非充氣輪胎的研究與發(fā)展

馬祎涵,程 鋼,原政軍,秦 健

（1.山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué),濟(jì)南 250001;2.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,濟(jì)南 250101）

非充氣輪胎的研究與發(fā)展

馬祎涵1,程 鋼2,原政軍2,秦 健2

（1.山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué),濟(jì)南 250001;2.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,濟(jì)南 250101）

對(duì)非充氣輪胎的基本結(jié)構(gòu)及發(fā)展作了詳細(xì)闡述，列舉了近幾年非充氣輪胎的代表產(chǎn)品，分析了非充氣輪胎的技術(shù)現(xiàn)狀。從垂向力學(xué)、縱向力學(xué)、側(cè)向力學(xué)、接地特性、振動(dòng)特性等方面，綜述了國(guó)內(nèi)外非充氣輪胎力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀，分析了目前非充氣輪胎結(jié)構(gòu)存在的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

非充氣輪胎；聚氨酯；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；力學(xué)特性

1 引言

圓形的車輪是人類歷史上上最古老、最重要的發(fā)明。車輪材料也從石頭、木頭到橡膠不斷變化。在橡膠材質(zhì)的輪胎剛開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)，輪胎是實(shí)心的。直到19世紀(jì)末，鄧祿普發(fā)明了充氣輪胎。之后，充氣輪胎成為了世界的主流，相繼誕生了無(wú)內(nèi)胎輪胎、子午線輪胎、跑氣保用輪胎等多種新技術(shù)，但不變的是它們都需要充氣。輪胎是車輛與地面接觸的唯一的部分，依據(jù)交通部門的統(tǒng)計(jì)，漏氣、爆胎及橡膠材料的磨損、氣壓的不穩(wěn)定等引發(fā)的各種交通事故居高不下。而在軍事方面，普通充氣輪胎也無(wú)法承受輕武器和地雷的打擊[1]。鑒于傳統(tǒng)充氣輪胎的不足，各大輪胎企業(yè)推出了各種各樣的新型輪胎，其中最具有革命性意義的是非充氣輪胎的革新發(fā)展[2]。

2 非充氣輪胎技術(shù)現(xiàn)狀

由于非充氣輪胎不依靠空氣支撐車輛的重量和增加輪胎彈性，且具有防扎、防爆等特點(diǎn)，車輛行駛安全性得到很大的提高。國(guó)外對(duì)非充氣輪胎的研發(fā)較早的是米其林公司和普利司通等公司，這兩家公司在全球非充氣輪胎專利授權(quán)數(shù)量上也處在領(lǐng)先地位[3]。

2005年米其林公司率先提出Tweel非充氣輪胎，它包括輪轂、聚氨酯輪輻、剪切帶和胎面膠等。2008年美國(guó) Resilient技術(shù)公司和威斯康星州大學(xué)利用仿生學(xué)原理開(kāi)發(fā)出一種新型非充氣輪胎—蜂窩輪胎，供軍用車輛使用。2011 年?yáng)|京汽車展上普利司通推出了第一代放射螺旋網(wǎng)狀構(gòu)造的無(wú)充氣輪胎。2013年在東京車展上，日本普利司通公司推出第二代AirFree concept非充氣概念輪胎[4]。輪胎材料采用高強(qiáng)度、高柔軟性的樹(shù)脂材料，其網(wǎng)狀輪輻呈網(wǎng)格狀，且延伸方向內(nèi)外相反，如圖1所示。

2014年4月北汽集團(tuán)推出了新型負(fù)泊松比非充氣輪胎，如圖2所示。該輪胎采用最新研發(fā)的負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)環(huán)環(huán)相扣的內(nèi)部支撐體吸收能量，實(shí)現(xiàn)單一材料無(wú)法達(dá)到的特性。

圖1 AirFree concept輪胎

圖2 北汽負(fù)泊松比輪胎

2015年1月米其林宣布在美國(guó)南卡羅來(lái)納州的工廠正式產(chǎn)MICHELIN X TWEEL非充氣輪胎，如圖3所示。 MICHELIN X TWEEL使用了一組用于支撐輪胎本體且直接與胎體結(jié)構(gòu)層相連的硬性輪輞，采用同時(shí)能夠具備彈性和易變型特征的聚亞安酯打造，最外層使用橡膠胎面結(jié)構(gòu)層負(fù)責(zé)包裹。

2015年11月美國(guó)Britek Tire和Rubber公司宣布研制并開(kāi)發(fā)了新型能量反饋輪胎（ERW），如圖4所示。該輪胎不用充氣，而且在行駛中輪胎受到來(lái)自地面的擠壓時(shí)，儲(chǔ)存在輪胎內(nèi)部的動(dòng)能就能釋放出來(lái)反作用于路面，為車輛前進(jìn)提供部分動(dòng)力。同時(shí)，擠壓力還能保證輪胎貼合地面，不會(huì)像充氣輪胎一樣彈起。

圖3 X TWEEL輪胎

圖4 能量反饋輪胎

韓泰輪胎公司在2015年上海車展上推出四款概念型非充氣輪胎。

（1）Boostrac輪胎具有最佳的沙地及泥地牽引力。由圖5（a）中可以看到Boostrac胎紋巨大且凸起，整個(gè)胎面采用了模塊化設(shè)計(jì)，胎面共有120個(gè)六邊形花紋塊，其胎面花紋還具有從適用泥沙路面轉(zhuǎn)換為適合鋪裝路面使用的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換功能。

（2）Alpike輪胎的雪地防滑牽引性能優(yōu)異，其增大的輪轂和輪胎外徑使得汽車離地間隙更大，能夠有效改善在冰雪路面行駛的舒適度。如圖5（b）所示，Alpike還具有胎面暗釘，由16片獨(dú)立的花紋塊組成，具有與Boostrac輪胎一樣的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換功能。

（3）Hyblade輪胎采用了“刀鋒”形的花紋結(jié)構(gòu)，如圖5（c）所示。當(dāng)車輛行駛在積水路面時(shí)，可以“劃開(kāi)”水膜獲得強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。胎面采用了混合結(jié)構(gòu)，可以有效防止?jié)竦卮蚧F(xiàn)象的發(fā)生。

（4）iFlex非充氣概念輪胎95%使用了可循環(huán)材質(zhì)。其外層胎面直接接觸地面；內(nèi)部輻條與外層胎面有機(jī)結(jié)合，達(dá)到分散外部壓力的作用；輪胎內(nèi)部采用獨(dú)特的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供支撐，可將進(jìn)入的石子等雜質(zhì)用特殊的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)將其排除；中央框架連接著外層胎面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖5（d）所示。

老大媽推著嬰兒車走了，突然，蘇母問(wèn)他：婷婷是不是也快生了？蘇穆武不解地：生什么？蘇母說(shuō)：外孫呀！結(jié)婚前她不是說(shuō)懷孕了嗎？蘇穆武恍然地：我把這檔子事差點(diǎn)忘了。蘇母沉吟地：奇怪，怎么一點(diǎn)看不出來(lái)呢？

圖5 韓泰非充氣輪胎

2016年4月，鄧祿普推出了GYROBLADE非充氣輪胎，將金屬輪圈、特殊樹(shù)脂輪輻和橡膠胎面結(jié)合起來(lái)，如圖6所示。該非充氣輪胎的輪輞采用一體化設(shè)計(jì)，其輪輞和彈性輪輻通過(guò)變形能夠更有效吸收顛簸產(chǎn)生的動(dòng)能。

2016年4月北京國(guó)際汽車展覽會(huì)上，萬(wàn)力輪胎推出了Alpha-T非充氣概念輪胎，如圖7所示。該輪胎跟輪轂一體化，采用無(wú)氣孔技術(shù)硫化生產(chǎn)，內(nèi)部由17個(gè)獨(dú)立單元組成，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)及生產(chǎn)。Alpha-T能通過(guò)智能化控制自動(dòng)檢測(cè)路況，在普通路面上行駛時(shí)，輪胎的行駛面自動(dòng)處于收縮狀態(tài)；在泥濘或冰雪路面上行駛時(shí)，輪胎會(huì)自動(dòng)伸張，其直徑變大，花紋溝變寬，以提供最佳的抓著力。

2017年6月米其林發(fā)布了一款3D打印Visionary Concept非充氣輪胎，如圖8所示。該輪胎由可生物降解的有機(jī)材料制成，呈蜂窩狀仿生結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)可以優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)、減輕重量，胎面還可以噴膠、翻新進(jìn)行修復(fù)。用戶購(gòu)買的時(shí)候可以根據(jù)行車環(huán)境、天氣變化等方面來(lái)定制自己的輪胎。

2017年9月，固特異推出TurfCommand非充氣輪胎，如圖9所示。該輪胎應(yīng)用DuraWeb技術(shù)，采用熱塑性連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了剛性與柔韌性的巧妙融合，在確保良好載重能力的同時(shí)，可變形并吸收沖擊能量，保障車輛行駛的平順性。

3 非充氣輪胎力學(xué)特性研究

非充氣輪胎采用聚氨酯類材料輪輻外加胎面的結(jié)構(gòu)，其幾何結(jié)構(gòu)和材料性能參數(shù)對(duì)車輪的滾動(dòng)阻力、垂直剛度和接觸壓力的影響較大[5]，國(guó)內(nèi)外研究人員基于理論建模、數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)等方法，對(duì)非充氣輪胎的力學(xué)特性做了大量的研究工作。

非充氣輪胎相比較于普通輪胎來(lái)說(shuō)垂向剛度小一些。Veeramurthy等[6]采用有限元法研究了輪輻厚度、剪切帶厚度和聚氨酯剪切模量對(duì)滾動(dòng)阻力、垂直剛度和接觸壓力的影響。研究結(jié)果表明，輪輻厚度、胎圈厚度和PU材料的剪切模量對(duì)Tweel輪胎性能影響較大。

圖6 GYROBLADE輪胎

圖7 Alpha-T輪胎

圖8 Visionary Concept輪胎

圖9 TurfCommand輪胎

Narasimhan等[8]研究了PU材料制造的Tweel非充氣輪胎在高速滾動(dòng)中垂直剛度、輪輻振動(dòng)和地面反力的變化。非充氣輪胎在行駛中，輪輻會(huì)進(jìn)入接地區(qū)并彎曲變形，隨后輪輻在離開(kāi)接地區(qū)時(shí)，會(huì)由彎曲狀態(tài)迅速恢復(fù)成張緊狀態(tài)，在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，可變形輪輻會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)，導(dǎo)致行駛中的車輪噪聲和振動(dòng)。

4 結(jié)論

非充氣輪胎在材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與傳統(tǒng)充氣輪胎相比都有較大的不同，更現(xiàn)代化、更簡(jiǎn)潔。非充氣輪胎摒棄了作為充氣輪胎重要組成部分的壓縮空氣，其輪輞和輪輻可以通過(guò)彈性變形吸收來(lái)自地面顛簸的能量以減輕振動(dòng)，具有免維護(hù)、免爆胎、免泄露的功能。

由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，非充氣輪胎自身也存在一些缺陷。輪輻與胎面是間隔非連續(xù)聯(lián)接，輪胎的剛度變化不均勻，非充氣輪胎在高速行駛狀況下會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的噪聲。另外，非充氣輪胎的支撐體是裸露在外面的，如若在積雪、泥濘路段行駛，帶有附著效應(yīng)的積雪、泥土或碎石可能會(huì)進(jìn)入并堆積在支撐體的間隙中，影響輪輻的變形；伴隨著非充氣輪胎的滾動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)受到損壞，進(jìn)而產(chǎn)生較大的滾動(dòng)阻力。如果高速行駛，車輪產(chǎn)生的熱量較大，將會(huì)導(dǎo)致輪輻、胎圈材料性能的失效，所以非充氣輪胎目前還不能承受較高的行駛速度，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和新型輪胎材料是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

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[2]蘇博,張浩成.全球非充氣輪胎市場(chǎng)概況及專利技術(shù)分析[J].中國(guó)橡膠,2013,29(20):22-26.

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973計(jì)劃“機(jī)械裝備再制造的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”（2011CB013403）。