Проверка на прочность безвоздушной шины

ВВЕДЕНИЕ
Обычные пневматические (надувные) шины доминируют на рынке шин более века. Однако несколько производителей шин представили концепции или прототипы безвоздушных шин, в которых резина используется только в протекторах, а несущая конструкция изготовлена из таких композитных материалов, как полиуретан, термопласты, стекловолокно и эпоксидные ламинаты, но также из более экологичных и биологически -разлагаемых материалов.
В литературе описаны некоторые ранние проекты (1989–2008 гг.), в которых была испытана шведская инновационная концепция безвоздушных шин, в результате чего были созданы прототипы так называемых композитных колес. Это значительно снизило уровень шума и сопротивление качению и обеспечило отличное сопротивление скольжению на мокрой дороге, а также обеспечило приемлемую управляемость автомобиля. Однако при полномасштабных испытаниях он не выдержал экстремальных испытаний на испытательном треке с «выбоинами» из-за конструктивного отклонения.
Затем были представлены ряд концепций или прототипов безвоздушных шин, предложенных производителями шин за последние 15 лет. В целом предоставлена очень скудная информация, но все они обещают (без научных доказательств) значительные улучшения по сравнению с пневматическими шинами. Прежде всего, предвидятся преимущества в плане резкого сокращения глобального использования сырья, использования более экологически чистых материалов и гораздо менее сложного производства. В некоторых случаях можно использовать даже 3D-печать. Один из прототипов в настоящее время проходит испытания для использования на электромобиле, находящемся в эксплуатации, с возможным выходом на рынок, намеченным на 2024 год.
 
Пневматическая шина, самый совершенный продукт
Пневматические (или надувные) шины как концепция были изобретены в 19 веке и завоевали рынок шин в первые десятилетия 20 века. С тех пор эта концепция полностью доминировала на рынке шин и сейчас сильнее, чем когда-либо. Основная идея состоит в том, чтобы использовать сжатый воздух, содержащийся в тороиде или торе, в качестве подушки между транспортным средством и дорожным покрытием, и позволить твердым материалам во внешней части этого тороида или тора передавать силы как в поперечном, так и в продольном направлениях между осью и тротуаром. Для этого вокруг тора добавлен резиновый протектор. Однако наиболее важным материалом в шинах является воздух, который в случае проколов сделает шину непригодной для использования. Были проведены испытания наддува с помощью других газов, в первую очередь азота, но воздух используется почти во всех шинах дорожных транспортных средств.
Продукт, который мы называем шиной, используется на всех движущихся транспортных средствах, поэтому является пневматическим по своему принципу и требует надлежащего накачивания. С момента его изобретения до сегодняшнего дня основной принцип остается неизменным, но сегодняшний продукт постоянно улучшался и в несколько относительно небольших шагов за более чем 100 лет, прошедших с момента выхода на рынок. Теперь это невероятно сложный продукт; Средняя шина сегодня содержит более 100 отдельных компонентов из различных материалов. Специалисты часто заявляют, что шины - самая важная и сложная часть дорожного транспортного средства. Каучук является основным сырьем, используемым при производстве шин, и используется как натуральный, так и синтетический каучук, причем синтетический каучук составляет 60-70% от общего количества каучука. Другие материалы включают углеродную сажу, различные масла, серу, кремнезем, текстиль и армирующую сталь, и это лишь некоторые из них.
Изготовить такое изделие очень сложно. Это означает, что производственные предприятия и цепочки материалов также усложняются, что привело к очень значительным инвестициям со стороны производителей, которые должны окупаться в течение десятилетий производства. Таким образом, когда компания Michelin изобрела радиальную шину в 1940-х годах, несмотря на то, что вскоре было обнаружено, что технически она намного лучше, чем ее предшественники (т. Е. Диагональные шины или шины с диагональным кордом), потребовалось до 1960-х годов, пока радиальная шина не стала доминирующей на европейскомрынке. Однако в США производители шин и транспортных средств не решались принимать радиальные шины. Лишь примерно через 20 лет после Европы радиальные шины начали доминировать на рынке США. Частично это произошло из-за того, что американские автомобили с очень мягкой подвеской не были адаптированы к новым шинам, частично из-за отказа от реконструкции заводов по производству шин, поскольку радиальные шины требовали очень дорогостоящего переоснащения.
Другие основные концепции, которые были опробованы, включая создание покрышек, накачиваемых воздухом, по существу только с пластиковым торцом, снабженным резиновым протектором.

Первые испытания на прочность
В 1982 году Goodyear получила патент на интегральную колесную шину (IWT) для легковых автомобилей, основанную на одностороннем колесном ободе с асимметричным поведением деформации [1]. ВВТ был изготовлен из композитных материалов, его периферийная часть покрыта резиновым протектором. Обширный отчет об этом ВВТ был представлен в 1989 г. [2], что указывает на очень хорошие характеристики. Тем не менее, больше ничего не произошло, по крайней мере, об этом не сообщалось публично.
Не зная о концепции Goodyear, шведским изобретателем Хансом-Эриком Ханссоном была разработана еще одна безвоздушная шина (с размерами, подходящими для автомобилей) [3]. Патент был получен в Швеции, а заявки были поданы в основных индустриальных странах. Это колесо, как и Goodyear IWT, было непневматической, очень гибкой конструкцией из композитных материалов, дающей уникальные характеристики. По сравнению с дизайном Goodyear, он использовал более сложную форму, что потенциально давало гораздо больше гибкости конструкции.
Этот продукт был назван «Композитное колесо (CW)» из-за его интеграции обода с шиной с использованием композитного материала из стекловолокна / полиэфирного ламината. Во избежание недоразумений следует отметить, что, в принципе, обычная шина, накачиваемая воздухом, также изготавливается из композитных материалов, хотя их гораздо больше и совершенно разных. На рисунке 1 показано поперечное сечение первой версии композитного колеса (рисунок 1).

Рисунок 1. Поперечное сечение первой версии композитного колеса
В проекте, проводимом Шведским национальным институтом дорожных и транспортных исследований (VTI), протектор и нижележащий