Forskning om luftfria däck i EU-projekt

Lägre materialåtgång, bullernivåer och rullmotstånd. Luftfria däck skulle kunna ge sådana fördelar. Ett genombrott för konstruktionen kan vara på gång inom LEON-T, ett EU-projekt inom forskning och utveckling med 10 partner. VTI medverkar genom forskningsledare Ulf Sandberg som ansvarar för arbetspaket 5 om luftfria däck.

– Det här är ett drömprojekt för mig som egentligen inte behöver jobba längre. Jag har starka känslor för principen som jag började jobba med redan för 34 år sedan och jag har skrivit många uppsatser om, säger Ulf Sandberg.

Det är inte längre motorn som bullrar mest på fordon utan däcken. Utmaningen i arbetspaketet är därför att ta fram däck för tunga lastfordon som reducerar bullret med minst 6 dB(A).

Där kan lösningen vara luftfria däck, det som på engelska benämns airless tyres. I över 100 år har luftfyllda däck setts som det enda möjliga för motorfordon. På senare tid har förhoppningar uppkommit om ett bättre alternativ – luftfria däck.

Förutom lägre buller kan det finnas många fler fördelar: Rullmotståndet kan minska och därmed energiåtgången, mindre risk för vattenplaning, inga behov av att kontrollera och justera lufttrycket, ingen risk för punktering, mer miljövänliga och mindre material, mer plats för annat i fordonet, möjlighet att framställa däcken genom 3D-printing samt ett mer futuristiskt utseende.

Vad är det då som ersätter luften i däcken? Luften har ju till uppgift att genom sin inneslutning i däckets gummiring bära bilens last. Numera är dessa däck oerhört komplicerade. Deras sidor, bälte och slitbana kan bestå av mer än 100 olika komponenter eller material. I den luftfria varianten blir luften och dess inneslutning ersatt med ekrar. Ekrarna fungerar också som fjädring vilka på ett lagom flexibelt sätt överför och dämpar kraften mellan fälgen och vägytan.

Dessa fjädrande ekrar består vanligen av kompositmaterial, liknande den typ som exempelvis finns i moderna fritidsbåtar. Det kan låta enkelt, men i praktiken är det komplicerade processer som måste fungera, menar Ulf Sandberg. Hittills har ändå nackdelarna med luftfria däck övervägt – framför allt eftersom konstruktionerna ännu inte stått pall för de extrema påfrestningar som bildäck utsätts för.

– Alla stora däcktillverkare har tagit fram luftfria däck som koncept någon gång men inte satsat tillräckligt för att de ska fungera i trafik, förutom Michelin som numera testar en variant på mindre fordon. En tysk doktorand har tagit fram ett luftfritt cykeldäck som dock inte blev kommersialiserat. Däck fyllda med gummi i stället för luft finns bland annat för cyklar och i arméfordon men är för tunga för allmänt bruk.

Bärande roll i delprojektet har Hans-Erik Hansson, uppfinnaren från Finspång, som också har tagit fram själva däckkonstruktionen. Redan i slutet av 1980-talet utvecklade han ett luftfritt däck för att minska rullmotståndet för tävlingscyklister och sulkies i travsammanhang. Där bestod kompositmaterialet av glassfiber och polyesterlaminat.

– Hans-Erik Hansson kom till VTI för provning av sina konstruktioner. Men jag såg en potential för personbilar. Med hjälp av anslag från Styrelsen för teknisk utveckling, nuvarande Vinnova, tog då Hansson fram en första variant för personbil redan 1990. Projektet gick då ut enbart på att testa principen om bullerdämpning vilket lyckades.

Forskningsinsatserna fortsatte, men däcken blev inte tillräckligt hållbara på grund av sprickbildning i konstruktionen. Bättre versioner kom fram i ett stort internationellt projekt lett av VTI i slutet av 2000-talet. Tester på normala vägytor gav utmärkta resultat, men det visade sig att konstruktionen inte var anpassad för att köra i hög hastighet vid test på en av Volvos provbanor, den så kallade potthålsbanan. Det är ett extremt prov som alla däck ska tåla även om de i praktiken inte utsätts för så svåra förhållanden.

Det nya greppet inom EU-projektet LEON-T, som måste fungera för lastbilsdäck, är att byta ut kompositmaterialet i ekrarna till stål – vilket kan vara lösningen för att klara de påfrestningar som hjulen utsätts för. Fossilfritt stål skulle dessutom göra hjulen mer miljöanpassade.

– Här gjorde Stockholmsföretaget Lightness by Design en viktig insats med att hjälpa Hans-Erik Hansson att beräkna hållfasthet hos olika stålkonstruktioner. Även vår spanska partner medverkade genom att med sina modeller kontrollera funktionen under rörelse.

Med som partner i arbetspaketet är Applus+ IDIADA, ett stort spanskt testinstitut för fordon och däck som hjälper till med simuleringar och modelleringar. Institutet är också LEON-T:s koordinator. Stålet till ekrarna kommer från Ovako Sweden AB, vidarebearbetat av Lesjöfors bruk AB och ID Modeller AB. En annan projektdeltagare är kinesiska däckföretaget Linglong som har bidragit med gummi.

Hittills har en första prototyp testats i Linköping på en eldriven lastbil genom att köra vid olika hastigheter och observera hur däcket rör sig, vilket utföll väl. Därefter har ett test på en ståltrumma i den spanska testanläggningen indikerat problem med att det yttersta skiktet, slitbanan, lossnar från bältet som är nästa skikt. Det är nu den stora utmaningen att fixa det problemet. När det har lyckats är planen att göra rullmotståndsmätningar på den spanska ståltrumman. Sedan blir det bullermätningar.

I februari ska Ulf Sandberg hålla ett föredrag om konstruktionen på en konferens vid Tire Technology Expo 2024 i Hannover. Det luftfria däcket har också väckt stort intresse i Japan där Ulf Sandberg har hållit ett seminarium om konceptet, som nu ger ringar på vattnet även där.

VTI är en av tiotal partners i projektet LEON-T, som handlar om även andra däckfrågor än att utveckla luftfria däck. Övriga svenska partner är Hanssons företag Euroturbine och Göteborgs universitet. Projektkonsortiet vann i starkast möjliga konkurrens, nämligen i konkurrens med ETRMA, sammanslutningen för de europeiska däckföretagen. Däckföretagen ansåg att ljuddämpning för lastbilsdäck med kravet på 6 dB(A) inte är möjlig.

Kommersialisering av produkten kommer att kräva mycket stora resurser som naturligtvis inte finns i enskilda forskningsprojekt av detta slag utan det måste däcksindustrin stå för, menar Ulf Sandberg.

– Däckföretagen är dock ännu inte så intresserade av att gå vidare, eftersom nästan alla deras fabriker och allt som de håller på med i dag skulle bli inaktuellt, med undantag för framtagandet av slitbanorna. I längden måste däcktillverkarna ändå hänga med i den här utvecklingen, eftersom de utsätts för krav från bilindustrin, annars kan det gå som med Facit i Åtvidaberg, säger han.