非充气轮胎的研究与发展

马祎涵,程 钢,原政军,秦 健

（1.山东省实验中学,济南 250001;2.山东建筑大学机电工程学院,济南 250101）

非充气轮胎的研究与发展

马祎涵1,程 钢2,原政军2,秦 健2

（1.山东省实验中学,济南 250001;2.山东建筑大学机电工程学院,济南 250101）

对非充气轮胎的基本结构及发展作了详细阐述，列举了近几年非充气轮胎的代表产品，分析了非充气轮胎的技术现状。从垂向力学、纵向力学、侧向力学、接地特性、振动特性等方面，综述了国内外非充气轮胎力学特性的研究现状，分析了目前非充气轮胎结构存在的主要优缺点。

非充气轮胎；聚氨酯；结构设计；力学特性

1 引言

圆形的车轮是人类历史上上最古老、最重要的发明。车轮材料也从石头、木头到橡胶不断变化。在橡胶材质的轮胎刚开始出现时，轮胎是实心的。直到19世纪末，邓禄普发明了充气轮胎。之后，充气轮胎成为了世界的主流，相继诞生了无内胎轮胎、子午线轮胎、跑气保用轮胎等多种新技术，但不变的是它们都需要充气。轮胎是车辆与地面接触的唯一的部分，依据交通部门的统计，漏气、爆胎及橡胶材料的磨损、气压的不稳定等引发的各种交通事故居高不下。而在军事方面，普通充气轮胎也无法承受轻武器和地雷的打击[1]。鉴于传统充气轮胎的不足，各大轮胎企业推出了各种各样的新型轮胎，其中最具有革命性意义的是非充气轮胎的革新发展[2]。

2 非充气轮胎技术现状

由于非充气轮胎不依靠空气支撑车辆的重量和增加轮胎弹性，且具有防扎、防爆等特点，车辆行驶安全性得到很大的提高。国外对非充气轮胎的研发较早的是米其林公司和普利司通等公司，这两家公司在全球非充气轮胎专利授权数量上也处在领先地位[3]。

2005年米其林公司率先提出Tweel非充气轮胎，它包括轮毂、聚氨酯轮辐、剪切带和胎面胶等。2008年美国 Resilient技术公司和威斯康星州大学利用仿生学原理开发出一种新型非充气轮胎—蜂窝轮胎，供军用车辆使用。2011 年东京汽车展上普利司通推出了第一代放射螺旋网状构造的无充气轮胎。2013年在东京车展上，日本普利司通公司推出第二代AirFree concept非充气概念轮胎[4]。轮胎材料采用高强度、高柔软性的树脂材料，其网状轮辐呈网格状，且延伸方向内外相反，如图1所示。

2014年4月北汽集团推出了新型负泊松比非充气轮胎，如图2所示。该轮胎采用最新研发的负泊松比微结构材料，通过环环相扣的内部支撑体吸收能量，实现单一材料无法达到的特性。

图1 AirFree concept轮胎

图2 北汽负泊松比轮胎

2015年1月米其林宣布在美国南卡罗来纳州的工厂正式产MICHELIN X TWEEL非充气轮胎，如图3所示。 MICHELIN X TWEEL使用了一组用于支撑轮胎本体且直接与胎体结构层相连的硬性轮辋，采用同时能够具备弹性和易变型特征的聚亚安酯打造，最外层使用橡胶胎面结构层负责包裹。

2015年11月美国Britek Tire和Rubber公司宣布研制并开发了新型能量反馈轮胎（ERW），如图4所示。该轮胎不用充气，而且在行驶中轮胎受到来自地面的挤压时，储存在轮胎内部的动能就能释放出来反作用于路面，为车辆前进提供部分动力。同时，挤压力还能保证轮胎贴合地面，不会像充气轮胎一样弹起。

图3 X TWEEL轮胎

图4 能量反馈轮胎

韩泰轮胎公司在2015年上海车展上推出四款概念型非充气轮胎。

（1）Boostrac轮胎具有最佳的沙地及泥地牵引力。由图5（a）中可以看到Boostrac胎纹巨大且凸起，整个胎面采用了模块化设计，胎面共有120个六边形花纹块，其胎面花纹还具有从适用泥沙路面转换为适合铺装路面使用的结构转换功能。

（2）Alpike轮胎的雪地防滑牵引性能优异，其增大的轮毂和轮胎外径使得汽车离地间隙更大，能够有效改善在冰雪路面行驶的舒适度。如图5（b）所示，Alpike还具有胎面暗钉，由16片独立的花纹块组成，具有与Boostrac轮胎一样的结构转换功能。

（3）Hyblade轮胎采用了“刀锋”形的花纹结构，如图5（c）所示。当车辆行驶在积水路面时，可以“划开”水膜获得强大的驱动力。胎面采用了混合结构，可以有效防止湿地打滑现象的发生。

（4）iFlex非充气概念轮胎95%使用了可循环材质。其外层胎面直接接触地面；内部辐条与外层胎面有机结合，达到分散外部压力的作用；轮胎内部采用独特的网格结构提供支撑，可将进入的石子等杂质用特殊的内部运动将其排除；中央框架连接着外层胎面和内部结构，如图5（d）所示。

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图5 韩泰非充气轮胎

2016年4月，邓禄普推出了GYROBLADE非充气轮胎，将金属轮圈、特殊树脂轮辐和橡胶胎面结合起来，如图6所示。该非充气轮胎的轮辋采用一体化设计，其轮辋和弹性轮辐通过变形能够更有效吸收颠簸产生的动能。

2016年4月北京国际汽车展览会上，万力轮胎推出了Alpha-T非充气概念轮胎，如图7所示。该轮胎跟轮毂一体化，采用无气孔技术硫化生产，内部由17个独立单元组成，实现了模块化设计及生产。Alpha-T能通过智能化控制自动检测路况，在普通路面上行驶时，轮胎的行驶面自动处于收缩状态；在泥泞或冰雪路面上行驶时，轮胎会自动伸张，其直径变大，花纹沟变宽，以提供最佳的抓着力。

2017年6月米其林发布了一款3D打印Visionary Concept非充气轮胎，如图8所示。该轮胎由可生物降解的有机材料制成，呈蜂窝状仿生结构。3D打印技术可以优化轮胎结构、减轻重量，胎面还可以喷胶、翻新进行修复。用户购买的时候可以根据行车环境、天气变化等方面来定制自己的轮胎。

2017年9月，固特异推出TurfCommand非充气轮胎，如图9所示。该轮胎应用DuraWeb技术，采用热塑性连接结构，实现了刚性与柔韧性的巧妙融合，在确保良好载重能力的同时，可变形并吸收冲击能量，保障车辆行驶的平顺性。

3 非充气轮胎力学特性研究

非充气轮胎采用聚氨酯类材料轮辐外加胎面的结构，其几何结构和材料性能参数对车轮的滚动阻力、垂直刚度和接触压力的影响较大[5]，国内外研究人员基于理论建模、数值分析及实验等方法，对非充气轮胎的力学特性做了大量的研究工作。

非充气轮胎相比较于普通轮胎来说垂向刚度小一些。Veeramurthy等[6]采用有限元法研究了轮辐厚度、剪切带厚度和聚氨酯剪切模量对滚动阻力、垂直刚度和接触压力的影响。研究结果表明，轮辐厚度、胎圈厚度和PU材料的剪切模量对Tweel轮胎性能影响较大。

图6 GYROBLADE轮胎

图7 Alpha-T轮胎

图8 Visionary Concept轮胎

图9 TurfCommand轮胎

Narasimhan等[8]研究了PU材料制造的Tweel非充气轮胎在高速滚动中垂直刚度、轮辐振动和地面反力的变化。非充气轮胎在行驶中，轮辐会进入接地区并弯曲变形，随后轮辐在离开接地区时，会由弯曲状态迅速恢复成张紧状态，在这个循环过程中，可变形轮辐会产生自激振动，导致行驶中的车轮噪声和振动。

4 结论

非充气轮胎在材料和结构设计方面与传统充气轮胎相比都有较大的不同，更现代化、更简洁。非充气轮胎摒弃了作为充气轮胎重要组成部分的压缩空气，其轮辋和轮辐可以通过弹性变形吸收来自地面颠簸的能量以减轻振动，具有免维护、免爆胎、免泄露的功能。

由于独特的结构特点，非充气轮胎自身也存在一些缺陷。轮辐与胎面是间隔非连续联接，轮胎的刚度变化不均匀，非充气轮胎在高速行驶状况下会产生较大的振动，进而产生巨大的噪声。另外，非充气轮胎的支撑体是裸露在外面的，如若在积雪、泥泞路段行驶，带有附着效应的积雪、泥土或碎石可能会进入并堆积在支撑体的间隙中，影响轮辐的变形；伴随着非充气轮胎的滚动，可能会导致支撑结构受到损坏，进而产生较大的滚动阻力。如果高速行驶，车轮产生的热量较大，将会导致轮辐、胎圈材料性能的失效，所以非充气轮胎目前还不能承受较高的行驶速度，采用先进的设计方法和新型轮胎材料是解决这一问题的关键。

[1]高树新,何建清,解来卿.安全轮胎及其在军车上的应用[J].轮胎工业,2009,29(05):259-263.

[2]苏博,张浩成.全球非充气轮胎市场概況及专利技术分析[J].中国橡胶,2013,29(20):22-26.

[3]高晓东,杨卫民,张金云等.国内外非充气轮胎的最新研究进展.橡胶工业,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计划“机械装备再制造的基础科学问题”（2011CB013403）。