Kể từ khi lốp không cần không khí nén (since non-pneumatic tires – NPT) được đề xuất, chúng đã gây ra sự chú ý ngày càng nhiều nhờ vào những ưu điểm vượt trội của chúng như không bị xì hơi khi bị vật nhọn kim loại đâm xuyên qua, không cần bảo dưỡng áp suất không khí và hệ số cản lăn thấp so với lốp cần khí nén truyền thống. Một NPT điển hình thường bao gồm một trục bánh xe (hub), các nan hoa (spoke), một bộ vành liền (ring), đai nẹp chịu biến dạng trượt (shear band) và hoa lốp (tread).
Thông thường, hoa lốp được làm bằng cao su tổng hợp, vành là một cấu trúc tổng hợp bao gồm một lớp thép trong (inner ring) và một lớp thép bên ngoài (outer ring). Các nan hoa là thành phần độc đáo nhất trong NPT và chúng dựa trên vật liệu polyurethane (PU). PU có cả độ đàn hồi và độ cứng như nhau và mô đun tương đối thấp cho phép biến dạng lớn với ứng suất thấp. Các nan hoa đồng nhất và có thể được thiết kế để liên kết với vành ngoài và trục bánh xe và chịu tác động của các lực nén, căng, uốn hoặc vênh trong quá trình lăn.
Lốp NPT khi bị kim loại đâm xuyên qua
Các nan hoa của NPT đòi hỏi sự kết hợp giữa khả năng chịu tải và độ đàn hồi theo chu kỳ, từ đó mang đến một thách thức cho việc lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu. Thiết kế NPT được dựa theo bởi các đặc tính quan trọng của lốp khí nén, cụ thể là khối lượng, độ cứng, áp lực tiếp xúc và lực cản lăn. Khả năng chống lăn là một trong những đặc điểm chính được quan tâm vì nó góp phần vào mức tiêu thụ nhiên liệu của xe. Độ cứng và phân phối áp lực tiếp xúc là các thuộc tính quan trọng khác cần được giải quyết khi thiết kế NPT.
Trong quá trình thiết kế, mục đích của việc lựa chọn cấu trúc nan hoa là để xác định các giá trị biến thiên khi thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất của NPT với các ràng buộc nhất định. Với bốn cấu trúc nan hoa khác nhau được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới:
(a) Nan hoa dạng cặp đôi (spoke pairs)
(b) Nan hoa dạng tổ ong (honeycomb spoke)
(c) Nan hoa dạng cong (curved spoke)
(d) Nan hoa dạng cong mới (new curved spoke)
Bảng thể hiện khối lượng khi sử dụng từng loại nan hoa đối với lốp có bề rộng 200mm
Các cấu trúc nan hoa khác nhau được lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu riêng biệt và nan hoa dạng tổ ong có tiềm năng lớn trong việc sử dụng NPT. Hình dạng tổ ong có sức chịu tải cao và sức bền ở các phương chiều khác nhau ở bề mặt và khả năng phục hồi cao hơn trong các hình dạng. Do đó, cấu trúc trong mặt phẳng của tổ ong thường được sử dụng trong NPT. Ngoài ra, cấu trúc hình dạng của kết cấu tổ ong có thể điều chỉnh để tối ưu hóa các thuộc tính trong mặt phẳng,
Ví dụ: bằng cách thay đổi kích thước góc các lỗ, độ dày bao phủ các lỗ và chiều dài để tạo ra mức độ phù hợp cho độ bền.
Các cấu trúc khác nhau của biên dạng nan hoa tổ ong
Lốp không hơi chính là cuộc cách mạng trong ngành sản xuất lốp xe hiện nay. Nhược điểm của nó là có thể làm biến mất các công ty sản xuất vành/ mâm xe. Nhưng ưu điểm thì rất nhiều. Thứ nhất là giá thành rẻ hơn nhiều khi sản xuất đại trà, do dễ chế tạo và các nan hoa đều sử dụng vật liệu nhựa tổng hợp tái sử dụng được. Sau đây là một số sản phẩm NPT của các công ty trên thế giới:
Michelin là hãng đầu tiên đưa ra khái niệm về lốp không hơi với sản phẩm Tweel từ năm 2005. Tweel là cách gọi kết hợp giữa các từ tire – lốp và wheel – vành, một cách chơi chữ hàm ý trong đó không hề sử dụng khí nén như các loại lốp từ trước đến nay. Thay vào đó, Tweel gồm một lớp bề mặt cao su theo kiểu thông thường, và một bộ vành liền được nối với mặt lốp bằng các nan hoa, sử dụng chất liệu nhựa tổng hợp có thể đàn hồi để hấp thụ lực như với lốp dùng hơi truyền thống. Do đó, chỉ cần thay đổi kích thước lốp hay độ dày lớp bề mặt, nhà sản xuất Michelin sẽ tạo ra rất nhiều loại lốp cho các dòng xe khác nhau.
Năm 2013, Michelin cũng là hãng đầu tiên đưa lốp không hơi vào sử dụng với bản nâng cấp X-Tweel SSL. Tuy nhiên, do độ rung lớn và gây ồn, hãng mới chỉ ứng dụng trên các xe xúc lật, có tốc độ chậm và sử dụng trong môi trường bằng phẳng là các bến cảng, nhà kho.
Lốp xe NPT của Michelin dùng trên máy xúc
Phiên bản Tweel và X-Tweel SSL của Michelin
Cùng năm, hãng Polaris đã trình làng một mẫu xe ATV (xe máy 4 bánh) sử dụng loại lốp do chính họ làm ra với nguyên lý tương tự. Lốp Polaris khác Tweel ở chỗ thay cho các nan hoa thẳng là một cấu trúc có dạng tổ ong. Xét về mặt lý thuyết, cấu trúc này giúp nâng cao độ cứng vững của lốp, cũng như khả năng chịu tải, thoát nước nhanh, và chịu sự biến dạng cũng linh hoạt hơn hẳn, trong khi vẫn đảm bảo trọng lượng nhẹ cho lốp. Tuy nhiên, lốp này mới chỉ ứng dụng cho xe địa hình Sportsman WV850 H.O, trong khi lốp của Michelin đã thể hiện rất tốt trong các hoạt động chịu lực tác động của khối lượng lớn.
Xe ATV của Polaris với lốp có nan hoa dạng tổ ong.
Riêng với Goodyear, lốp không hơi ban đầu được làm cho xe tự hành trong các chuyến thám hiểm không gian. Sản phẩm hợp tác với NASA này cũng không cần đến cả hơi lẫn cao su mà được chế tạo từ dây piano với gai làm bằng vấu titan. Có tên gọi Spring Tire, lốp sử dụng 800 lò xo chịu tải, gộp lại thành một khối và đặt lên trục kim loại 6 chấu. So với các đối thủ, Spring Tire có thể thích ứng với nhiều loại địa hình khác nhau và quan trọng hơn là vận hành ổn định.
Spring Tire của Goodyear dùng cho xe thám hiểm không gian.
Trong Tokyo Motor Show 2011, Bridgestone đã giới thiệu lốp không hơi bản concpet và đến kỳ triển lãm tháng 11/2013, lốp này đã được trang bị cho một vài mẫu xe. Lốp được cấu tạo với 3 phần, trong cùng là lớp lõi, tức một bộ vành cứng bằng kim loại kích thước 9 inch, tiếp đến là các nan hoa bằng nhựa tổng hợp xếp lớp theo dạng cong, và ngoài cùng là bề mặt lốp. Các nan hoa thực tế lại chia thành hai phần, với các lớp xếp ngược chiều nhau, chiếu lên mặt sẽ đan xen tạo nên vô số ô nhỏ. Cách sắp xếp như thế giúp cấu trúc của lốp ổn định và không bị quá biến dạng dù lực tác động từ hướng nào, đồng thời độ bền cũng tăng lên. Với các cải tiến ở thế hệ thứ hai, lốp này đã có thể trang bị cho một chiếc xe hơi nặng cỡ nửa tấn, cùng với 1-2 người ngồi trong. Đây chính là sản phẩm mới nhất ở dòng lốp không hơi trên thế giới.
Lốp không hơi thế hệ 1 (xanh lá cây) và lốp không hơi thế hệ 2 (xanh dương)
Theo nghiên cứu của Bridgestone, khoảng 90% năng lượng bị thất thoát từ lực cản lăn của lốp là do những biến đổi liên tục về hình dạng lốp khi vận hành. Cải thiện được điều này là một trong những giải pháp chính giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu, đồng thời giảm ô nhiễm không khí.
Lốp xe Air Free của Bridgestone
Hankook cho biết lốp i-Flex có thể tái chế tới 95%. Điều này đồng thời góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường. Khả năng chịu tải của lốp không hơi cũng lớn hơn, và thời gian sử dụng có thể nói là vượt trội so với lốp thường. Khi lốp mòn, chỉ cần bóc lớp mặt lốp bên ngoài và thay mới, vừa nhanh gọn lại rẻ hơn nhiều so với thay toàn bộ lốp. Một đặc tính quan trọng đang được các hãng nghiên cứu để nâng cao là giảm triệt để lực cản lăn của lốp.
Lốp Hankook iFlex
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
https://www.researchgate.net/figure/Photograph-of-a-NPT-and-illustration-of-its-components-with-honeycomb-spokes_fig9_321967013
