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安全轮胎国内外发展现状轻型汽车技术2011(9)总265技术纵横3安全轮胎国内外发展现状岳红旭许靖t胡国强z(1.南京航空航天大学能源与动力学院2.武汉理工大学汽车工程学院)摘要本文概述了安全轮胎的分类和发展历史,重点对双内腔型,自密封型,自体支撑型,内支撑型以及无气型安全轮胎做了细分介绍,并分析研究了各自的优缺点以及应用情况,最后预测了新型安全轮胎发展的趋势,对研究安全轮胎具有重要的参考价值.关键词:安全轮胎核心技术发展现状安全轮胎的分类及发展历史为了满足人们对轮胎安全等方面的迫切需求,世界各国提出了各种提高轮胎安全性能,降低轮胎滚动阻力的技术措施,包括防漏(扎)技术,泄气保用技术,零压续跑技术等.相应地也出现了一些安全轮胎产品.从国外相关的产品和研究现状上来说,按照结构形式,安全轮胎可以被划分为以下几种形式:双重内腔型,自密封型,自体支撑型,内支撑型以及无气型.(1)双重内腔型双重内腔型(doubleinnercavity)安全轮胎是在轮胎内腔设置小轮胎或隔膜,如图1中的(a)(b)所示.一旦外胎扎破漏气,内腔部件发挥作用,临时支撑车辆在正常速度下继续前进从而保证行驶安全性.还有一种双腔连体轮胎如图l中的(13)(d)所示.双重内腔需要特殊设计,其爆胎安全性能不是很好,日前很少应用.这种结构的安全轮胎最早见于美国固特异轮胎橡胶公司(goodyeartire&rubberco.)于1934年取得防爆内胎安全轮胎专利,并且在1955年成功研制出双腔安全轮胎,1987年推向市场,称为emt(extendedmobilitytire,高机动性能轮胎).(a)内部小轮胎(b)内部隔膜一(c)双腔连体(b)纵向隔膜图1双重内腔型安全轮胎截面示意图这种双重内腔型轮胎在一定程度上解决了轻度的刺穿和突然爆裂的问题,但是仍然依赖充气结构.在轮胎损伤严重时(如两层腔被同时刺穿等)无能为力,这对于在特殊路况下行驶的军用车辆来说尤其不利,而且复杂的机构进一步加重了轮胎自身重量和滚动阻力.目前已经逐步退出市场.(2)自密封型自密封_gi(self-sealing)安全轮胎是在普通标准轮胎结构基础上增加一层特别的内衬层,内衬层与4技术纵横轻型汽车技术2011(9)总265轮胎内表面形成一个副腔,副腔内充满特殊密封剂,一旦轮胎破损,密封剂流出固化伤口如图2所示.1992年德国大陆公司推出的gen*seal轮胎正是这样的结构.同样,1998年法国米其林的tigerpawnailgard轮胎也属于自密封型安全轮胎.(a)钉子扎人轮胎(b)钉子拔出之后图2自密封型安全轮胎结构示意图这种轮胎能解决轻度的轮胎破损问题,相对双腔结构轮胎重量较轻,阻力较小;但是它仍然依赖充气机构,无法解决轮胎严重破损问题,而且它需要特殊加工工艺制造,失压后一般行驶距离较短,日前也处于逐渐被淘汰的地位.(3)自体支撑型自体支撑型(sesupportin安全轮胎是在轮胎侧面的散热带束层之间夹人特殊橡胶(如图3所示).当轮胎漏气失压时,胎侧补强结构能防止胎侧折叠,并使胎唇紧箍轮相,胶料弹性则可以保证基本行驶的功能.这种轮胎分为配套特制轮相和标准轮相两种类型.(注:上文所引用的部分中所称的轮相即轮辋).在这一类轮胎产品中按照轮辋和支撑形式还可以分为以下几种:使用特制轮辋和自体支撑物的轮胎.典型代表是日本普利司通1992年3月研制成功的expedia轮胎/轮辋总成,由胎侧补强轮胎,特制楔形轮辋,轮胎气压监测系统(tpms)组成,能够在失压的情况下以80km/h行驶240km.类似的还有法国米其林1994年研制成功的mxv4轮胎,能够在失压的情况下以80km/h行驶80km.由于非标准轮辋需要特殊加工,胎侧补强结构亦需要特殊工艺处理,比普通轮胎重20%一40%.标准轮辋和加物支撑的轮胎.与上一种相比,这种轮胎使用的是标准轮辋.1999年,13本普利司通公司的hawk轮胎是可以与标准轮相配套的自体支撑型轮胎.其胎侧采用独特的带束层设计,质量较轻,能够在失压的情况下以80km/h行驶80km.2000年6月,日本住友橡胶工业公司推出cct轮胎是标准轮辋式的,胎侧是多曲率轮廓线,拥有良好的自支撑能力,而且更加轻量化.2001年10月,意大利倍耐力公司的eufori子午线安全轮胎,使用mirs(模块集成自动化系统),具有智能支撑式内侧,能够在失压的情况下以80km/h行驶150km.由于安装在普通轮辋上,这种轮胎更加便利,但其胎侧刚性大而影响乘坐舒适性,目前只适合于小型车辆.(a)胎侧补强结构(b)正常气压状态(c)失压状态图3自体支撑型安全轮胎截面示意图总的来说,自体支撑型轮胎重量相对双腔轮胎较轻,能够解决轮胎轻度损伤的问题,使用,更换较为简单方便;但是同样它无法解决轮胎严重受损的问题,而且对于在大型车辆上的使用有所限制,舒适性不佳,不适用于军事需求的车辆.(4)内支撑型内支撑型(insertssupporting)安全轮胎由标准轮辋或非标轮辋,内支撑体和轮胎组成,其结构如图4所示.这种轮胎己经自成一套组合系统.附加的内支撑体在正常气压下不参与支撑作用,所以不影响车辆的乘坐舒适性和行驶平顺性.轮胎在失压状态下的续跑能力比其他类型的安全轮胎好,能够保证车辆较长时间远距离行驶.根据内支撑体的结构形式又可划分为单块式,双块式,三块式等.此型的轮胎历史为:1997年,法国米其林公司推出pav轮胎(垂直固定充气轮胎),1999年升级后改称pax,能够在失压的情况下以80km/h行驶200km,是当时全球断面最低的安全轮胎(60系列).1999年德国大陆公司的cws系统和1994年意大利倍耐力公司的emi系列与上述轮胎类似,不过使用的材料不同,重量不同.此型轮胎相比于前几种安全轮胎形式,能够基本解决轮胎轻度破损的情况,而且自重相对来说比较低,对车辆的操纵性能影响不大.在某些轮胎严重破损的情况下也可以临时使用,但是这种轮胎形式会增加车辆负载,增大行驶阻力,严重情况下续航里程也有待验证.轻型汽车技术2011(9)总265技术纵横5查(a)正常气压状态(b)零气压状态图4内支撑型安全轮胎截面示意图此外,1997年美国固特异公司的engleemt轮胎产品则是一个自支撑型和内支撑型综合而成的特例,能够在失压的情况下以80km/h行驶320km.,优势在于续航里程较长,但是重量和舒适性也有待考证.(5)无气型无气型其实是本文中定义各种不依靠充气结构或者不完全依靠充气结构的新型安全轮胎的总称.它们各自的原理差距较大,在研究和产业领域的影响也不尽相同,由于暂时没有一个统一的说法,本文暂时把它们归纳在此逐一说明.活节轮胎马来西亚asiaticairboss公司于1993年研制成功防刺穿活节式工业轮胎/轮相系统一一airboss活节,它由活节式轮胎和特制轮辋组成,适配装载机和挖掘机.活节式轮胎未装上轮辋时,看上去像是一条橡胶履带,由数十个用薄钢板补强的,剖面为圆角梯形的中空橡胶件组成,在每个橡胶件底边开有洞眼,并己在成型时安上螺栓;将每个橡胶件底边的螺栓与特制轮辋上的相应洞眼对准,用螺母固定,即得到轮胎总成.活节式轮胎用模压法或浇注法均可制造,材料为天然橡胶或丁苯橡胶,聚氨醋由于成本太高暂时还无法普及应用.活节数多视轮胎规格而定.这些活节遭损坏后,可独个取下翻新或更换.按照前述的安全轮胎分类,活节式工业轮胎/轮辋系统应属于特制轮辋与多腔型的综合体.airboss活节式轮胎具有如下优异性能:使用寿命是普通轮胎的4.5倍,在使用12个月后胎面厚度仍保持75%;刚性分别比充气轮胎和实心轮胎大23.5%和100%,滚动阻力下降50%一58%;减震性为充气轮胎的1.521.85倍;牵引力比充气轮胎大37%.活节轮胎能够在较大程度上解决轮胎的安全耐用问题,可是它自体较为庞大,机构复杂,灵活性差,没有完全摆脱充气结构,还是有可能在各个活节都破损的情况下大幅降低行驶能力,适用于大型野外作业机械,不太适用于民用普通汽车以及普通军用车辆.灌注式实心轮胎灌注式实心轮胎是将两种高分子材料灌注到轮胎内部,在一定的温度下使其发生化学反应,产生一种高弹性的聚合物一聚胺醋,与轮胎形成一体,而轮胎内部没有压力,如图5中所示.自60年代起美国就开始应用该技术,我国直到2000年起才开始研制装备这种轮胎.图5灌注式实心轮胎截面示意图该型轮胎适应范围广,温度适应性好,行驶平顺性好,寿命长,压缩变形小,避震性好,价格适中,但是这种轮胎自重过大,对车辆动力性要求太高,现在一般应用于一些对机动性要求不高的轮式设备上,如可牵引式火炮等.不太适用于高机动性的普通汽车和战地轻型车辆.pu无气轮胎pu是poronurethanes的英文缩写,即多孔聚氨酯.2005年,法国米其林公司的pu(poronurethanes)无气轮胎(见图6)和整体式pu无气车轮tweei(见图7)问世.该轮胎无须充气,不需保养(不必检查轮胎气压),易于翻新,不怕刺扎,抓地力强,滚动阻力小,路面压力分布更佳,噪音低,更耐磨,减震性能优异(可较大规模地变形)等,更为重要的是pu轮胎生产工艺简单,设备投资少,成本低.经试验,用这种全新原料生产的pu轮胎具有耐油,耐溶剂,耐磨,弹性好等优点,比金属更耐长期冲击,能够起到缓冲和弹簧的作用,安全性和使用性均可达到或超过橡胶轮胎,轮胎的耐磨性和滚动阻力指标获得提高.6技术纵横轻型汽车技术2011(9)总265合成橡胶带胎值子午向苫胎体图6pu(poronurethanes):气轮胎结构示意图三蕾o图7整体式pu无气车轮tweei结构示意图图8米其林系列pu轮胎在轿车,n-r程机械上的应用目前,改型轮胎已经在多种车辆上实验,得到良好的效果(如图8),但是由于pu材料本身加工上的工艺等问题,这种轮胎目前在产业化方面仍然有很多问题无法解决,短期内还无法生产装备,尚且停留在概念阶段.并且该型轮胎的防弹,防火等适用于军事用途的性能目前也并不明了.总的来说,各种无气型安全轮胎往往有着传统充气机构轮胎不具有的突出优势,譬如airboss活节轮胎具有局部可替换性,灌注式实心轮胎和pu无气轮胎几乎可以摆脱轮胎爆裂和刺穿的危险,但是无气型安全轮胎目前几乎都面临着在有效克服传统轮胎问题的同时,无法完全解决带来的新问题,如pu材料的技术成熟度和产业化问题.由此可见,要想完全摆脱爆裂,刺穿等轮胎问题,使用无气机构是一个有效的方法和途径.尽管困难重重,但是它们仍然代表着新型安全轮胎发展的新趋势,也很可能是未来安全轮胎发展的正确道路.2国内安全轮胎发展历史与现状我国在新型轮胎方面也进行了很多有效的研究,取得了较大的经济,社会以及国防效益.目前上述的几种主要的安全轮胎类型我国均有成熟产品,可以自主研发并供应市场,相对高端,新型的几种安全轮胎稍有落后,但是也在积极研究中.中橡集团曙光橡胶工业研究设计院(以下简称曙光院),沈阳二橡轮胎有限公司(以下简称沈二)是我国最早涉足安全轮胎研究领域的企业.在上世纪70年代,曙光院就己开发成功加物支撑型安全轮胎.沈二日前生产的和平牌安全轮胎有内胎自封式,自体支撑型和加物支撑型二大类共20多个规格,其中加物支撑型又有支架式和海绵式两种.失压后驶出距离为30公里.和平牌安全轮胎现己应用于红旗轿车,轮式战车,防暴车,运钞车等需要特殊保护的机动车辆上.上海天衣轮胎有限公司是一家民营企业.该公司开发的自封式安全轮胎一一防漏气轮胎,在遭到直径1-6mm,长度loomm的钉子扎破后,仍然行驶自如.该项技术于1998年获中国专利(专利号:zl98224987.k),2002年底获美国专利(专利号:10/291505).天衣牌防漏气轮胎于2003年通过国家橡胶轮胎监督中心质量鉴定.现今国内军用车辆上使用的有灌注式实心轮胎,内支撑体轮胎,内沉陷限制器轮胎等几种新型防弹安全轮胎,虽然可以显着提高轮式车辆的战时安全性能,但由于存在重量大,价格昂贵等方面的缺陷,其使用范围受到了限制.中国北方车辆研究所的李莉等人研究了一种辐条板式的无气轮胎并且进行了仿真验证,得到了良好的效果,目前暂未见到实验进一步报道.综上可知,我国在新型安全轮胎研究方面有着比较长久的历史和显着的成就,几种传统的安全轮胎我国都有研究和生产,但是在新型无气型的安全轮胎方面,目前我国还停留在理论仿真阶段,还没有达到或者超过国外先进水平.3安全轮胎发展现状对比及展望综合以上国内外关于新型轮胎的研究发展现状,并结合目前已知的民用和军用的轮胎的安全需求,可见:轻型汽车技术2011(9)总265技术纵横71)内腔型轮胎可以有效地解决轻度轮胎刺穿和爆裂问题,但是功能实现有限,结构复杂,自重大,滚动阻力大,目前已经淘汰;自密封型轮胎能解决轻度的轮胎破损问题,相对重量较轻,阻力较小,依赖充气机构,无法解决轮胎严重破损问题,加工工艺复杂,失压后一般行驶距离较短,目前也处于逐渐被淘汰的地位.2)自体支撑型轮胎重量较轻,能够解决轮胎轻度损伤问题,无法解决轮胎严重受损问题,对于使用在大型车辆上有所限制,舒适性不佳,不适用于军事需求的车辆.3)内支撑型轮胎能够解决轮胎轻度破损的情况,自重比较低,对车辆的操纵性能影响不大,在某些轮胎严重破损的情况下也可以i临时使用,但是会增加车辆负载,增大行驶阻力,严重情况下续航里程不佳.4)活节轮胎自体较为庞大,机构复杂,灵活性差,没有完全摆脱充气结构,适用于大型野外作业机械,不太适用于民用普通汽车以及普通军用车辆;灌注式实心轮胎适应范围广,温度适应性好,行驶平顺性好,寿命长,压缩变形小,避震性好,价格适中,但是自重过大,对车辆动力性要求太高,不适用于高机动陛的普通汽车和战地轻型车辆;pu无气轮胎无须充气和保养,不怕刺扎,抓地力强,噪音低,更耐磨,减震性能优异等,生产工艺简单,设备投资少,成本低,但是由于pu材料本身加工上的工艺等问题,短期内还无法生产装备,尚且停留在概念阶段.所以,对比研究以上安全轮胎的发展历史和趋势可以大胆预见:一种不怕刺穿,防爆裂,滚动阻抗小,机械效能高而节能,无侧晃,防冲振性强,适载能力大,使用寿命长,最好可以摆脱充气结构而具有一定的防弹,防火以及防小型炸药能力的民用,军用新型安全轮胎呼之欲出.4结论新型轮胎产品的出现具有巨大的市场前景和重大的国防安全意义.及早研究和装备具有自主知识产权的高性能安全轮胎,对提高军车装备战场生存能力,更好地适应未来战场环境具有重要意义.参考文献1杨欣.零压续跑轮胎内支撑虚拟设计与性能分析【d.长春:吉林大学,2007.2邓海燕,关泰.安全轮胎的发展历史和未来前景fjj.化工科技市场,2005,(3):914.3吴正权(编译1.