材料洞察丨畅想未来轮胎：非充气轮胎会是下一代轮胎吗？

自1888年邓禄普发明充气轮胎以来，充气轮胎作为机动车辆的关键组件之一，可以说是机动车便捷运动的根本原因。轮胎在车辆的驱动、制动、转向以及承载运输等过程都发挥着巨大作用，而轮胎自身的结构特征、材料组成以及加工工序等是影响其实际性能的重要因素。在车辆的行驶过程中，轮胎会受到纵向、横向以及侧向等多方向力的作用，这些都增加了研究轮胎力学特性的难度，这也对轮胎的材质、结构等提出了严格的要求。轮胎要保证车辆的乘坐舒适度和行驶的安全性，其中，安全尤为重要，劣质的轮胎会增加轮胎爆胎的风险，从而带来安全隐患甚至会发生事故造成人员伤亡和财产损失。

至今轮胎工业俨然已发展为一门独立的学科，产品也呈现出了全面开花的态势。按照胎体结构可分为实心胎和充气胎，按照帘线排布结构又分为斜交胎和子午线胎，根据组成结构不同又分为无内胎充气轮胎和有内胎充气轮胎等。现今充气轮胎成为了世界的主流，所有以车轮为基本行走载体的交通工具都在使用这种轮胎。前些年来，轮胎家族中出现了介于实心轮胎和充气轮胎之间的非充气轮胎。世界上诸如米其林、普利司通等轮胎企业纷纷推出了这种概念产品。

研究显示，高速公路事故中70%是由充气轮胎爆胎引起的，这就充分显示了充气轮胎的弊端。一般情况下，轮胎长期被尖锐物扎、超载、超速或者轮胎内胎气压不适宜等都是导致轮胎爆胎的诱因。长期被尖锐物扎刺的轮胎会因局部受力而容易产生裂痕甚至细缝，这时候一旦超速或者超载就会引起轮胎爆胎。通常汽车轮胎接触地面的一侧会发生变形，这是为了增加接触地面的面积而获得更大的抓地力，从而保证行驶的平衡；但是在超载或超速时，轮胎则需要承受超负荷的重量，接触地面一侧在转动中还来不及变形就开始了下一次接触地面，这就导致弹性恢复周期超过了轮胎的变形周期，也就是会产生“驻波现象”，从而引发危险性更大的爆胎事故。另外，若轮胎气压过低，胎体变形较大，胎侧部容易出现裂口，也会增加爆胎的几率。

图2 充气轮胎的性能指标

随着共享单车的兴起到流行，再到普及，非充气车轮也逐渐为人们所熟悉。充气轮胎可以依靠气体承担更重的物体，因为在行驶过程，轮胎可以变形以分担重力到轮胎壁上。但非充气轮胎不依靠气体来支撑轮胎，因此具有不怕扎、不爆胎、弹性好、耐磨损、阻尼小等充气轮胎无法比拟的优点，同时，非充气轮胎一般采用热塑性弹性体高分子材料，可一次性注塑加工成型，加工方法简单。废旧轮胎回收后可直接粉碎抽粒，再循环使用，具有绿色环保的特点，这也非常符合绿色环保的发展理念。

图3 非充气的共享单车

目前非充气轮胎主要有多孔聚氨酯PU无充气轮胎、非充气蜂巢轮胎、实心轮胎等类别。

PU无充气轮胎最先是米其林公司研制生产。相比其他无充气轮胎，它具有生产工艺简单、成本低、抓地力强、滚动阻力小以及减震性能优异等特点。但由于PU材料本身加工工艺等，目前还存在很多有待解决的问题，导致无法批量生产使用。另外市场上现有的蜂窝式非充气轮胎也存在很多缺陷，比如随着载重和速度的增加，轮胎中空结构的结合处会出现开裂等现象从而限制了轮胎的使用寿命。

蜂巢式轮胎主要是通过将轮胎内部设计成六边形的结构，从而拥有良好的柔性、较高的弹性以及一定的强度，同时六边形结构也非常利于散热，使得这类轮胎可以应用到高机动性车辆上。

图5 蜂巢式非充气轮胎

实心非充气轮胎是将高分子材料灌注到轮胎内部，使其自成一体从而减弱甚至消除轮胎内部的压力。它的主要优点是使用范围广、寿命长以及压缩变形小等。但实心轮胎由于自身结构的特殊性，使得它的承载机制与众不同——为底部承载，但这样的承载机制使得整个“笨重的”轮胎只有底部极小部分参与承担负荷，大大降低了单位质量的承载效率。

米其林公司：作为世界轮胎巨头的法国米其林公司在2005年就推出了第一款Tweel非充气轮胎，该轮胎材质为高强度的聚氨酯，结构包括轮毂、轮辐、剪切带和胎面。主要性能优势在于胎面耐磨其可模块化更换、抓地力强以及滚动阻力小等。随后又推出Airless非充气轮胎，2019年又推出更加安全稳定和节能的Uptis非充气轮胎。Uptis轮胎采用玻璃纤维填充的高强度树脂材料，在结构和复合材料方面实现了突破性的创新，有望在2024年前应用于汽车。

图6 米其林推出的Tweel非充气轮胎

普利司通公司：紧跟米其林公司的脚步，普利司通公司也在2011年推出首款非充气轮胎，该轮胎采用网状结构，轮胎包括胎面使用橡胶材料、采用热塑性树脂的辐条以及由两组辐条分别相向装配而成的轮辋。随后2013年又推出第二代非充气轮胎Airfree：材质和第一代一样，但使用了突破性创新的结构，使得其具有更大的承载能力和更大的“承载”速度——负荷从100kg提升到410kg，最大行驶速度速度由6km/h提高到60km/h。

图7 普利司通第一代（左）和第二代（右）非充气轮胎

韩泰公司：韩国的韩泰公司的第一款非充气轮胎i-Flex在2013年推出，轮胎材质为PU材料，结构为蜘蛛网状结构；这款轮胎主打改善汽车行驶的震动、油耗以及噪声问题。之后在2015年上海车展上，该公司有又展示了3款非充气轮胎：主打提供强大牵引力的Boostrac、主打提高在冰雪路面驾控体验的Alpike轮胎、主打在湿地可以有效解决打滑问题的Hyblade轮胎。

国内研发进展：北京汽车股份有限公司最早在2014年推出一款名叫N-轮的非充气轮胎，它是采用V型支撑体结构——能够提供较大的刚度。针对特种车辆的使用需求，南京航空航天大学研究出一款机械弹性的车轮：所用材质为金属材料，结构包括外圈、弹性环、轮毂以及铰链组等。其最大的特点就是具有较高弹性和较好的抗震能力。

首先，非充气轮胎在结构支撑方面，“刚度变化非线性”问题是一个值得关注的问题。也就是说，理想状态下，轮胎受压越沉重，轮胎的支撑刚度应当越高，但似乎目前即使是米其林公司也没注意到这一点，米其林最新的产品显示轮胎受压后刚度反而降低。非充气轮胎的支撑结构应当做到“快回弹，低阻尼”，因此阻尼一旦高了，回弹速度就上不去，直接导致产品无法高速化运用。所以，非充气轮胎如果要给机动车辆使用，采用金属弹性部件（比如弹簧）是绕不开的，其他类聚酰胺压根不行，现实中有企业用聚氨酯，但显然也不太行得通。如果只用金属弹性部件来实现设计预期的“非线性刚度曲线”和足够的承载力，还会遇到另一个问题：振荡。金属弹性部件在高频运用时会被激励导致振荡，这就使得轮胎无法高速运用，米其林公司当年第一代的Teweel就因为这个原因不得不放弃高速运用领域，所以，如何解决金属振荡问题也需要攻克。

其次，非充气轮胎的胎面部位与地面接触的部分，应当做到“中央刚度高，而边缘（靠近胎肩位置）刚度低”。因为轮胎在行驶中不可能任何时候都与地面完全垂直。这也是一直困扰非充气轮胎设计的一个难点。另外，想要获得良好的缓冲效果，那么轮胎的“一点受压、全胎受力”的“局部单点刚度”就需要做到尽量小，非充气轮胎在这方面确实很难设计，往往布局单点刚度过高，比如摩拜单车，在多地投放量很大，但大多数骑过的人都反应舒适性不够，就是这个原因。（本节引自知乎纽基用户相关回答）