قابل توجهی کاهش یافت. زنگ و همکارانش به طور نوآورانه یک ساختار لانه زنبوری U شکل دو بعدی دوگانه را بر اساس نسبت پواسون منفی پیشنهاد کردند. آنها بخش مستقیم ساختار سنتی را با بخش U شکل منحنی کسینوس جایگزین کردند.
این امر به طور موثر زاویه تیز را کاهش داد و به اتصال صاف سازه دست یافت. یانگ و همکارانش شش نوع پره لانه زنبوری با گرادیان ضخامت طراحی کردند. سپس آنها تأثیر گرادیان ضخامت را بر ویژگیهای مکانیکی استاتیک و دینامیکی NPTها بررسی کردند. نتایج نشان داد که طراحی منطقی گرادیان ضخامت میتواند به طور قابل توجهی ظرفیت باربری را بهبود بخشیده و تمرکز تنش را کاهش دهد.
تحقیقات اولیه روی NPTها با ساختارهای متخلخل عمدتاً بر تغییر پارامترهای هندسی ساختار لانه زنبوری متمرکز بود. هدف، دستیابی به هدف بهینهسازی عملکرد بود. در مرحله بعد، به تدریج به بهینهسازی فعال تبدیل شد. از طریق طراحی نوآورانه ساختار، نسبت پواسون منفی و ساختارهای متخلخل کروی پیشنهاد شدند. برای برآورده کردن الزامات بهبود عملکرد NPT، نوآوریهای زیادی در مورد ساختارهای لانه زنبوری ارائه شده است. با این حال، تحقیقات هنوز به اندازه کافی عمیق نیستند.
در آینده، میتوان از فناوری شبیهسازی عددی پیشرفته برای تجزیه و تحلیل عمیق توزیع تنش ساختارهای لانه زنبوری در شرایط کاری پیچیده استفاده کرد. در عین حال، میتوان از یک الگوریتم بهینهسازی چند هدفه برای ایجاد یک مدل بهینهسازی پارامتر دقیق همراه با الزامات صحنههای مختلف استفاده کرد. تأثیر پارامترهای مختلف ساختاری بر عملکرد تایر به طور جامع بررسی خواهد شد.
۲.۲.۲ طراحی سازهای پره-ساختار NPT
نوع ساختار پره، طراحی پره بیونیک را اتخاذ میکند که معمولاً از یک توپی، پرههای ساخته شده از فلز یا مواد کامپوزیتی با استحکام بالا و آج تشکیل شده است. ضربه از طریق تغییر شکل الاستیک پرهها جذب میشود، در حالی که یک سیستم پره سفت و سخت وزن خودرو را تحمل میکند. ساختارهای پره در NPTها اشکال مختلف و ویژگیهای متمایزی را نشان میدهند: پره منفرد منحنی میتواند به طور انعطافپذیری با تنش موضعی سازگار شود. پرههای لانه زنبوری شش ضلعی میتوانند فشار را به طور یکنواخت پراکنده کنند و ظرفیت تحمل عالی دارند. پرههای لانه زنبوری چند ضلعی میتوانند پس از بهینهسازی به سختی عمودی و نسبت وزن بالاتری دست یابند که منجر به طراحی سبک وزن لاستیکها میشود.
در سال 2005، میشلن برای اولین بار Tweel را معرفی کرد، همانطور که در شکل 10 الف نشان داده شده است. ساختار اصلی شامل یک توپی، پرههای پلی اورتان (PU)، یک نوار برشی و یک آج لاستیکی است. در سال 2015، صنایع لاستیکی سومیتومو تایر نوآورانه Gyroblade ( شکل 10 الف) را معرفی کرد که دارای یک ساختار پشتیبانی منحصر به فرد است. شش جفت پره رزینی برگ شکل به طور مساوی در امتداد محیط رینگ توزیع شدهاند. این ساختار میتواند به طور موثر فشار بار را در حین رانندگی پراکنده کند و فشار تماس یکنواخت تایر با جاده را تضمین کند. در سال 2019، میشلن تایر سیستم تایر مقاوم در برابر پنچری (UPTIS) منحصر به فرد را عرضه کرد ( شکل 10 الف). این تایر از یک رینگ، پرهها، یک صفحه تقویت کننده، یک آج و لایههای تقویت کننده سیم فولادی داخلی و خارجی تشکیل شده بود.
شکل 10. NPT های با ساختار پره دار: ( الف ) ژیروبلید؛ ( ب ) UPTIS.
در سالهای اخیر، ویژگیهای مکانیکی به نقطه ورود اصلی محققانی تبدیل شده است که NPT های با ساختار پره را مطالعه میکنند. راگساج و همکارانش یک مدل المان محدود (FEM) از NPT ها با شکلهای مختلف پره ایجاد کردند. این مدل، که بر اساس تایر همهکاره Tweel 12N16.5 SSL میشلن ( شکل 11 الف) ساخته شده است، برای بررسی چگونگی تأثیر هندسه پره بر حداکثر سختی و حداقل تنش موضعی به کار گرفته شد. فو و همکارانش یک NPT جدید با ساختار پره انعطافپذیر پیشنهاد کردند. به طور خاص، آنها از کوپلینگ ترتیبی ترمومکانیکی برای تجزیه و تحلیل ویژگیهای کوپلینگ ترمومکانیکی تایر در شرایط کاری مختلف استفاده کردند. فو و همکارانش عمر خستگی یک NPT با پره نرم مشبک را پیشبینی کردند و چگونگی تأثیر پارامترهای ساختاری بر عمر خستگی را تجزیه و تحلیل کردند. در این تحقیق، از روش انتشار ترک نرخ آزادسازی انرژی انتگرال J استفاده شد. کو و همکارانش یک مدل تحلیل عددی سهبعدی برای یک NPT با پره انعطافپذیر جدید توسعه دادند. آنها با ترکیب نظریه غلتش حالت پایدار تایر، شبیهسازیهایی از ویژگیهای مکانیکی حالت پایدار را تحت شرایط مختلف انجام دادند و منحنیها و قوانین مشخصه مربوطه را به دست آوردند.
شکل 11. لاستیکهای NPT با ساختار پره: ( الف ) لاستیک همهجارو Tweel 12N16.5 SSL، ( ب ) لاستیک NPT با پره V،
( ج ) لاستیک NPT با پره X، ( د ) لاستیک NPT مارپیچ فیبوناچی.
بر اساس تحقیقات انجام شده در مورد ساختارهای پایه پرهها، برخی از محققان بر طراحی نوآورانه پرهها با اصول بیونیک تمرکز کردهاند. ژانگ و همکارانش یک NPT بیونیک با پرههای انعطافپذیر طراحی کردند. آنها از ساختارهای اندام عقبی کانگورو الهام گرفتند و سپس ویژگیهای مکانیکی آن را تحت بارهای متغیر تجزیه و تحلیل کردند. شوای و همکارانش یک NPT با پرههای V شکل (نمونه نشان داده شده در شکل 11 ج) را پیشنهاد کردند و شبیهسازیها و آزمایشهایی را برای بررسی چگونگی تأثیر پارامترهای طراحی بر مکانیک تایر انجام دادند. راگساج و همکارانش یک NPT با پرههای X شکل برای وسایل نقلیه نظامی توسعه دادند (شکل 11 د) و ویژگیهای غلتشی و سختی عمودی آن را مقایسه کردند.
در مطالعات پارامترهای ساختاری، لیو و همکارانش پرههایی را برای یک NPT مارپیچ فیبوناچی (FS-NPT) طراحی کردند. این طراحی بر اساس ویژگیهای سختی سهبعدی آن انجام شد و چگونگی تأثیر ضخامت پره، شعاع اولیه مارپیچ فیبوناچی و عرض پره بر سختی FS-NPT را تجزیه و تحلیل کردند.
سان و همکارانش از نظریه تیر تیموشنکو برای ایجاد یک مدل مکانیکی برای NPTهای پره کامپوزیتی استفاده کردند. آنها از روش سطح پاسخ برای مطالعه همبستگی بین پارامترهای ساختاری کلیدی و سختی عمودی استفاده کردند. نی و همکارانش یک ساختار NPT پره کامپوزیتی جدید پیشنهاد کردند. آنها رابطه بین فرورفتگی تایر و تداخل حرکت بین واحدهای پشتیبانی مجاور را تحت ضخامتهای مختلف مقطع قوس دایرهای دوگانه بررسی کردند.
نکته قابل توجه این است که واحدهای پشتیبانی آسیبدیده را میتوان به صورت جداگانه تعویض کرد و هزینههای عملیاتی را کاهش داد. ژو و همکارانش بررسی کردند که چگونه ضخامت پرههای جانبی بر سختی شعاعی و جانبی در NPTهای لانه زنبوری تأثیر میگذارد. با تغییر ضخامت پرهها، استفاده از نمونهگیری لاتین هایپرکیوب برای ساخت مدلهای جایگزین و بهکارگیری NSGA-II برای بهینهسازی چندهدفه، آنها به بهینهسازی مشارکتی دو ویژگی سختی دست یافتند.
در ابتدا، تحقیقات روی NPT های با ساختار پره بر ویژگیهای مکانیکی طرحهای اولیه پره متمرکز بود. بعدها، تمرکز به تنظیم پارامترهای ساختاری و نوآوریهای پرههای الهام گرفته از بیونیک تغییر یافت.
۲.۲.۳ طراحی سازهای چرخ ME
تیم تحقیقاتی پروفسور ژائو یوکون از دانشگاه هوانوردی و فضانوردی نانجینگ، یک طرح طراحی ارائه داد. این طرح یک چرخ ایمنی ME با ساختار غیر پنوماتیکی است، همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است . این طرح عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است: چرخ الاستیک، گروه لولا و توپی سیستم تعلیق. از خاصیت ارتجاعی ساختار مکانیکی برای جایگزینی خاصیت ارتجاعی تورم لاستیک در لاستیکهای پنوماتیک سنتی استفاده میشود. بر اساس برآورده کردن عملکردهای لازم لاستیکهای پنوماتیک، این طرح همچنین دارای ویژگیهای مقاومت در برابر ضربه، جلوگیری از آسیب و ظرفیت تحمل بالا است. نوآوری اصلی آن این است که ساختار یاتاقان نوع توپی و گروه حلقه-لولا الاستیک را به طور مشترک تغییر شکل میدهد. این مکانیسم تغییر شکل مشترک میتواند نقصهای وابسته به فشار لاستیکهای پنوماتیک سنتی را برطرف کند. علاوه بر این، میتواند تحمل پایدار و پاسخ دینامیکی را در شرایط کاری پیچیده محقق کند.
شکل ۱۲. ساختار چرخ ME: ۱. مهره، ۲. گروه لولا، ۳. توپی، ۴. لایه لاستیکی، ۵. حلقه الاستیک و ۶. گیره حلقه الاستیک.
وانگ و همکارانش یک چرخ ME جدید برای یک وسیله نقلیه چرخدار خاص پیشنهاد دادند. همانطور که در شکل 13 نشان داده شده است ، چرخ در درجه اول از یک حلقه لاستیکی محرک، حلقه الاستیک، گیره حلقه الاستیک، توپی، فنر برگشتی، پین و لولا و غیره تشکیل شده است.
برای پرداختن به مسئله طراحی تکراری هنگام تنظیم ابعاد ساختاری یا بررسی استحکام چرخهای ME، یان و همکارانش یک پلتفرم طراحی چرخ ME توسعه دادند. بر اساس طراحی پارامتری و نظریه توسعه ثانویه Pro/E، این پلتفرم امکان بررسی خودکار ابعاد ساختاری، تولید مدل سهبعدی و مونتاژ مجازی را فراهم میکند. آنها تجزیه و تحلیل مکانیکی ساختار چرخ را برای روشن شدن طبقهبندی پارامترهای مهم ساختاری انجام دادند. در عین حال، آنها روش ایجاد رابطه محدودیت پارامتر از بالا به پایین را شرح دادند.
شکل ۱۳. چرخ ME جدید برای یک وسیله نقلیه چرخدار خاص: ۱. لولای ۱، ۲. لولای ۲، ۳. لولای ۳، ۴. گروه لولا، ۵. شفت پین، ۶. حلقه بیرونی چرخ، ۷. فنر برگشتی، ۸. توپی، ۹. حلقه الاستیک، ۱۰. گیره ترکیبی حلقه الاستیک.
به منظور کاهش وزن چرخ ME، فنگ و همکارانش شرایط کاری چرخ را تحت بار گشتاور خمشی و بار شعاعی بررسی کردند. آنها روش اجزای محدود (FEM) را ایجاد کردند و تجزیه و تحلیل شبیهسازی را برای تعیین بار گروه توپی و لولا انجام دادند. آنها از روش چگالی متغیر وزنی برای بهینهسازی توپولوژی گروه توپی و لولا استفاده کردند و مدل سهبعدی را پس از بهینهسازی بازسازی کردند.
نتایج نشان داد که کیفیت توپی و لولای بهینه شده تا حدی کاهش یافته است. تحت شرایطی که ساختار مشابه مدل چرخ واقعی بود، جیانگ و همکارانش روش اجزای محدود چرخ ME را ایجاد کردند. آنها از روش اجزای محدود برای دستیابی به هماهنگی ساختاری بین چرخ و تابع بازگشت فنر استفاده کردند. سختی شعاعی چرخ توسط نرمافزار ANSYS محاسبه شد. طول هر بخش از پره به عنوان متغیر طراحی در نظر گرفته شد. علاوه بر این، سختی شعاعی تایر به عنوان هدف بهینهسازی در نظر گرفته شد. الگوریتم برنامهریزی درجه دوم متوالی (SQP) برای بهینهسازی ساختار چرخ استفاده شد.
به منظور بهینهسازی بیشتر عملکرد چرخ، لی و همکارانش از مدل تئوری برس برای ایجاد یک مدل نظری سادهشده از چرخش حالت پایدار چرخ ME استفاده کردند. در همین حال، آنها تأثیر پارامترهای ساختاری بر ویژگیهای چرخش چرخ ME را تجزیه و تحلیل کردند. محققان یک مدل پیشبینی واژگونی غیرخطی 3 درجه آزادی (3-DOF) از کل وسیله نقلیه منطبق با چرخ ME ایجاد کردند.
این مطالعه نرخ انتقال بار بهبود یافته را به عنوان شاخص ارزیابی پایداری چرخش در نظر گرفت. علاوه بر این، آنها تأثیر ویژگیهای مکانیکی چرخش چرخ بر پایداری چرخش را مطالعه کردند. نتایج نشان داد که پارامترهای ساختاری گروه لولا تأثیر کمی بر ویژگیهای چرخش دارند. سه تغییر میتواند سختی چرخش چرخ و اوج نیروی جانبی را افزایش داده و پایداری چرخش وسیله نقلیه مجهز به چرخهای ME را بهبود بخشد. تنظیمات به شرح زیر است: افزایش مناسب ارتفاع توزیع حلقه الاستیک، کاهش نسبت ابعاد بخش الاستیک چرخ و کاهش مدول برشی اولیه.
با عمیقتر شدن تحقیقات، این تیم مجموعهای از چرخهای الاستیک جدید، مانند چرخهای کامپوزیت هیدرولیکی، چرخهای الاستیک ضد واژگونی و چرخهای الاستیک قطعهای را نیز توسعه داد.
علاوه بر انواع ساختاری فوق، ساختار صفحه پره نیز توجه زیادی را به خود جلب کرده است. ژو و همکارانش نوع جدیدی از تایر پلاستیکی صفحه پره را پیشنهاد کردند و عملکرد اتصال به زمین و ویژگیهای مکانیکی آن را تحت شرایط بار استاتیک بررسی کردند. این تایر، پرههای پلی اورتان را با یک آج لاستیکی ترکیب میکند ( شکل 14 ).
این تایر صفحه پره، برخلاف تایرهای NPT معمولی از نوع پره، از طریق پرههای پلی اورتان یکپارچه، پشتیبانی بار و بافرینگ را انجام میدهد. همچنین از نظر عملکرد اتصال به زمین و ویژگیهای مکانیکی، مزایای منحصر به فردی را نشان میدهد. میتواند به یک اثر اتصال به زمین معقولتر، توزیع یکنواختتر فشار اتصال به زمین و سختی شعاعی بالاتر دست یابد.
شکل ۱۴. تایر پلاستیکی با صفحه پره. ( الف ) تاج تایر: ۱. لاستیک آج، ۲. طنابهای فولادی تسمه. ( ب ) صفحه پره: ۳. لایه ضربهگیر، ۴. صفحه نگهدارنده، ۵. صفحه وب (الاستومر PU).
به طور خلاصه، از طریق تنظیم پارامترها و طراحی نوآورانه ساختار متخلخل، اهداف افزایش ظرفیت بار، کاهش تمرکز تنش و بهبود عملکرد تایر محقق میشوند. از مزایای ساختار پره برای طراحی بهینه جهت دستیابی به وزن سبک و ظرفیت تحمل بار بهبود یافته استفاده میشود. برخی بهینهسازیها برای بهبود قابل توجه مقاومت ضربهای چرخ، یکنواختی تحمل بار و سازگاری با شرایط پیچیده جاده اعمال میشوند. این موارد شامل طراحی ساختار یاتاقان توپی سیستم تعلیق، پارامترهای گروه حلقه الاستیک و چیدمان گروه لولای چرخ ME است.
در حال حاضر، دستاوردهای قابل توجهی در تحقیقات ساختاری لاستیکهای پنوماتیک و NPT حاصل شده است. فراتر از محتوای تحقیقاتی که در بالا بررسی شد، بهینهسازی ویژگیهای حرارتی و کاهش نویز نیز از جهات مهم توسعه برای لاستیکهای ایمنی هستند. با این حال، هنوز کمبود چنین تحقیقاتی وجود دارد. تحقیقات آینده باید بر بهینهسازی طراحی حرارتی ساختارهای این لاستیکها برای افزایش عملکرد ترمودینامیکی تمرکز کند. علاوه بر این، بهینهسازی الگوی آج و خواص میرایی آکوستیک ساختارهای متخلخل و پرهدار میتواند برای رفع چالشهای موجود در زمینه نویز مورد استفاده قرار گیرد.