新型3D打印电动滑板车轮胎滚动阻力研究

《Proceedings of the Design Society》：Investigation into the rolling resistance of novel 3D printed e-scooter tyres

　　

电动滑板车已巩固其作为城市地区便捷交通解决方案的地位，全球每年完成数亿次电动滑板车出行。该研究调查并呈现了12种电动滑板车轮胎的有用性能数据，包括3种由90A硬度热塑性聚氨酯（TPU）制成的新型3D打印轮胎。研究结果突显了3D打印轮胎在性能上与现有电动滑板车轮胎相媲美的潜力。该研究呈现的信息有助于更好地理解这些设备相关的能量损耗。

## 研究背景与问题提出

快速城市化持续加剧了对城市内部高效、低排放交通方式的需求。作为更广泛可持续性和脱碳战略的一部分，微型出行解决方案如电动滑板车已成为短途通勤和与公共交通衔接的常见交通模式。然而，这种交通方式的迅速普及也凸显了在实施和执行法规方面的挑战，即如何在促进微型出行用户安全的同时最小化对微型出行使用的负面影响。许多城市已禁止无桩电动滑板车公司在特定区域运营，以减少设备不当停放相关事件的发生。此外，大量与电动滑板车相关的伤害源于防护设备的不足使用以及过快的行驶速度。

尽管存在这些监管和安全挑战，电动滑板车仍具有诸多优势，包括减少拥堵、潜在的温室气体排放降低以及与私人车辆相比极小的基础设施需求。仅在美国和加拿大，2019年至2022年间每年就有3500万至8800万次电动滑板车出行完成，这凸显了改进微型出行设备可持续性和性能的巨大机会。

牵引力理论指出，电动滑板车在斜坡上的牵引力（F_T）等于空气动力阻力（F_D）、各轮胎的滚动阻力（F_rr1和F_rr2）、惯性力（F_ma）以及斜坡力（F_mg）之和。在较低速度下，当空气动力阻力减小时，轮胎滚动阻力造成的能量损失成为影响车辆整体效率的重要参数，这对于电池容量有限的车辆尤为关键。既往研究使用滑行测试和滚动阻力拖车对一系列充气和非充气电动滑板车轮胎进行了性能基准测试，结果显示这些轮胎在彩绘混凝土上的滚动阻力系数（C_r）在6 km·h^-1速度下为0.007至0.26，且轮胎规格（包括尺寸和构造方法）并不一定能可靠预测其滚动阻力性能。

近年来，非充气轮胎（NPT）取得了多项进展，相比传统充气轮胎具有防刺穿、提高耐用性、减少维护以及通过改善滚动阻力和可回收性实现环境优势等显著优点。增材制造能力的提升使许多NPT能够通过3D打印技术，采用多种材料和晶格结构（包括六边形蜂窝、陀螺面和三重周期性极小曲面（TPMS）结构）进行制造。然而，目前尚无研究调查3D打印电动滑板车轮胎的性能。

## 研究目的与方法

该研究旨在开发和评估采用材料挤出（MEX）增材制造工艺（通常称为熔融沉积建模（FDM））的新型非充气电动滑板车轮胎，重点聚焦轮胎的滚动阻力性能，并与现有电动滑板车轮胎进行比较，以提供关于MEX基3D打印技术如何用于开发包括微型出行设备在内多种应用新型轮胎的有用见解。

研究人员开展此项研究的核心原因在于：电动滑板车出行量巨大，其能量效率直接影响使用成本和环境影响；而轮胎滚动阻力作为低速时的主要能量损失来源，通过创新轮胎设计和制造技术具有显著优化空间；3D打印技术为快速迭代和定制轮胎设计提供了前所未有的灵活性，但其应用于电动滑板车轮胎的实际性能尚待验证。

该研究使用滚阻拖车（towing force）作为主要测试装置，拖车由配备遥控桌面发射器的Segway Ninebot F Series F40电动滑板车牵引，通过校准的200 kg负载传感器（YZC-516C）以20 Hz频率记录力数据。测试在彩绘混凝土室内平面上以6 km·h^-1的低速进行，假设惯性力和空气动力可忽略，轴承阻力可忽略，记录的牵引力等效于轮胎总滚动阻力。每种轮胎在50 m距离内重复测试四次，每次测试使用成对相同轮胎。3D打印轮胎在所有拖车质量（20 kg至100 kg，对应法向力98.1 N至490.3 N）下测试，九种市售充气/非充气轮胎仅在100 kg质量下测试以便比较。数据经Microsoft Excel处理，采用中值法确定牵引力，并通过公式C_r = F_rr/F_N计算滚动阻力系数。

垂直刚度测试采用Instron ElectroPuls E3000试验机进行循环压缩测试，在1 Hz频率下施加540 N负载（估计最大静态轮胎负载），最小负载20 N以维持接触，通过Python 3.13计算加载循环中线性最佳拟合线的斜率确定垂直刚度。

3D打印轮胎设计以Xiaomi Pro 2电动滑板车为参考车型（8.5×2英寸轮胎），所有几何设计适配分体式轮辋变体。经迭代设计，初始原型选择陀螺面晶格（TPMS）作为支撑结构，因其有利的结构特性、可制造性（自支撑）和几何参数可调性；后期开发了二维六边形蜂窝结构作为潜在大规模制造（如注塑成型）的选项。三种3D打印轮胎分别为：Tyre J（陀螺面晶格结构）、Tyre K（六边形蜂窝结构延伸至胎面）、Tyre L（方形支撑结构蜂窝，外圈可更换橡胶胎面）。制造使用Bambu X1E 3D打印机，喷嘴直径0.4 mm，材料为PolyFlex 90A热塑性聚氨酯（TPU，拉伸强度30.0 ± 0.66 MPa，断裂伸长率585%），打印参数包括：层高0.15 mm、打印速度约25 mm/s、喷嘴温度230°C、热床温度35°C、回退距离0.4 mm、回退速度30 mm/s。

## 研究结果

**滚动阻力与牵引力**：Tyre L在所有3D打印轮胎中表现最优，滚动阻力系数C_r为0.024，Tyre J和Tyre K分别为0.025和0.028。三种3D打印轮胎的牵引力随法向力增加而增加，其滚动阻力值与四种市售轮胎（两种充气、两种非充气）相当或更低。在100 kg拖车质量下，Tyre L的表现略优于常用于Xiaomi滑板车的实心轮胎Tyre A。

**垂直刚度与滚动阻力关系**：所有测试轮胎的垂直刚度范围为0.097 kN/mm（Tyre C）至0.704 kN/mm（Tyre H），3D打印轮胎经迭代调整后达到0.1-0.2 kN/mm的目标范围，以提供与其他8.5×2英寸轮胎相似的骑行感受。刚度与滚动阻力无直接相关性：Tyre D刚度与多种其他轮胎相当，但却需要最大的牵引力，表明其在加载和卸载过程中存在更大的能量耗散。Tyre G刚度最高且滚动阻力系数最小（0.014），但未考虑骑手舒适性。

**滚动阻力系数比较**：所有轮胎的滚动阻力系数范围为0.014（Tyre H）至0.028（Tyre K）。与以往使用80 kg拖车质量的研究报告值相比，该研究中滚动阻力系数计算值有所增加，提示基本滚动阻力方程可能需要进一步发展，以考虑法向力与滚动阻力力之间的非线性关系，以及车速和轮胎压力（如适用）等因素的影响。

## 讨论与结论

该研究成功开发并评估了新型3D打印非充气电动滑板车轮胎，证明其性能可与市售轮胎相媲美。Tyre L的设计特别值得关注，因其采用了可持续性考虑——方形支撑结构和可更换橡胶外胎，仅需更换磨损的外胎而非整个轮胎，这在提高产品生命周期和减少浪费方面具有积极意义。

Bambu X1E 3D打印机的使用有效实现了3D CAD设计的现场打印和评估，但打印质量仍有随3D打印技术进步而提升的空间。未来研究应扩展至长期性能、成本和耐久性的进一步评估，以及不同胎面花纹对轮胎性能影响的优化设计研究。压缩测试结果的扩展分析将有助于更好地理解各轮胎的滞后特性，从而为改进这些轮胎的能量效率提供有价值的见解。

该研究为总共12种不同构造的电动滑板车轮胎（包括3种由90A TPU制成的新型3D打印轮胎）呈现了轮胎性能数据。研究结果补充了现有文献，提供了关于多种电动滑板车轮胎垂直刚度、滚动阻力系数和牵引力值的有用信息。研究结果表明，3D打印轮胎能够实现与商业可用选项相当的性能，其中Tyre L展现出与Xiaomi电动滑板车使用的Tyre A相似但并未明显更优的性能。未来工作应进一步开发和评估这些3D打印轮胎的成本和性能。