論文：非充氣輪胎的研究進(jìn)展

論文：非充氣輪胎的研究進(jìn)展

摘要：以輪胎基本性能為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹了非充氣輪胎的設(shè)計(jì)內(nèi)涵和優(yōu)化方法。針對(duì)科技發(fā)展及社會(huì)進(jìn)步對(duì)輪胎提出的新要求，綜述了輪胎從材料到結(jié)構(gòu)的全面優(yōu)化改革。并基于非充氣輪胎特點(diǎn)，提出了3D打印新概念的輪胎制造方法。
關(guān)鍵詞：非充氣輪胎；優(yōu)化改革；成型工藝；3D打印

二十一世紀(jì)科技迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)輪胎因其自身缺陷已無(wú)法適用時(shí)代的變化及需求。各輪胎行業(yè)也陸續(xù)設(shè)計(jì)推出新型輪胎，其中，非充氣輪胎完全打破了傳統(tǒng)輪胎設(shè)計(jì)理念，具有革命化的意義。非充氣輪胎在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和加工成型等方面不斷變化與改進(jìn)，向著安全、節(jié)能、環(huán)保、智能的方向發(fā)展。
1 輪胎性能要求
無(wú)論充氣輪胎還是非充氣輪胎，都必須滿足輪胎的基本性能要求，它是輪胎使用的基本條件。其中，安全舒適性、功能適用性和使用過(guò)程中的節(jié)能環(huán)保這三點(diǎn)尤為重要。輪胎的設(shè)計(jì)及優(yōu)化也主要圍繞這三點(diǎn)進(jìn)行。
1.1安全舒適性
輪胎的安全舒適性主要包括緩沖減震、防噪音以及緊急制動(dòng)。
輪胎的緩沖減震與輪胎材料結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。材料硬度大、彈性小，其瞬間變形能力小，吸收震動(dòng)差，致使它的緩沖減震作用低。子午線輪胎行駛平穩(wěn)，舒適度高，耗膠量更少，這也是其代替斜交胎的重要原因。
輪胎噪音主要分氣動(dòng)噪音、泵浦效應(yīng)、腔體共振噪音、滑移噪音、花紋塊碰撞振動(dòng)噪音等幾種形式[1]。除材料的合理選擇外，通過(guò)輪胎輪廓和花紋設(shè)計(jì)可一定程度降低
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，不可避免的存在一些問(wèn)題，如扎刺爆胎、難以保證胎內(nèi)合適壓力、制造成型工藝復(fù)雜等；并且在軍事領(lǐng)域無(wú)法抵抗輕型武器的沖擊[9-11]。同時(shí)傳統(tǒng)輪胎的各功能相互牽制、相互矛盾，不能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化[12]。非充氣輪胎在這種歷史條件下應(yīng)運(yùn)而生[13][14]。
2非充氣輪胎研發(fā)現(xiàn)狀
非充氣輪胎的材料選擇與輪胎結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)輪胎有很大不同。非充氣輪胎一般采用高分子材料輻板或網(wǎng)面等結(jié)構(gòu)在保證安全、可靠、節(jié)能等性能基礎(chǔ)上，發(fā)揮出傳統(tǒng)輪胎所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。新世紀(jì)以來(lái)，各輪胎公司及研究部門相繼對(duì)非充氣輪胎做出一些研發(fā)。
2.1國(guó)外非充氣輪胎研發(fā)情況
非充氣輪胎的研發(fā)國(guó)外起步較早，法國(guó)米其林、日本普利司通等都已推出幾代非充氣輪胎產(chǎn)品。在全球非充氣輪胎專利申請(qǐng)量方面，外國(guó)輪胎公司占主導(dǎo)地位。其中，米其林公司排名第一，占全球非充氣輪胎總申請(qǐng)量的15%左右；普利司通輪胎公司排名第二，截止到2013年已經(jīng)累計(jì)申請(qǐng)了37項(xiàng)專利[15]。各輪胎公司的非充氣輪胎從材料選用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在差異，從不同的方面來(lái)發(fā)揮非充氣輪胎的特點(diǎn)。
2005年法國(guó)米其林率先提出Tweel非充氣輪胎，它包括輪轂、聚氨酯輪輻、直接繞在輪輻外面的剪切帶和胎面膠，沒(méi)有中間過(guò)度的充氣內(nèi)胎，如圖1[16-19]。Tweel依靠其材料的選擇和內(nèi)外機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣具有承載力、舒適性和安全性[20]。這種非充氣輪胎不用考慮扎刺防爆情況、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于翻新、抓地力強(qiáng)、滾動(dòng)阻力小，噪音低、更耐磨。PU材料的使用比金屬輪輞更耐沖擊性，能夠起到緩沖和彈簧的作用[21]。之后米其林又推出airless非充氣輪胎，它是由115條帶有玻璃纖維的樹(shù)脂環(huán)組成，其上直接連接著橡膠胎面，也不需要維護(hù)保養(yǎng)。

圖1 Tweel輪胎
2008年美國(guó)Resilient技術(shù)公司和威斯康星州大學(xué)麥迪遜分校聚合體工程學(xué)中心的開(kāi)發(fā)人員利用仿生學(xué)原理研發(fā)出一種新型非充氣輪胎—蜂窩輪胎，如圖2[22]。它巧妙地將蜂窩六邊形或者類細(xì)胞結(jié)構(gòu)運(yùn)用到輪胎輪輻上，摩擦發(fā)熱量低，散熱快，而且具有一定的強(qiáng)度，能承受地雷或小型武器的打擊，目前主要被美國(guó)軍方使用。它和Tweel輪胎是比較早也是比較典型的非充氣輪胎，它們的出現(xiàn)有革命性的意義。

圖2蜂窩輪胎
2014年日本普利司通公司推出第二代新型非充氣輪胎AirFree Concept，如圖3。其應(yīng)用既能保持高強(qiáng)度又能夠保持柔軟性的樹(shù)脂材料。它的網(wǎng)格延伸方向內(nèi)外相反，通過(guò)偏移角度的模擬計(jì)算，可以使輪胎的強(qiáng)度和緩沖性能得到最優(yōu)[23-25]。它與第一代相比在承載能力、適應(yīng)環(huán)境和駕駛性能方面有很大進(jìn)步，更具實(shí)用性，更接近商品化產(chǎn)品。

圖3 AirFree Concept 輪胎
韓國(guó)韓泰輪胎公司也在進(jìn)行非充氣輪胎的設(shè)計(jì)[26-28]。近期，一連推出四款比較超前的概念型非充氣輪胎，包括胎面速度可變胎，花紋可變胎，胎面接觸面積可變胎，磁懸浮輪胎，如圖4。這四款輪胎都使用組合設(shè)計(jì)的方式，使各部分相互配合發(fā)揮出輪胎性能，未來(lái)感十足。

圖4 韓泰四款概念型非充氣輪胎
2.2國(guó)內(nèi)非充氣輪胎研發(fā)情況
目前，國(guó)內(nèi)幾家輪胎企業(yè)和研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)非充氣輪胎。由于起步較晚、資金技術(shù)等方面的原因，國(guó)內(nèi)非充氣輪胎基本還處在初期研發(fā)設(shè)計(jì)階段。在非充氣輪胎全球?qū)＠琶傲械墓局�，也沒(méi)有出現(xiàn)中國(guó)公司。但是，非充氣輪胎近年已在國(guó)內(nèi)日益發(fā)展起來(lái)。
2008年北方車輛研究所李莉等[29]設(shè)計(jì)出一種新型胎面輻板式非充氣輪胎，如圖5。它由帶花紋的橡膠胎冠和聚氨酯胎體構(gòu)成，主要應(yīng)用在路況較差的情況下。

圖5 輻板式非充氣輪胎
2012年南京航空航天大學(xué)岳紅旭等[30]設(shè)計(jì)出非充氣機(jī)械彈性車輪，其特征主要車輪外圈、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，如圖6。這種輪胎彈性幅度大、抗振性能好，可滿足特種車輛或軍用車輛的要求。

圖6 非充氣機(jī)械彈性車輪
北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民團(tuán)隊(duì)[31]提出一種剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)非充氣輪胎，其主要有輪胎胎面和胎體結(jié)構(gòu)兩大部分組成,胎體部位有倒錐形通孔，如圖7。由于胎體和輪輞材料均為熱塑性高分子材料,這便大大降低了輪胎的質(zhì)量,對(duì)于節(jié)能減排、降低油耗具有重大的意義。

圖7 剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)非充氣輪胎
北京軍民融合科技有限公司于2013年公開(kāi)一種新型非充氣輪胎[32]。它的外層和內(nèi)層中間設(shè)有由內(nèi)角為111.8的第1六邊形、內(nèi)角為110.4的第2六邊形、內(nèi)角為119.8的第3六邊形和正六邊形組成的蜂窩層。該輪胎能承受較大變形，抗震性能和耐磨性好。
除此之外，國(guó)內(nèi)的研究和相關(guān)專利也越來(lái)越多。如馬正東[33]的基于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的超輕重量非充氣輪胎、劉文一[34]的非充氣防彈安全輪胎、闞國(guó)梁[35]的彈性結(jié)構(gòu)體連桿連接式輪胎等。
2.3非充氣輪胎成型工藝研究
非充氣輪胎的加工成型方法與充氣輪胎成型方法有很大不同。目前，國(guó)內(nèi)外非充氣輪胎大多采用澆注成型工藝方法，澆注工藝沒(méi)有傳統(tǒng)充氣輪胎成型過(guò) ……（未完，全文共9745字，當(dāng)前僅顯示2661字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《論文：非充氣輪胎的研究進(jìn)展》）