论文：非充气轮胎的研究进展

论文：非充气轮胎的研究进展

摘要：以轮胎基本性能为基础，重点介绍了非充气轮胎的设计内涵和优化方法。针对科技发展及社会进步对轮胎提出的新要求，综述了轮胎从材料到结构的全面优化改革。并基于非充气轮胎特点，提出了3D打印新概念的轮胎制造方法。
关键词：非充气轮胎；优化改革；成型工艺；3D打印

二十一世纪科技迅猛发展，传统轮胎因其自身缺陷已无法适用时代的变化及需求。各轮胎行业也陆续设计推出新型轮胎，其中，非充气轮胎完全打破了传统轮胎设计理念，具有革命化的意义。非充气轮胎在结构设计、材料选择和加工成型等方面不断变化与改进，向着安全、节能、环保、智能的方向发展。
1 轮胎性能要求
无论充气轮胎还是非充气轮胎，都必须满足轮胎的基本性能要求，它是轮胎使用的基本条件。其中，安全舒适性、功能适用性和使用过程中的节能环保这三点尤为重要。轮胎的设计及优化也主要围绕这三点进行。
1.1安全舒适性
轮胎的安全舒适性主要包括缓冲减震、防噪音以及紧急制动。
轮胎的缓冲减震与轮胎材料结构密切相关。材料硬度大、弹性小，其瞬间变形能力小，吸收震动差，致使它的缓冲减震作用低。子午线轮胎行驶平稳，舒适度高，耗胶量更少，这也是其代替斜交胎的重要原因。
轮胎噪音主要分气动噪音、泵浦效应、腔体共振噪音、滑移噪音、花纹块碰撞振动噪音等几种形式[1]。除材料的合理选择外，通过轮胎轮廓和花纹设计可一定程度降低
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，不可避免的存在一些问题，如扎刺爆胎、难以保证胎内合适压力、制造成型工艺复杂等；并且在军事领域无法抵抗轻型武器的冲击[9-11]。同时传统轮胎的各功能相互牵制、相互矛盾，不能实现多目标优化[12]。非充气轮胎在这种历史条件下应运而生[13][14]。
2非充气轮胎研发现状
非充气轮胎的材料选择与轮胎结构相比传统轮胎有很大不同。非充气轮胎一般采用高分子材料辐板或网面等结构在保证安全、可靠、节能等性能基础上，发挥出传统轮胎所没有的优势。新世纪以来，各轮胎公司及研究部门相继对非充气轮胎做出一些研发。
2.1国外非充气轮胎研发情况
非充气轮胎的研发国外起步较早，法国米其林、日本普利司通等都已推出几代非充气轮胎产品。在全球非充气轮胎专利申请量方面，外国轮胎公司占主导地位。其中，米其林公司排名第一，占全球非充气轮胎总申请量的15%左右；普利司通轮胎公司排名第二，截止到2013年已经累计申请了37项专利[15]。各轮胎公司的非充气轮胎从材料选用到结构设计存在差异，从不同的方面来发挥非充气轮胎的特点。
2005年法国米其林率先提出Tweel非充气轮胎，它包括轮毂、聚氨酯轮辐、直接绕在轮辐外面的剪切带和胎面胶，没有中间过度的充气内胎，如图1[16-19]。Tweel依靠其材料的选择和内外机构的优化设计，同样具有承载力、舒适性和安全性[20]。这种非充气轮胎不用考虑扎刺防爆情况、结构简单、易于翻新、抓地力强、滚动阻力小，噪音低、更耐磨。PU材料的使用比金属轮辋更耐冲击性，能够起到缓冲和弹簧的作用[21]。之后米其林又推出airless非充气轮胎，它是由115条带有玻璃纤维的树脂环组成，其上直接连接着橡胶胎面，也不需要维护保养。

图1 Tweel轮胎
2008年美国Resilient技术公司和威斯康星州大学麦迪逊分校聚合体工程学中心的开发人员利用仿生学原理研发出一种新型非充气轮胎—蜂窝轮胎，如图2[22]。它巧妙地将蜂窝六边形或者类细胞结构运用到轮胎轮辐上，摩擦发热量低，散热快，而且具有一定的强度，能承受地雷或小型武器的打击，目前主要被美国军方使用。它和Tweel轮胎是比较早也是比较典型的非充气轮胎，它们的出现有革命性的意义。

图2蜂窝轮胎
2014年日本普利司通公司推出第二代新型非充气轮胎AirFree Concept，如图3。其应用既能保持高强度又能够保持柔软性的树脂材料。它的网格延伸方向内外相反，通过偏移角度的模拟计算，可以使轮胎的强度和缓冲性能得到最优[23-25]。它与第一代相比在承载能力、适应环境和驾驶性能方面有很大进步，更具实用性，更接近商品化产品。

图3 AirFree Concept 轮胎
韩国韩泰轮胎公司也在进行非充气轮胎的设计[26-28]。近期，一连推出四款比较超前的概念型非充气轮胎，包括胎面速度可变胎，花纹可变胎，胎面接触面积可变胎，磁悬浮轮胎，如图4。这四款轮胎都使用组合设计的方式，使各部分相互配合发挥出轮胎性能，未来感十足。

图4 韩泰四款概念型非充气轮胎
2.2国内非充气轮胎研发情况
目前，国内几家轮胎企业和研究团队正在开发设计非充气轮胎。由于起步较晚、资金技术等方面的原因，国内非充气轮胎基本还处在初期研发设计阶段。在非充气轮胎全球专利排名前列的公司中，也没有出现中国公司。但是，非充气轮胎近年已在国内日益发展起来。
2008年北方车辆研究所李莉等[29]设计出一种新型胎面辐板式非充气轮胎，如图5。它由带花纹的橡胶胎冠和聚氨酯胎体构成，主要应用在路况较差的情况下。

图5 辐板式非充气轮胎
2012年南京航空航天大学岳红旭等[30]设计出非充气机械弹性车轮，其特征主要车轮外圈、弹性环、弹性环组合卡、轮毂、回位弹簧、销轴、铰链等构成，如图6。这种轮胎弹性幅度大、抗振性能好，可满足特种车辆或军用车辆的要求。

图6 非充气机械弹性车轮
北京化工大学杨卫民团队[31]提出一种刚柔结构非充气轮胎，其主要有轮胎胎面和胎体结构两大部分组成,胎体部位有倒锥形通孔，如图7。由于胎体和轮辋材料均为热塑性高分子材料,这便大大降低了轮胎的质量,对于节能减排、降低油耗具有重大的意义。

图7 刚柔结构非充气轮胎
北京军民融合科技有限公司于2013年公开一种新型非充气轮胎[32]。它的外层和内层中间设有由内角为111.8的第1六边形、内角为110.4的第2六边形、内角为119.8的第3六边形和正六边形组成的蜂窝层。该轮胎能承受较大变形，抗震性能和耐磨性好。
除此之外，国内的研究和相关专利也越来越多。如马正东[33]的基于负泊松比结构的超轻重量非充气轮胎、刘文一[34]的非充气防弹安全轮胎、阚国梁[35]的弹性结构体连杆连接式轮胎等。
2.3非充气轮胎成型工艺研究
非充气轮胎的加工成型方法与充气轮胎成型方法有很大不同。目前，国内外非充气轮胎大多采用浇注成型工艺方法，浇注工艺没有传统充气轮胎成型过 ……（未完，全文共9745字，当前仅显示2661字，请阅读下面提示信息。收藏《论文：非充气轮胎的研究进展》）