非充氣輪胎的研究與發展

馬祎涵,程 鋼,原政軍,秦 健

（1.山東省實驗中學,濟南 250001;2.山東建筑大學機電工程學院,濟南 250101）

非充氣輪胎的研究與發展

馬祎涵1,程 鋼2,原政軍2,秦 健2

（1.山東省實驗中學,濟南 250001;2.山東建筑大學機電工程學院,濟南 250101）

對非充氣輪胎的基本結構及發展作了詳細闡述，列舉了近幾年非充氣輪胎的代表產品，分析了非充氣輪胎的技術現狀。從垂向力學、縱向力學、側向力學、接地特性、振動特性等方面，綜述了國內外非充氣輪胎力學特性的研究現狀，分析了目前非充氣輪胎結構存在的主要優缺點。

非充氣輪胎；聚氨酯；結構設計；力學特性

1 引言

圓形的車輪是人類歷史上上最古老、最重要的發明。車輪材料也從石頭、木頭到橡膠不斷變化。在橡膠材質的輪胎剛開始出現時，輪胎是實心的。直到19世紀末，鄧祿普發明了充氣輪胎。之后，充氣輪胎成為了世界的主流，相繼誕生了無內胎輪胎、子午線輪胎、跑氣保用輪胎等多種新技術，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，依據交通部門的統計，漏氣、爆胎及橡膠材料的磨損、氣壓的不穩定等引發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]。鑒于傳統充氣輪胎的不足，各大輪胎企業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展[2]。

2 非充氣輪胎技術現狀

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數量上也處在領先地位[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技術公司和威斯康星州大學利用仿生學原理開發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狀構造的無充氣輪胎。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]。輪胎材料采用高強度、高柔軟性的樹脂材料，其網狀輪輻呈網格狀，且延伸方向內外相反，如圖1所示。

2014年4月北汽集團推出了新型負泊松比非充氣輪胎，如圖2所示。該輪胎采用最新研發的負泊松比微結構材料，通過環環相扣的內部支撐體吸收能量，實現單一材料無法達到的特性。

圖1 AirFree concept輪胎

圖2 北汽負泊松比輪胎

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構層相連的硬性輪輞，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構層負責包裹。

2015年11月美國Britek Tire和Rubber公司宣布研制并開發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，儲存在輪胎內部的動能就能釋放出來反作用于路面，為車輛前進提供部分動力。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換為適合鋪裝路面使用的結構轉換功能。

（2）Alpike輪胎的雪地防滑牽引性能優異，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輪胎一樣的結構轉換功能。

（3）Hyblade輪胎采用了“刀鋒”形的花紋結構，如圖5（c）所示。當車輛行駛在積水路面時，可以“劃開”水膜獲得強大的驅動力。胎面采用了混合結構，可以有效防止濕地打滑現象的發生。

（4）iFlex非充氣概念輪胎95%使用了可循環材質。其外層胎面直接接觸地面；內部輻條與外層胎面有機結合，達到分散外部壓力的作用；輪胎內部采用獨特的網格結構提供支撐，可將進入的石子等雜質用特殊的內部運動將其排除；中央框架連接著外層胎面和內部結構，如圖5（d）所示。

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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合起來，如圖6所示。該非充氣輪胎的輪輞采用一體化設計，其輪輞和彈性輪輻通過變形能夠更有效吸收顛簸產生的動能。

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，采用無氣孔技術硫化生產，內部由17個獨立單元組成，實現了模塊化設計及生產。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；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材料制成，呈蜂窩狀仿生結構。3D打印技術可以優化輪胎結構、減輕重量，胎面還可以噴膠、翻新進行修復。用戶購買的時候可以根據行車環境、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。該輪胎應用DuraWeb技術，采用熱塑性連接結構，實現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構，其幾何結構和材料性能參數對車輪的滾動阻力、垂直剛度和接觸壓力的影響較大[5]，國內外研究人員基于理論建模、數值分析及實驗等方法，對非充氣輪胎的力學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，輪輻會進入接地區并彎曲變形，隨后輪輻在離開接地區時，會由彎曲狀態迅速恢復成張緊狀態，在這個循環過程中，可變形輪輻會產生自激振動，導致行駛中的車輪噪聲和振動。

4 結論

非充氣輪胎在材料和結構設計方面與傳統充氣輪胎相比都有較大的不同，更現代化、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、免爆胎、免泄露的功能。

由于獨特的結構特點，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聯接，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生較大的振動，進而產生巨大的噪聲。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，帶有附著效應的積雪、泥土或碎石可能會進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，可能會導致支撐結構受到損壞，進而產生較大的滾動阻力。如果高速行駛，車輪產生的熱量較大，將會導致輪輻、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，采用先進的設計方法和新型輪胎材料是解決這一問題的關鍵。

[1]高樹新,何建清,解來卿.安全輪胎及其在軍車上的應用[J].輪胎工業,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分析[J].中國橡膠,2013,29(20):22-26.

[3]高曉東,楊衛民,張金云等.國內外非充氣輪胎的最新研究進展.橡膠工業,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“機械裝備再制造的基礎科學問題”（2011CB013403）。