安全轮胎及其在军车上的应用

中国汽车工程学会越野车技术分会 2008 年学术年会论文集38安全轮胎及其在军车上的应用高树新，何建清，解来卿(总装汽车试验场 江苏南京 210028)摘 要：定义了安全轮胎的概念和内涵，介绍了安全轮胎的发展历史，展望了其技术发展趋势，分析了主要种类安全轮胎的结构特点和优缺点，介绍了其在军车上的应用情况，得出了我军发展安全轮胎的启示，即以橡胶充气轮胎为基础开发辅助支撑型的安全轮胎，同时应及早规划安全轮胎系列，协调制定相关技术标准。关键词：军车 安全轮胎 应用 启示Safety Tire Application to Military VehicleGao Shu-xin， He Jian-qing， Xie Lai-qing(The Vehicle Proving Ground of General Armament of PLA,Nanjing2 10028,Jiangsu,China)Abstract：The concept and intension of safety tire were defined, the history of safety tire was overviewed, the technology trends were prospected, the construction feature, advantages and disadvantages of major safety tire types were analyzed. Basing on rubber inflation tire, developing auxiliary support tire , planning safety tire series early and formulating relative criterions are the inspirations of safety tire development for PLA. Keyword：military vehicle；safety tire ；application；inspiration轮胎是轮式车辆的重要组成部分，其主要功能是支承负荷，向地面传递驱动力、制动力、转向力，以及缓冲减振。轮胎对轮式车辆的牵引和通过能力，以及制动性、平顺性、操纵稳定性、经济性、可靠性，甚至环保性能有直接影响。对军用车辆来说，由于行驶地域错综复杂和战时处于枪林弹雨的战场环境，容易遭到自然 1的和人为的破坏，因此轮胎防破损及破损后的安全行驶性能对车辆的战场生存能力有着至关重要的影响。所以，应充分重视军用车辆轮胎的安全防护问题，大力研究和推广使用安全轮胎。1 国内外安全轮胎的历史及发展趋势安全轮胎在民车领域被俗称为“零压轮胎” 、“泄（漏、跑）气保用轮胎”或“防爆（漏）1作者简介：高树新，(1964-)，研究方向：汽车发展论证研究轮胎” ，应用于军车上有时被称为“防弹轮胎” ，其概念的内涵扩大了许多。 “零压轮胎” 、 “泄（漏、跑）气保用轮胎”和“防爆（漏）轮胎”仅局限在橡胶充气轮胎的范畴，而“安全轮胎” 、“防弹轮胎”则包括所有具有防破损及破损后能够支撑车辆以一定的速度安全行驶一端距离的性能的轮胎。高性能的安全轮胎必须具备两个条件：一是装用安全轮胎的车辆在正常情况下应具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性能，二是轮胎破损后车辆应具有可接受的操纵稳定性和行驶平顺性能，不影响行驶安全。安全轮胎的历史可追溯到 20 世纪初叶，美国固特异轮胎橡胶公司(Goodyear)是该领域的“开拓者和领跑人” 。该公司于 1934 年取得防爆内胎安全轮胎专利，1955 年研制成功双腔安全轮胎，1963 年开始批量生产具有内支撑物的安全轮胎Double Engle，1987 年在纽约车展上推出首批 EMT(Extended Mobility Tire，中国汽车工程学会越野车技术分会 2008 年学术年会论文集39增强 机 动 性 轮 胎 )， 1992 年 EMT 被 选 为 1994年款豪华轿车的推荐配件和 1995 年款豪华轿车的原装配件，固特异因此而成为世界首家轿车安全轮胎供应商 1 。现比较著名的世界安全轮胎供应商主要有米其林（Michelin） 、倍耐力（Pirelli） 、邓乐普（Dunlop）等公司，而哈其逊（Hutchinson）公司所生产的安全轮胎在美、欧等国的军用车辆上应用最为广泛。从 20 世纪 30 年代至今，安全轮胎走过了八十余年的研发历程。对橡胶充气轮胎而言，从最初的在胎面胶内埋置金属片和采用防爆内胎、多腔胎等，到后来使用填充物，通过技术探索，安全轮胎完成了从概念到技术方法筛选、优化和向产品转化的历史过程。目前比较成熟的安全轮胎技术主要有自封技术、自体支撑（胎侧补强）技术、辅助支撑（内支撑）技术等。除对传统橡胶充气轮胎施以安全措施外，科研工作者正在探索安全轮胎发展的新的技术途径，如弹簧轮胎，它是以机械弹簧为主要受力体，能实现免充气或少充气的一类新型轮胎，具有不怕漏气、耐刺扎、少维护、经久耐用等优点，但该类轮胎尚处于概念阶段，要使其在正常情况下的操纵稳定性、平顺性等性能等达到橡胶充气轮胎的水平，还有很多的路要走。我国自行研制安全轮胎始于 20 世纪中叶。中橡集团曙光橡胶工业研究设计院在 20 世纪70 年代就已开发成功辅助支撑型安全轮胎，沈阳三橡轮胎有限公司现已能生产自封型、自体支撑型和辅助支撑型 3 大类跑气保用轮胎，上海天衣轮胎有限公司开发了自封型防漏气轮胎2 。贵州轮胎股份有限公司研制了辅助支撑型泄气可行驶轮胎为我军 1.5 吨级级高机动性战术车辆配套。我国虽已掌握安全轮胎设计制造技术，但与国际先进水平相比仍有差距。安全轮胎在 20 世纪完成了由概念到产品的转化，在 21 世 纪 可 望 实 现 从 产 品 到 市 场 的 飞 跃 1 ，以当前的发展速度预测，预计在 2015 年到 2020 年间，安全轮胎产品有望取代普通轮胎2 。目前世界安全轮胎技术发展趋势是将多种原来单独使用的方法组合起来，加以整合优化，演变成能够制造出综合性能更好、更有竞争力的安全轮胎的新技术 1 ，如外胎采用胎侧补强的无内胎轮胎，采用内支撑体配合特定的轮辋作为泄气后承载体，并配以轮胎中央充放气系统（CTIS） 、轮胎压力监控系统（ TPMS） ，要求安全轮胎总成轻量化，泄气后承载能力大、行驶速度高、摩擦生热少、行驶距离远。2 安全轮胎的主要类型及其在军车上的应用 1-7对橡胶充气轮胎，安全轮胎主要有自封、自体支撑和辅助支撑等技术类型，此外还有胎圈锁止器、填充物安全轮胎、弹簧轮胎等。2.1 自封型安全轮胎自封型安全轮胎主要是在胎内侧附加一层内衬用于储存液态密封胶或在胎内侧涂敷一层固态胶，当胎面被扎破时，可迅速填补被破坏处（见图 1） 。主要有米其林公司在 1998 年推向市场的 Tiger NailGard 和大陆公司在上世纪九十年代初推向市场的 Gen* seal。国内上海天衣轮胎有限公司也于近年推出了一种自封型安全轮胎，它是用特殊工艺在轮胎内层均匀喷涂一种新型高分子有机记忆合成橡胶材料，能起到扎破不漏气的作用。自封型安全轮胎的优点是快捷方便，不会过多增加轮胎重量，缺点是有效补损范围小，一般只对直径 56mm 以下的刺扎破坏起作用，通常对胎侧的破坏不起作用，而且温度适应性图 1 自封型安全轮胎中国汽车工程学会越野车技术分会 2008 年学术年会论文集40能差，密封胶容易失效，一般用于民用汽车，国内的运钞车和警用改装车上也有应用，但尚未见有用于军车的报道。2.2 自体支撑型安全轮胎自体支撑型安全轮胎主要是通过降低胎侧高度、添加骨架材料、增大胎侧厚度等措施来提高胎侧的强度和刚度，以保证轮胎在泄气或零压力下仍具有正常轮胎的行驶功能（见图 2） 。主要有米其林的 Pilot XGT Z4 ZP 轮胎，固特里奇的 T/A ZR SSS 轮胎，邓乐普的 SP Sport 9000 DSST 轮胎，凡世通的 SH30 RF 轮胎，它们均为民用轮胎，国内尚未见有该类轮胎的报道。自体支撑型安全轮胎胎侧不宜过高，一般适用于扁平率为 0.30.55 的轮胎，有的需配置专用轮辋，存在的问题主要是由于胎侧刚度增大导致 乘 坐 舒 适 性 下 降 ， 同 时 胎 侧 增 强导 致 生 热 严 重 。2.3 辅助支撑型安全轮胎辅助支撑型安全轮胎主要是将内支撑体集成在轮辋上作为泄气后轮胎的主要承载结构。支撑体材料主要有金属、软/硬橡胶、高分子复合材料等，断面结构形状有蜂窝多气室、工字型或其它复合结构。其优点是未泄气时内支撑体只占据内腔一部分空间，因此对外胎正常使用性能影响较小，避免了采用自支撑技术而带来的乘坐舒适性下降、生热等问题，主要缺点是会导致轮胎重量的增加，有的需要配置专用轮辋，需要专门拆装工具。近年来，辅助支撑型安全轮胎发展迅速，并日渐成为主流。其中民用产品主要有米其林公司的 PAX 轮胎等，军用产品主要有哈其逊公司的多功能支撑体（VFI） 、防地雷多功能支撑体（Countermine VFI） 、多气室橡胶支撑体（VP.PV） 、充气橡胶支撑体（TLMO） 、复合材料支撑体（CRF）以及滚轮支撑体（Rodgard Tire Insert System）等，详见下表。表 1 哈其逊公司生产的辅助支撑型安全轮胎类 型 图 例 特 点 应用情况VFI多功能支撑体支撑体同时起固定胎圈和泄气后支撑行驶的作用，适用于无内胎轮胎，多件式平底轮辋。美军轻型高机动多用途战术车辆 HMMWV 采用。主要用于对行驶速度要求较高的指挥车、轻型车。Countermine VFI防 地 雷 多 功 能 支 撑 体应 对 反 坦 克 地 雷 的 破 坏 ， 能 够 改 变 地 雷 爆 炸 时产 生 的 冲 击 波 的 方 向 ， 减 少 200%的 向 上 冲 击 力 ，适 用 于 无 内 胎 轮 胎 ， 多 件 式 平 底 轮 辋 。美军防地雷反伏击车采用。图 2 自体支撑型安全轮胎中国汽车工程学会越野车技术分会 2008 年学术年会论文集39类 型 图 例 特 点 应用情况VP.PV多气室橡胶支撑体支撑体为蜂窝状模型硫化橡胶芯子，纵断面为多孔状，横断面为横向气室，约有 200800个孔径和长度不等的独立气室，因富有弹性而属于软支撑体，适用于无内胎轮胎，多件式平底轮辋。主要用于轮式装甲车辆或中、重型轮式军用车辆。TLMO充气橡胶支撑体在蜂窝状的气室里充有高压惰性气体，提高支撑体的负载能力和泄气后行驶平顺性，适用于无内胎轮胎，多件式平底轮辋。主要用于轮式装甲车辆或中、重型轮式军用车辆。CRF复合材料支撑体采用特殊的复合材料作为内支撑，能减少轮胎泄气后的摩擦和生热。可用于传统的深槽轮辋，也可用于其它类型的轮辋上，使用常规工具就能顺利安装。主要用于防弹车、运钞车和警用防暴车以及军用车辆。Rodgard Tire Insert System滚轮支撑体采 用 轻 质 、 高 强 度 工 程 聚 合 材 料 制 成 ， 分 滚 轮和 轮 轨 两 部 份 。 轮 轨 作 为 基 座 安 装 在 轮 辋 上 ，为 滚 轮 提 供 一 个 转 动 的 导 轨 ， 这 种 结 构 能 够 减少 泄 气 后 的 摩 擦 和 生 热 。 适 合 于 无 内 胎 轮 胎 ，标 准 轮 辋 。已在欧洲警车和防弹车使用了 20 余年。适合于防弹运动多功能车、消防车、运钞车、警用和军用车辆。 2.4 胎圈锁止器胎圈锁止器（BEADLOCK）是将特种橡胶或金属制成的轮箍安装在对开式或普通平底轮辋上，其侧面将外胎紧压在轮缘上，以密封胎内空气并固定外胎（见图 3） 。当轮胎被穿透泄气时，轮圈锁止器与外胎内表面接触，通过轮辋直接支承车辆重量，同时锁定外胎使其不会脱落，保持车辆以一定的速度继续行驶。胎圈锁止器常与轮胎中央充放气系统（CTIS）配合使用，能够防止低气压下胎圈与轮缘发生滑转或出现脱圈，同时也起到防止碎片、水滴等异物进入轮胎内腔的作用。从而提高轮胎的软地面通过能力。美军在重型战术车辆（HEMTT） 、重装备运输车（HETS） 、中型战术车辆（FMTV）以及重型托盘运输系统（PLS）等军车上图 3 胎圈锁止器中国汽车工程学会越野车技术分会 2008 年学术年会论文集39应用了胎圈锁止器。2.5 填充物安全轮胎填充物安全轮胎是在普通充气轮胎内腔中充填满富有弹性的特种材料，如橡胶海绵体、高弹性聚胺酯等作为主要支撑体，其优点主要是承载能力大、耐刺扎，在胎体受损面积不超过 30仍可使用，缺点是自重大、滚动阻力大、生热大、行驶速度低。目前在国内外市场上，海绵填充物轮胎已逐步淘汰，而灌注式聚胺酯实芯轮胎仍较多应用于炮车和轮式装甲车辆上。2.6 弹簧轮胎弹簧轮胎采用机械弹簧代替传统橡胶轮胎中的密封气体作为缓冲减振装置，具有免充气、不怕刺扎、少维护、经久耐用等优点，图 4 是专利号为 00204750.0 的弹簧轮胎结构示意图。该类轮胎尚处于概念研究阶段，有两大问题尚未完全解决：一是大多数弹簧轮胎的弹簧呈径向分布，虽然解决了垂直方向的减振问题，但不具备橡胶充气轮胎那样的侧偏特性，对车辆操纵稳定性可能存在较大影响。二是弹簧轮胎与地接触不像充气轮胎那样较为均匀，也不像充气轮胎那样有良好的包络特性，因此缓和碎石、砾石等不平路面冲击的能力较差。目前，该类轮胎的专利较多，但尚未见投入实用的报道。3 我军发展安全轮胎的启示近年来，安全轮胎在民用汽车，特别是在高级轿车、银行运钞车及警用车辆上应用较多，对轮胎泄气后的安全保护效果明显。由于安全轮胎在被击穿和刺穿后仍能保证车辆的机动性特性，使其在军用车辆上也逐渐得到应用。美军早在 1985 年就在 HMMWV 轻型高机动多用途战术车辆上采用多功能内支撑体安全轮胎，同时与轮胎中央充放气系统一起结合使用，其卓越的性能令 HMMWV 军车在各类军事行动中大放异彩。因此，及早研究和装备具有自主知识产权的高性能的安全轮胎，对提高我军车辆装备战场生存能力、更好地适应未来战场环境具有重要意义。我军发展安全轮胎应注意选择适合我国国情和我军车辆装备使用特点、装备能力的类型进行技术开发。（1）由于橡胶充气轮胎占据几乎所有的轮式车辆市场，且国际上相关安全轮胎技术基本成熟，