馬祎涵,程 鋼,原政軍,秦 健

（1.山東省實驗中學(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.山東省實驗中學(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、振動特性等方面，綜述了國內(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。

非充氣輪胎；聚氨酯；結(jié)構(gòu)設(shè)計；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)的輪胎剛開始出現(xiàn)時，輪胎是實心的。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，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，車輛行駛安全性得到很大的提高。國外對非充氣輪胎的研發(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 Resilient技術(shù)公司和威斯康星州大學(xué)利用仿生學(xué)原理開發(fā)出一種新型非充氣輪胎—蜂窩輪胎，供軍用車輛使用。2011 年東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，通過環(huán)環(huán)相扣的內(nèi)部支撐體吸收能量，實現(xiàn)單一材料無法達(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南卡羅來納州的工廠正式產(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Britek Tire和Rubber公司宣布研制并開發(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自地面的擠壓時，儲存在輪胎內(nèi)部的動能就能釋放出來反作用于路面，為車輛前進(jìn)提供部分動力。同時，擠壓力還能保證輪胎貼合地面，不會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，整個胎面采用了模塊化設(shè)計，胎面共有120個六邊形花紋塊，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，可以“劃開”水膜獲得強(qiáng)大的驅(qū)動力。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，蘇母問他：婷婷是不是也快生了？蘇穆武不解地：生什么？蘇母說：外孫呀！結(jié)婚前她不是說懷孕了嗎？蘇穆武恍然地：我把這檔子事差點忘了。蘇母沉吟地：奇怪，怎么一點看不出來呢？

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、特殊樹脂輪輻和橡膠胎面結(jié)合起來，如圖6所示。該非充氣輪胎的輪輞采用一體化設(shè)計，其輪輞和彈性輪輻通過變形能夠更有效吸收顛簸產(chǎn)生的動能。

2016年4月北京國際汽車展覽會上，萬力輪胎推出了Alpha-T非充氣概念輪胎，如圖7所示。該輪胎跟輪轂一體化，采用無氣孔技術(shù)硫化生產(chǎn)，內(nèi)部由17個獨立單元組成，實現(xiàn)了模塊化設(shè)計及生產(chǎn)。Alpha-T能通過智能化控制自動檢測路況，在普通路面上行駛時，輪胎的行駛面自動處于收縮狀態(tài)；在泥濘或冰雪路面上行駛時，輪胎會自動伸張，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)。用戶購買的時候可以根據(jù)行車環(huán)境、天氣變化等方面來定制自己的輪胎。

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，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)對車輪的滾動阻力、垂直剛度和接觸壓力的影響較大[5]，國內(nèi)外研究人員基于理論建模、數(shù)值分析及實驗等方法，對非充氣輪胎的力學(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說垂向剛度小一些。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滾動阻力、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中垂直剛度、輪輻振動和地面反力的變化。非充氣輪胎在行駛中，輪輻會進(jìn)入接地區(qū)并彎曲變形，隨后輪輻在離開接地區(qū)時，會由彎曲狀態(tài)迅速恢復(fù)成張緊狀態(tài)，在這個循環(huán)過程中，可變形輪輻會產(chǎn)生自激振動，導(dǎo)致行駛中的車輪噪聲和振動。

4 結(jié)論

非充氣輪胎在材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面與傳統(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彈性變形吸收來自地面顛簸的能量以減輕振動，具有免維護(hù)、免爆胎、免泄露的功能。

由于獨特的結(jié)構(gòu)特點，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產(chǎn)生較大的振動，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，可能會導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)受到損壞，進(jìn)而產(chǎn)生較大的滾動阻力。如果高速行駛，車輪產(chǎn)生的熱量較大，將會導(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)計方法和新型輪胎材料是解決這一問題的關(guān)鍵。

[1]高樹新,何建清,解來卿.安全輪胎及其在軍車上的應(yīng)用[J].輪胎工業(yè),2009,29(05):259-263.

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

[3]高曉東,楊衛(wèi)民,張金云等.國內(nèi)外非充氣輪胎的最新研究進(jìn)展.橡膠工業(yè),2015,62(03):183-188.

[4]Bridgestone Corp.Non-pneumatic Tire[P].JPN:JP 2013/163516,2013-08-22.

[5]Jaehyung Ju,Doo-Man Kim.Flexible cellular solid spokes of a non-pneumatic tire[J].Composite Structures,2012(94):2285-2295.

[6]Veeramurthy M,Ju J,Thompson L L.Optimisation of geometry and material properties of a non-pneumatic tyre for reducing rolling resistance.International Journal of Vehicle Design,2014,66(02):193-216.

[7]Kumar A S,Kumar R K.Force and moment characteristics of a rhombi tessellated non-pneumatic tire. Tire Science and Technology,2016,44(02):130-148.

[8]Narasimhan A,Ziegert J,Thompson L.Effects of Material Properties on Static Load-Deflection and Vibration of a Non-Pneumatic Tire During High-Speed Rolling.SAE International Journal of Passenger Cars,2011,4(01):59-72.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.001

973計劃“機(jī)械裝備再制造的基礎(chǔ)科學(xué)問題”（2011CB013403）。