國內(nèi)外非充氣輪胎研究概況

劉偉婧，路 波，葛金虎，劉曉芳

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

21世紀輪胎產(chǎn)品呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢。輪胎按照簾線排列方式可分為斜交輪胎和子午線輪胎，根據(jù)不同的組成結(jié)構(gòu)可分為無內(nèi)胎充氣輪胎和有內(nèi)胎充氣輪胎，按照胎體結(jié)構(gòu)又可分為實心輪胎和充氣輪胎[1]。近年來，隨著高分子材料的迅猛發(fā)展，聚氨酯（PU）彈性材料、熱塑性樹脂材料逐漸受到各大輪胎公司的密切關注，成為非充氣輪胎主要位置首選材料，為輪胎家族注入了介于實心輪胎與充氣輪胎之間的新成員。國內(nèi)外輪胎企業(yè)和高校對非充氣輪胎展開了大量的探索研究。本文簡要介紹國內(nèi)外非充氣輪胎的研究進展。

1 國外非充氣輪胎研究進展

非充氣輪胎不依靠氣體支撐輪胎，也沒有傳統(tǒng)輪胎的輪輞，因此具有不怕扎、彈性好、耐磨、滾動阻力小等特性。國外開始非充氣輪胎的研究比較早，尤其是米其林和普利司通等公司對非充氣輪胎的研究已經(jīng)脫離概念的范疇，進入試驗測試階段，并逐漸從彈性填充材料壓縮變形的底部承載形式向依靠支撐體結(jié)構(gòu)伸張變形的頂部承載方式轉(zhuǎn)變。

1.1 米其林公司

世界輪胎巨頭法國米其林公司于2005年研發(fā)了一款Tweel非充氣輪胎（如圖1所示），成為了非充氣輪胎的先驅(qū)?，F(xiàn)代輪胎必須由壓縮空氣承載負荷的做法被徹底改變了，取而代之的是輪胎與輪輞一體化的設計理念。

圖1 Tweel非充氣輪胎

Tweel非充氣輪胎包括輪轂、高強度聚氨酯輪輻、直接繞在輪輻外面的剪切帶和胎面，沒有中間過渡的充氣內(nèi)胎。其具有以下優(yōu)良性能:安全不爆胎；橫向及縱向剛性可獨立設計；胎面耐磨并且可模塊化更換，節(jié)能環(huán)保；胎面花紋設計可以產(chǎn)生足夠的抓著力和抗?jié)窕阅?，滾動阻力較小等。Tweel非充氣輪胎已應用于多種場合，如滑移裝載機、割草機、NASA月球車、載重機械、工程車輛等。其應用代表著非充氣輪胎已從理念設計進入到實體階段。

之后米其林公司又推出了Airless非充氣輪胎，徑向有115條帶有玻璃纖維的樹脂環(huán)，與橡膠胎面粘合，二者鑲嵌式連接，不需要維護保養(yǎng)[2]。高強度胎體為無數(shù)輻射狀結(jié)構(gòu)，在橫向、縱向和徑向的彈性得到較好地控制，提高了車輛行駛的安全性和乘坐舒適性。

2019年米其林公司與通用汽車公司合作推出了Uptis非充氣輪胎，如圖2所示。這款輪胎采用玻璃纖維填充的高強度樹脂材料，具有安全穩(wěn)定、無需經(jīng)常維護、節(jié)約原料的特點。Uptis非充氣輪胎在結(jié)構(gòu)和復合材料方面實現(xiàn)了突破性創(chuàng)新，并且計劃于2024年前廣泛應用于乘用車。

圖2 Uptis非充氣輪胎

1.2 普利司通公司

2011年普利司通公司推出了第1代放射螺旋網(wǎng)狀構(gòu)造的非充氣輪胎，如圖3所示。該輪胎裝配了兩組熱塑性樹脂材料的輻條，分別以順時針和逆時針方向裝配在輪輞上，且每根輻條的內(nèi)外周側(cè)均與車輪中心呈約45°角[3]。它在翻越障礙物時，具有一定的彈性，保證了乘坐舒適性。

圖3 普利司通第1代非充氣輪胎

2013年普利司通公司發(fā)布了第2代非充氣輪胎AirFree，如圖4所示。該輪胎仍然采用了橡膠胎面和熱塑性材料成型的輪輻。與第1代產(chǎn)品相比，第2代非充氣輪胎的最大負荷從100 kg提高至410 kg，最大行駛速度由6 km·h-1提高到60 km·h-1，同時擁有更低的滾動阻力，可大幅減小二氧化碳的排放量。這款輪胎通過革命性的新型設計使輪胎的承載能力、環(huán)保性能和行駛速度均得到了進一步提升[1]。目前，這款產(chǎn)品已成功試用于日本的老年人專用電動代步車。

圖4 AirFree概念輪胎

1.3 固特異輪胎公司

美國固特異輪胎公司從20世紀70年代展開了對PU實心輪胎的研究，將PU材料粘接在輪輞上，車軸上直接安裝輪輞使用，PU實心輪胎的配方及工藝均已獲美國專利[4]。一款名為“TurfCommand”的非充氣輪胎于2017年推出，如圖5所示，固特異將其應用于割草機上。這款輪胎的輪輻由熱塑性材料制成，并將胎面與輪輞連接起來，在保證輪胎剛度的前提下兼顧柔韌性，使割草機能在重載狀態(tài)下保持平穩(wěn)行駛并減少對草皮的破壞。

圖5 TurfCommand非充氣輪胎

此外，固特異推出了球形概念輪胎Eagle 360 urban，這款輪胎為全行業(yè)指引了一種全新的輪胎裝載與更換方案。2018年，固特異帶來了能物聯(lián)、能呼吸、還能種上苔蘚提供氧氣的3D打印概念輪胎Oxygene。2019年固特異帶來了飛行概念輪胎AERO，它適用于公路行駛，能將車輛動力傳輸至路面并吸收道路的反作用力；同時也可充當汽車飛行器的推進系統(tǒng)，為汽車提供向上的推力。2020年固特異推出了全新的概念輪胎Recharge。這款輪胎采用輕量化、免充氣結(jié)構(gòu)及高窄胎設計。整個輪子是100%可生物降解的，其胎面基材由生物材料制成，輪輻也被靈感源自蜘蛛絲的天然強化纖維所代替。Recharge輪胎的核心技術在于它的獨立膠囊，當膠囊插進輪胎中心時，膠囊內(nèi)填充的液體就會釋放到胎面基材上，其含有100%可生物降解的增強纖維的胎面還可根據(jù)磨損程度自動從膠囊中泵出補充胎面液體。膠囊里的液體胎面配方可基于人工智能技術進行個性化定制。

1.4 韓泰公司

韓泰公司在非充氣輪胎領域做了大量的研究工作。2013年，韓泰發(fā)布了名為i-Flex的非充氣輪胎，如圖6所示。這款輪胎由PU材料制成，側(cè)面采用蜘蛛網(wǎng)式結(jié)構(gòu)，并有一個花瓣形的強化支撐結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大大減小。i-Flex輪胎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復雜，每個均勻分布的小凸起都是一個微型減震器，可有效改善輪胎的震動、噪聲與油耗問題。

圖6 i-Flex非充氣輪胎

在2015年的上海車展上，韓泰公司展示了3款概念輪胎，如圖7所示。

圖7 韓泰概念輪胎

第1款Boostrac輪胎，致力于在沙地及泥地提供強大的牽引力，可在復雜的地形、陡峭的山路甚至沙漠地帶行進，能夠給車輛提供最大的牽引力。其胎面花紋采用六邊形結(jié)構(gòu)設計，數(shù)量達到120個，并且可以實現(xiàn)花紋結(jié)構(gòu)變換功能，可從適應泥沙路面轉(zhuǎn)換為鋪裝路面行駛。

第2款Alpike輪胎，致力于在雪地有理想的牽引效果，輪轂與輪胎外徑增大使汽車離地間隙更大，能有效改善冰雪路面的駕控體驗。同時，Alpike輪胎具有獨特的暗釘設計。

第3款Hyblade輪胎采用了“刀鋒”形的花紋結(jié)構(gòu)，當車輛在積水路面通行時，輪胎可“劃開”水膜，有效應對暴雨天氣或積水路況輪胎打滑問題的發(fā)生，由此帶來最佳的濕地表現(xiàn)。

此外，韓泰公司又連續(xù)推出了胎面速度可變、胎面花紋可變、胎面接觸面積可變以及磁懸浮4款新概念輪胎。這4款輪胎都采用了組合設計的方式，各部分相互配合以提升輪胎的性能，設計感十足。

1.5 固鉑輪胎公司

2008年，美國固鉑輪胎公司與威斯康辛州麥迪遜聚合物研究中心合作研制出了蜂窩狀車輪，如圖8所示。它主要由胎圈、蜂窩狀輪輻和輪轂組成。其中，蜂窩狀輪輻利用仿生學原理，利用六邊形結(jié)構(gòu)互相支撐形成蜂窩狀。這種蜂窩結(jié)構(gòu)的車輪在滿足良好減震性能的同時，可最大限度地提高車輪強度；它在降低噪聲和輪胎摩擦生熱上也比普通輪胎更優(yōu)。目前，美國軍用悍馬已開始使用這種輪胎。

圖8 蜂窩狀輪胎

2 國內(nèi)非充氣輪胎研究進展

2.1 北京汽車股份有限公司

2014年，北京汽車股份有限公司與美國密歇根大學馬正東教授合作研發(fā)了一款基于三維負泊松比結(jié)構(gòu)的非充氣輪胎，稱之為N-輪，如圖9所示。該輪胎主要由負泊松比結(jié)構(gòu)的V形支撐體、橡膠緩沖帶、橡膠胎面和輪圈組成。負泊松比結(jié)構(gòu)的剛度隨著接地區(qū)域受力的增大而增大。

圖9 負泊松比結(jié)構(gòu)輪胎

2.2 南京航空航天大學

南京航空航天大學利用金屬材料設計出了一種非充氣機械彈性車輪，如圖10所示，填補了我國特種車輛非充氣輪胎方面的空白。機械彈性車輪主要由車輪外圈、彈性環(huán)、彈性環(huán)組合卡、輪轂、回位彈簧、銷軸、鉸鏈等構(gòu)成，彈性幅度大，抗震性能優(yōu)異[5-7]。

圖10 機械彈性車輪

2.3 北京化工大學

北京化工大學與山東玲瓏輪胎股份有限公司聯(lián)合開發(fā)了國內(nèi)首款3D打印PU輪胎，如圖11所示。輪胎采用熱塑性PU材料，通過熔融沉積法完成打印，內(nèi)部為正六邊形空心結(jié)構(gòu)。

圖11 3D打印PU輪胎

之后，吉林大學、北京化工大學、山東玲瓏輪胎股份有限公司共同合作，采用3D打印技術制備了具有精細結(jié)構(gòu)的非充氣輪胎，如圖12所示，并進行了三向剛度、滾動阻力等測試，研究發(fā)現(xiàn)3D打印非充氣輪胎具有優(yōu)異的操縱穩(wěn)定性和低滾動阻力等性能。

圖12 3D打印非充氣輪胎

國內(nèi)其他輪胎企業(yè)有關非充氣輪胎的研究和相關專利也逐年增加。雖然從材料選用到結(jié)構(gòu)設計各不相同，但是從不同方面發(fā)揮了非充氣輪胎的特長[8-10]。無論是何種設計，非充氣輪胎的支撐結(jié)構(gòu)都采用橫向排布的結(jié)構(gòu)形式。當輪胎承受縱向載荷時，橫向排布的支撐結(jié)構(gòu)縫隙可得到充分地壓縮，輪胎的形變量得到提升，保證了駕駛舒適性。當輪胎承受橫向載荷時，受力方向與支撐結(jié)構(gòu)的作用力方向平行，支撐結(jié)構(gòu)間的間隙失效，完全通過支撐結(jié)構(gòu)對輪胎進行支撐，輪胎橫向的形變量變小，提高了輪胎的側(cè)偏剛度，保證了操縱穩(wěn)定性。由于非充氣輪胎取消了部分傳統(tǒng)輪胎的結(jié)構(gòu)，再配合高強度樹脂等材料的運用，質(zhì)量相比傳統(tǒng)輪胎輪輞的組合有了大幅度的減小。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)充氣式橡膠輪胎相比，非充氣輪胎有著諸多的優(yōu)勢，如節(jié)能環(huán)保、可模塊化設計、重復再生性、無可比擬的安全性和低滾動阻力等。但其也仍然存在著很多亟待解決的問題，如噪聲、溫升和疲勞破壞等。

非充氣輪胎的發(fā)展還需要結(jié)構(gòu)與材料的全面優(yōu)化匹配，組合設計空間極大，可實現(xiàn)新概念非充氣輪胎兼具充氣輪胎的優(yōu)勢特點。非充氣輪胎可與節(jié)能環(huán)保高性能可回收材料、仿生學設計、智能控制與智能駕駛、磁懸浮等前沿技術融合，其替代傳統(tǒng)充氣式橡膠輪胎將會是未來全球輪胎行業(yè)發(fā)展勢不可擋的趨勢。