Ogólny wygląd koła samochodowego z centralną tarczą i oponą wypełnioną powietrzem powstał dawno temu i potwierdził jego skuteczność. Jednak regularnie podejmuje się próby radykalnej przebudowy takiej konstrukcji w celu poprawy jej właściwości technicznych lub ekonomicznych. Pewną popularnością w tym kontekście cieszą się tzw. opona bezpowietrzna z elementami elastycznymi i bez sprężonego gazu..
Długa historia
Pierwsze warianty opon bezpowietrznych pojawiły się prawie na początku ubiegłego wieku. Często przyczyną pojawienia się takich projektów był brak materiałów. Projektanci próbowali zastąpić trudno dostępną i drogą gumę bardziej opłacalnym drewnem lub metalem. Do tej pory problem niedoborów został rozwiązany, a nowe projekty wiążą się jedynie z chęcią poprawy właściwości podwozia.
Wczesne konstrukcje opon bezpowietrznych najczęściej oferowały obręcz metalową i obręcz zewnętrzną z bieżnikiem, połączone zestawem sprężyn o różnych kształtach i konfiguracjach. W różnych okresach stosowano sprężyny śrubowe lub piórowe. Takie projekty generalnie rozwiązywały przydzielone zadania, ale okazały się zbyt skomplikowane i niewygodne w obsłudze. W rezultacie nie weszły w duże serie i nie otrzymały szerokiej dystrybucji.
Względny sukces przyniósł oponom bezpowietrznym dopiero wraz z rozwojem programów kosmicznych. Okazało się, że łaziki typu radzieckiego „Lunokhod” lub amerykańskiego LRV powinny być wyposażone w koła bez kamer i powietrza. Tak więc produkt LRV z systemu Apollo otrzymał elastyczną oponę wykonaną z metalowej siatki z nitowanym bieżnikiem. Konstrukcja ta była lekka, amortyzowała wstrząsy, nie wymagała konserwacji i wyróżniała się wysoką przeżywalnością.
Niektóre z projektów opon bezpowietrznych na różnych etapach przyciągnęły uwagę wojska, a nawet trafiły do testów polowych. W ostatnich latach powróciło zainteresowanie takimi rozwiązaniami i nie chodzi tu tylko o projekty dla armii. Czołowi producenci opon traktują konstrukcję bezpowietrzną jako realną alternatywę dla tradycyjnych kół.
Jednak do tej pory żaden ze znanych modeli nie wszedł do masowej produkcji i eksploatacji w sferze wojskowej lub cywilnej. Rewolucję podwozia hamują czynniki obiektywne.
Współczesne projekty
Rozważ niektóre z nowoczesnych konstrukcji opon bezpowietrznych opracowanych w ostatnich dziesięcioleciach. Tak więc w przeszłości szeroko znany był projekt Airless: Resilient NPT firmy Resilient Technologies. Jest rozwijany od 2002 roku i przeszedł testy pod koniec dekady. Wykorzystując nowoczesne materiały polimerowe, które nie były dostępne w odległej przeszłości, amerykańscy inżynierowie byli w stanie stworzyć bardzo ciekawą konstrukcję.
Opona bezpowietrzna: Elastyczna NPT to jednoczęściowa konstrukcja, która zawiera centralną tarczę do montażu, zewnętrzną obręcz z bieżnikiem i specjalną klatkę pomiędzy nimi. Ta ostatnia wykonana jest w formie kratownicy o nieregularnych sześciokątach i trapezach. Ciężar samochodu rozkłada się pomiędzy stosunkowo sztywną felgę i grill. Jednocześnie elastyczność konstrukcji pozwala amortyzować wstrząsy.
Testy wykazały, że bezpowietrzna: elastyczna opona NPT jest porównywalna pod względem tłumienia z tradycyjną oponą pneumatyczną. Nie boi się przebić i można go używać, gdy 30% elementów ramy jest uszkodzonych. Nastąpił również niewielki przyrost masy. Mimo to produkt był dość trudny w produkcji, wymagał specjalnych materiałów i miał szereg innych wad. W efekcie opony Resilient Technologies nie weszły jeszcze do wojska.
W 2005 roku Michelin wprowadził oponę koncepcyjną Tweel (Tire + Wheel). W tym projekcie środkowa tarcza i zewnętrzna obręcz są połączone „szprychami” w kształcie litery V, które biegną na całej szerokości opony. Deweloper mówił o zmniejszeniu wagi w porównaniu z tradycyjnymi produktami, zwiększeniu zasobów itp.
Po testach i rozwoju opracowano oponę Tweel. Istnieją modyfikacje tego produktu dla pojazdów różnych klas. W 2012 roku rozpoczęto dostawy takich opon do maszyn budowlanych i rolniczych. Później pojawiły się nowe modele takich produktów o innej konfiguracji elementów elastycznych.
Bridgestone ma również własną wersję opony bezpowietrznej. Sugeruje połączenie dysku i obręczy zakrzywionymi „szprychami” ułożonymi na krzyż. Ta amortyzacja umożliwiła zwiększenie elastyczności przy zachowaniu innych właściwości. Jednak gotowe próbki miały ograniczoną nośność, co ograniczyło zakres zastosowania.
Istnieją inne warianty opon bezpowietrznych różnego rodzaju, które sprowadzają się do testów, a nawet do produkcji. Poszukiwanie nowych rozwiązań trwa. Projektanci próbują różnych materiałów, elastycznych konfiguracji itp. Jednak sukcesy są ograniczone.
Zalety i wady
Opona bezpowietrzna ze zintegrowanymi elementami sprężystymi ma kilka ważnych zalet w porównaniu z tradycyjną oponą pneumatyczną. To one decydują o obserwowanym do tej pory zwiększonym zainteresowaniu takimi konstrukcjami.
Głównym plusem jest zwiększona przeżywalność. Opona bezpowietrzna nie ma komory powietrznej i jest odporna na przebicie. Nie boi się też skutków ubocznych. W zależności od architektury wydajność jest zachowana nawet w przypadku poważnego uszkodzenia konstrukcji nośnej. Nie ma potrzeby pompowania i monitorowania ciśnienia, co upraszcza obsługę. Istnieje możliwość rezygnacji z dużej i stosunkowo ciężkiej felgi. Dzięki temu zespół koła jest lżejszy, co zmniejsza masę nieresorowaną.
Istnieje jednak szereg problemów, przez które takie opony nie zyskują na popularności. Przede wszystkim jest to zwiększone zapotrzebowanie na materiały. Wymaga gumy lub polimeru o wystarczającej elastyczności, wysokiej sztywności i wytrzymałości na różne obciążenia. Istnieją również wysokie wymagania dotyczące pochłaniania energii mechanicznej i jej przemiany w energię cieplną z późniejszym rozproszeniem.
Wszystko to komplikuje i podnosi koszty produkcji. Ponadto większość opon ma ograniczenie prędkości – zwykle nie więcej niż 70-80 km/h. Dalsze przyspieszanie zwiększa naprężenia mechaniczne, a także prowadzi do niedopuszczalnego przegrzania.
W przeciwieństwie do opon pneumatycznych, opony bezpowietrzne mają stałą sztywność i aby to zmienić, musisz zmienić koła. Jednocześnie wnikanie brudu do konstrukcji przez otwarte ściany boczne może negatywnie wpłynąć na sztywność i inne właściwości. Z tych punktów widzenia konstrukcje pneumatyczne są znacznie bardziej opłacalne.
W rezultacie opony bezpowietrzne są nadal używane głównie w pojazdach lekkich o ograniczonych prędkościach i obciążeniach. Umieszcza się je na wózkach golfowych, niektórych buggy, kompaktowym sprzęcie budowlanym itp. Uruchomiono również produkcję opon do rowerów, skuterów i innych lekkich produktów. Wciąż kwestionowane jest dostarczanie większych próbek.
Obiecująca ciekawość
Specyficzne połączenie właściwości technicznych, operacyjnych i ekonomicznych, a także szereg istotnych ograniczeń, nie pozwalają jeszcze oponom bezpowietrznym wejść na szeroki rynek i poważnie konkurować z tradycyjnymi konstrukcjami. W efekcie rynek opon się nie zmienia – choć różne firmy regularnie prezentują różne „obiecujące” produkty.
Należy jednak zauważyć, że poszczególne produkty oryginalnego projektu mimo wszystko weszły na rynek, a nawet znalazły swoich klientów. Sukces odnotowuje się w kilku dość wąskich niszach, a podbój głównych sektorów rynku okazuje się niemożliwy. Nie ma obiektywnych przesłanek zmiany tej sytuacji.
W ten sposób różne opcje opon bezpowietrznych ze zintegrowanymi elementami elastycznymi ogólnie zachowują status ciekawego rozwiązania ważnego problemu technicznego - bez specjalnych perspektyw w kontekście rzeczywistego zastosowania.
Z drugiej strony takie projekty mogą mieć pozytywne rezultaty, które nie są bezpośrednio związane z wykorzystaniem gotowych produktów. Uznani liderzy branży z dobrą bazą naukową i techniczną są obecnie zaangażowani w rozwój takich opon. W trakcie opracowywania opon bezpowietrznych można tworzyć nowe materiały, technologie i projekty. Mogą znaleźć zastosowanie w rozwoju i ulepszaniu tradycyjnych opon o rzeczywistych praktycznych i komercyjnych perspektywach.
