轮胎技术的应用与发展趋势

轮胎技术的应用与发展趋势

目前，轮胎的使用已成为多种运输车辆、移动设备和走路机的普遍现象，也是该机不可或缺的重要组成部分。它同铁(木)轮、金属爪、履带和托板等相比,具有一系列无比优越性能:不仅易于驱动和刹车,而且又耐磨抗滑,减轻振动,保持静音,节能环保。特别是可以降低车械重量,实现高速安全行驶,使整机工作性能显著提高,使用寿命大幅延长。轮胎现已被视为车械发展现代化的象征和标志。轮胎的生产使用从1889年和1895年先后在自行车和汽车上开始,如今已有110年以上的历史。100多年来,以橡胶复合材料制成的轮胎产品,不论结构材料和加工技术均发生了重大变化。在结构上,已由斜交胎发展到子午胎,有内胎变为无内胎,圆形过渡到扁平状。材料上由天然橡胶扩展到合成橡胶,炭黑到白炭黑;骨架从棉帘线、强力人造丝演变到尼龙、聚酯、芳纶和钢丝帘线。轮胎性能更由低速耐久到高速安全,抗湿滑、低滚阻到全天候、节能环保,还有泄气保用、高端安全智能轮胎等,已经历经了多代的发展变迁。如今在汽车上使用的轮胎,乘用胎已100%实现了子午化、无内胎化和扁平化,轻卡和载重胎也达到了80%~90%。工程轮胎也有一半以上实现“三化”,农机轮胎也是大势所趋。飞机和赛车轮胎逐年由于均显示出“三化”的优越性能,比例在逐年发展扩大。半个世纪以来,“三化”已成为轮胎发展的总趋势,并由此引发了轮胎从结构、材料到工艺设备以及产品的四次革命,从而使轮胎从传统的劳动密集型升级为高技术含量和精细产品。目前所说的轮胎,主要是指机动车辆用的各种充气轮胎。概括起来,可分为9大类,计有上万种规格品种。仅汽车和特种产业车辆用胎全球年产量即达16亿条以上,其中我国生产4.3亿多条,已占世界约1/4。另外,还有摩托车和电动车轮胎全球也在各1.5亿条之上,中国分别占到70%和80%。最具代表性的汽车轮胎,年产量为14亿条占到85%。特别是占汽车轮胎量3/4的乘用轮胎,代表着整个轮胎工业的发展水平和趋势。全球2006年耗胶1230万t,在74个国家有344家企业和490个工厂,正向着生产大型化、工厂节能化、产品多样化和性能高端化的方向发展。轮胎还是国际化的重要商品。市场遍及全球200个以上国家地区,2006年,世界轮胎销售额已达1125亿美元,同比增长9.5%,进出口贸易额占到生产的2/3。然而,轮胎又是生产集中度非常高的产品。日本普利斯通、法国米其林和美国固特异三大轮胎巨头即有567亿美元,占到全球市场的50.4%。世界轮胎前10强占据74.3%,前75名企业占了96.4%。其他生产厂家的市场占有率不足4%。目前,我国仅有3家入围20强,11家进入前75名,迄今尚无1家10强企业。在华外资企业生产的轮胎,乘用胎占全国的70%,载重胎占了30%,世界轮胎前10强现已全部落户中国。对于摩托轮胎,由于摩托车已呈现多极化和自行车出现电动化的局面,加之某些大型摩托轮胎已与微型乘用、产业轮胎日益接近,大小已无多大区别,因此,有的仍视为轮胎,但大多已不列入轮胎范畴。不过从广义上来说,不管机动车轮胎还是非机动车轮胎,都是起着同样的作用,性能也大同小异,只不过是规格大小、速度不同而已。这样说来,各种大小不同轮胎,包括从重量不足1kg的电动车轮胎、10kg左右的乘用汽车轮胎和到3000kg以上的巨型工程轮胎;行驶速度从每小时不足5~20km的非机动车轮胎,50~300km/h的汽车轮胎,以及每小时300km以上的飞机轮胎,横跨巨大的发展空间。其中,高性能、节能环保、安全和智能轮胎等高端产品,现已成为轮胎的宠儿和时代的骄傲。1发展现状1.1乘用轮胎的性能要求乘用轮胎是轮胎中产销量最大的品种,发达国家已占到汽车轮胎量的75%~80%。它的性能质量多种多样,产品换代升级速度很快,已成为轮胎现代化技术水平的标志。近些年来,随着道路环境的整治和车辆行驶的高速化,速度、耐磨与节能兼优的子午线轮胎已呈完全取代斜交结构轮胎之势,并且实现了无内胎和扁平化。特别是最近几年,技术进步之快更令人耳目一新,难以置信。根据乘用汽车种类,乘用轮胎通常可分为轿车轮胎、休闲运动车(SUV)轮胎、多功能商务车(MPV)轮胎和微型面包车轮胎四大类。其要求的性能有:运动性(制驱动性、驾驶稳定性)、乘坐性(舒适性、静音性)和经济性(耐磨性、节燃料油性)以及安全性(保气压性、防爆胎性)等等。功能上有夏用、冬用及全天候用轮胎的区别,并且还有一般用及高性能、超高性能和绿色环保轮胎之分。乘用轮胎的充气压力属于低压和超低压范围,一般为140kPa,最高不能超过280kPa。目前,高性能、超高性能和绿色环保型轮胎的比例在不断扩大,日益趋向高扁平比和大轮辋直径,从高速安全、环保节能到安全智能,其技术含量正在迅速提高。1.1.1胎圈及长度分布夏用普通轮胎一般装在耗油量在1.6L以下的小型和微型经济型轿车上。强调运动性、乘坐性和经济性三者的平衡,速度在S、T、H(180、190、210km/h)三级范围之内,扁平比为80~60。常见的有185/70R1386T、195/60R1486H、185/65R1486H、205/70R1595T等。胎面花纹多用以宽条形为主体的细横向短线块状,适于以公路为主的良好路面。轮胎结构也比较简单,胎体由1~2层尼龙、聚酯化纤帘布呈0°角顺向排列组成。过去,主要以尼龙为主,现在聚酯帘布已略占上风。胎圈大多设有纤维补强层,以之增加侧刚性。带束层为双层钢帘线呈70~80°交叉形排列的带状结构,有的还在钢帘线层上部以尼龙帘线等补强,形成胎面双补强的构型。1.1.2新型预防悬架和排水型胎面主要对象为1.6L以上的豪华型轿车,SUV运动车和MPV多功能性车等车型,轮胎分为运动性能和运动兼顾乘坐性能的两种类型。前者要重视高速行驶时的直行稳定性和转弯时的易转向性。后者还要考虑高速状态下的乘坐舒适性和静音性。速度等级也远比一般夏用轮胎高,过去分为V、Z两级,现已提高到V(240km/h)、W(270km/h)和Y(300km/h)三档,最近还出现了时速超过240km的ZR和超过300km的(Y)级。扁平比更高达55~40系列,轮辋直径也相对增至16~18in。新型超高性能轮胎的扁平比已高到了5~20,轮辋直径扩至20~24in。如2595/25ZR2297Y、225/30ZR2490W。胎面也同一般轮胎大相径庭,运动型乘用轮胎多为较大的块状花纹,运动和乘用型轮胎还要加有大小不同的细缝。对高转向性的汽车,经常使用内外侧不同形状的非对称型胎面花纹;高速行驶时,则用排水性好并有指定旋转方向的花纹类型。结构也比一般乘用轮胎复杂,除胎体为聚酯或强力丝帘布之外,胎圈部左右两侧还要用尼龙帘布,内侧并加一层钢丝帘线重点补强。带束层在钢丝帘线层上外加纤维补强层,过去大多为高强尼龙帘布,现在更多运用芳纶、PEN甚至POK纤维。夏用轮胎的花纹类型见图1和图2。1.1.3抗移动变形性能环保节能轮胎已成为当今轿车轮胎的新宠,正在从夏用高性能、超高性能轮胎中向一般轮胎领域扩展。其主要特点是提高轮胎的抗移动变形性能,降低胎面滚动阻力。通常,用S-SBR橡胶在胎面等配方中要加有白炭黑,炭黑与白炭黑的比例一般已达到4:1,有的甚至达到3~2:1,以降低滚阻性能。也有的在胎面内加有短纤维,或者制成微孔结构。环保节能轮胎通过降低燃料油消耗量和减少尾气排放达到节能环保的目的,一般可节能10%~30%以上。1.1.4胎面织物的按比例和大小变化使用冬用轮胎又称冬用防滑轮胎,主要用在冬季冰雪地面上,分为镶钉和非镶钉两大类别。早期的冬用轮胎通常都是在一般轮胎上系挂防滑的金属链,由于造成行驶速度下降、噪音严重,后来改为在轮胎上镶钉。镶钉轮胎虽比挂链轮胎进了一大步,但同样也出现噪声并且损坏路面。因此,近些年来在国外已普遍发展使用非镶钉轮胎,以胎面的大小粗细花纹混合起来进行防滑,现已形成主流。这类轮胎的扁平比多为80~60系列,速度等级一般为Q级(160km/h),新型的现代冬用轮胎已达40系列和H级(210km/h)。高端的全天候轮胎,有的已发展到也可在冬季冰雪状下使用的程度。胎面花纹图形已成为冬用轮胎的标志和防滑性能的关键。通常,在大块状花纹的基础上,为提高踏雪时的驱动、制动和转弯性能,配置以高的沟面积比率和深的折形沟线,同时并以更多的细花纹沟增强对雪地路的抓着效果。近年,还出现了即使在刹车时施加更大载荷,花纹也不会变形的轮胎。同时,还研发出配置可确保更大接触面积和能提高刹车性能的三元立体花纹图形。冬用轮胎的胎面要求在低温环境下能与路面密切接触,保持完好的柔软性和回弹性。因此,在胎面橡胶中常配置气泡,并设法控制其密变和形状,以提高路面的抓着和除去冰上冰膜的效果。甚至有的还在胎面胶中混入适量硬粒或各类短纤维,进一步改善冰上的牵引性和抓着性。1.1.5储层参数显示随着公路环境整治力度的加强,为解决轮胎爆破影响交通和车辆运行效率等问题,从20世纪70年代开始,在国外出现了救急备用轮胎,并得到了一定发展。在美国,对这类轮胎称为T型轮胎,其特点是外径同普通轮胎大体相似,而断面宽减小,气压高出一倍,以保证能达到标准轮胎的载荷能力。这类轮胎全部为斜交结构,行驶速度一般可达130~140km/h的M到N级,扁平比为90~70。由于它是在车辆行驶中轮胎发生爆破之时作为应急备胎使用,所以胎面花纹沟很浅,一般只有4mm,磨损部分也很短,同普通轮胎无法相比。近些年来,随着轮胎安全性能的普遍提高,尤其是子午胎的普及发展,爆破事故的频率已明显下降,甚至已达到1/1000000的程度。特别是安全轮胎的出现和发展,使其市场日渐萎缩,成为救急备用轮胎的取代对象,已处于频临淘汰的状态。现在,所有乘用轮胎在规格表示上,除有速度等级的显示之外,大多都有载荷指数的标志。一般从61(257kg)到121(1450kg)分为61档,常见的为84(500kg)到114(1180kg)之间。特别是高性能和超高性能轮胎,速度等级和载荷指数已成为轮胎型号的必不可少的重要内容。如本田CENTURY用的225/60R1697V),雷克萨斯GS300用的245/40R1893V,梅赛德斯-奔驰G-Class用的265/60R18110V,保时捷Cagenne用的295/35R21107Y,等等。1.2轻卡轮胎和民间预防功能使用方法特点载重轮胎是指载重汽车、公交和旅游大客车上使用的载货和载人的轮胎。轻卡轮胎为轻型载重汽车、商用、旅行面包汽车以及低位拖车等用的轮胎,多为货物和乘客运输两用。这类轮胎的断面宽和内径都比乘用轮胎大,并用英寸表示。一般断面宽从6.00in到14.00in,内径:载重轮胎为18~24in,轻卡为13~17in,拖车低到15in。轮胎充气压力也比乘用轮胎高,通常达到600~900kPa。最常见的规格型号有:9.00-20(9.00R20、10R22.5)、10.00-20(10.00R20、11R22.5)以及6.50-16(6.50R16)、7.00-15(7.00R15)等。载重和轻卡轮胎的生产量,在发达国家一般占15%~20%(轻卡为5%~7%),我国占到25%~30%。国外80%~90%已实现了无内胎和子午化,20%~30%开始扁平化,对公交和旅游大客车和面包汽车已基本上达到了三化。型号表示也改为断宽面同乘用轮胎相同的公制,如275/80R22.5、295/80R22.5、315/80R22.5。同时,将说明的层级(12-18PR)改为速度等级,如J(100km/h)、K(110km/h)、L(120km/h)、M(130km/h),并且还带有单双胎的负荷指数,如295/80R22.5153/150J。轻卡轮胎也由6.50R16、7.00R15演变为LT215/85R16110/107N、LT225/75R16115/112N,速度从140km/h(N)、150km/h(P)甚至可达160~170km/h的Q、R级。近年来,对载重和轻卡轮胎使用性能的要求已日趋多样化。由于在高速公路上的行驶速度已达90~130km/h(载重)和90~160km/h(轻卡),因而安全性也成为最重要的条件。同时,它们对经济性也提出了许多新的要求,轮胎不仅抗磨耐久、长时间安全使用,并且还要降低燃料消耗,减少废气排放,消除振动噪声,改善环境污染状况。因此,载重和轻卡轮胎正向着均一耐磨性、高耐久性和低滚阻型的方向发展。花纹已从原来的横向和横向为主,转向了横顺结合和以顺为主的形式,无噪声和静音花纹的比例不断在扩大。胎体也要求进一步坚固,对使用后翻新比例和次数的增加甚至再刻花使用也有期待。载重、轻卡轮胎通常多在使用5年之后要进行检查,必要时更换;达到10年之时,不管使用与否都要全部予以更新。但在具体使用时,由于用途和使用条件不同,对轮胎性能和质量的要求重点也有所不同,因而往往会出现很大差异,使用时间并非一成不变,有的甚至不超过1~2年。北美、西欧、日本和中国各有自己的特点,生产使用之时必须考虑这些因素条件因地制宜,确保安全。北美为世界最大轮胎使用市场。地区路面规整,基本以高速公路为主,路线直、车速稳;交通管制严格,不超载、气压足。因而,轮胎磨损速度慢,事故频率低,使用寿命长。同时,不少汽车还视车轴特点而前后装用不同规格的轮胎,使用过程中一般也不换位,所以在后轴常常容易出现偏磨现象,因之必须注意轮胎的偏磨,生产使用抗偏磨型的载重轮胎。还有在美国,路上行驶的汽车多不限长,大半为拖挂型车辆,车头部位宽大,对轮胎要求注重行车的安全性、驾驶操作的稳定性和乘坐的舒适性,因而扁平型的轮胎更受青睐。欧洲市场的情况同北美大体相同。但北欧地区同西欧、中欧比由于气候不同,对轮胎性能的要求也有很大差异,实际上同加拿大类似,以冬用轮胎使用较多,更多地是注重轮胎的使用性能。西欧地区如德国等车辆多不限速,经常在110~130kw/h以上状态下使用,轮胎磨损也相应加快,而且环保要求也甚高。因此,除考虑高速安全之外,低滚阻的节能轮胎已成为发展的重点。日本汽车要求全轴必须装用同一规格型号的轮胎,交通管制十分严格,使用条件比较标准。但国土狭长,气候条件复杂,横跨寒温热三带,降水和降雪量大,因而一般多要求使用适于全天候的混合型花纹。同时路面状况也不如美欧,轮胎磨损速度较快,需要特别注意轮胎耐磨性的问题。中东地区多沙漠,气候炎热,保养多不到位,车速快并时有超载,因而轮胎易生热爆裂,常有扎伤,磨损速度也快。要求轮胎必须具备低生热、散热快并且还要抗刺扎、耐磨耗,才能保证正常的行驶里程。我国地形、气候的复杂情况超过美欧日所有国家地区,高速公路虽已达4.5万km,位居世界第二仅次于美国,但95%以上的其他路面好坏不一,相差悬殊;汽车类型繁多,车况状态优劣不同;交通规格和轮胎保养有待规范,超载、超速、缺气、少保现象时有发生,在个别地区甚至比较普遍,因而轮胎的使用条件远比美欧日复杂苛刻得多。不少车辆对轮胎也不换位,一跑到底,轮胎内外伤多,翻新率很低。因此,要求轮胎对各种条件的适应性要强,并且根据不同情况选用不同轮胎。正因如此,斜交和子午两种轮胎均有市场,目前两者各占一半左右。今后随着高等级公路的普及和交通规则的严格整治,轮胎的使用状况将日趋好转,轮胎子午化的比例会日益扩大,无内胎化和扁平化也要渐露端倪。轻卡和载重轮胎的花纹类型见图3和图4。1.3工程轮胎tk工程轮胎原意为非公路用轮胎(OfftheroadTire),称之为OR或OTR。现在主要指用在工程汽车和工程机械方面的各种轮胎,包括自卸运输汽车、铲运机、挖掘机、装载机、推土机、平地机、压路机、滩路机以及起重机、混凝土搅拌机及其运输车等工程建设车辆的专用胎。此外,甚至还包括林业采伐以及沙漠、沼泽等用的轮胎,使用情况极为复杂,工作条件多种多样,从工作性质上基本分为运输和作业两大类型。行驶速度,作业型胎在10km/h以下,运输型胎则为15~65kg/h,实际上它们均在从碎石、岩盘、沙粒到软土、沼泽和沙漠等地使用,条件非常复杂、苛刻。对轮胎除了要求的基本性能之外,特别注重抗扎、耐刺、耐热、散热、牵引和浮着等附加特性。工程轮胎的规格大小视工程机种、机型不同而相差悬殊,断面宽从10~60in,内径由21~63in,外径由小自0.6m大到4m以上。最大重量有达5t的庞然大物,成为轮胎中的巨无霸。工程轮胎还分为通用和专用两种形式,通用工程轮胎主要为中小型(10.00R20和14.00R24以下),规格型号表示同载重轮胎相同,主要差异表现在花纹上,一般多用于越野汽车和小型工程机械上面。专用工程轮胎基本上全为大胎,采用倾斜轮辋,内径以奇数表示,分为大型(16.00R25~18.00R33)、超大型(24.00R35~27.00R49)和巨型(30.00R51以上)三种,并且形成具有自己的大块横向各种牙状花纹的特色。随着自卸汽车和矿车的大型化,工程轮胎也随之朝向大型和巨型化的方向发展。以自卸汽车为例,单胎的负荷载重量较之20年前已提高了1~2倍以上。过去,多以15~30t的自卸汽车为主,现在已普遍使用100~150t的大型矿车,300~450t的巨型车也不罕见。配置轮胎的规格已由30.00R51、36.00R51发展到40.00R57,乃至宽基的53/80R63和59/80R63。轮胎断面宽已达1130~1470mm,外径为3600~4000mm,轮胎自重3600~5000kg,单胎载荷高达588~1020kN。在大型矿山使用的运输型工程轮胎,通常皆为短距离往返运输,一般不超过2.5~5.0km。为避免轮胎过度发热,行车速度大多控制在65km/h以内,常见的为24~36km/h,并且要定时停车休息,散去蓄积热量和消除轮胎夹物。即便如此,轮胎发热脱层和胎面掉块也已成为工程轮胎导致损坏的主要原因。因而对这类轮胎必须要标明TKPH值,即吨公里小时,严加限制;并常常加注“Cup”耐切割的程度。由于现行技术水平无法完全满足这些要求,运输型工程轮胎多具体细化为通用型、耐热型和耐切割型三种,根据现场使用条件加以选取。作业型工程轮胎主要为工程机械使用,一半左右为装载机用胎。每小时移动速度在5~10km以内,抗刺扎、耐切割成为最关键的性能,已单独形成一种类型。通常大多属于宽基轮胎,如23.5R25、25.5R29、29.5R33等。近年来,使用超宽基轮胎的现象也在增多。胎面花纹除了以大块横向为主之外,视用途不同也有光面和碎块封闭型。由于机型较多,工程机械轮胎的规格种类也特别繁杂。近些年来,工程轮胎在向专业化用途发展的同时,为减少规格品种的繁杂性,有利于生产和使用方便,对多功能用途和通用型轮胎日渐增多。特别是子午线工程轮胎的发展,已出现不仅耐热而且又耐切割,使用工作时间可延长30%~50%,并且能够经受多次翻新的长寿全钢工程轮胎。这类轮胎除了有坚固的钢丝帘线胎体之外,胎面胶的定伸强力也奇高。内部常混有相当量的白炭黑,有的甚至还掺有短纤维或金属丝。带束层除4层以上的大角度交叉钢丝帘线之外,大多还加有补强带,芳纶成为最佳的选材。同时,为保持胎面的基部高度坚固,几乎全部为方向性的大块花纹条。目前,工程轮胎几乎已全部无内胎化,子午化比例也超过60%,尤其是超大型和巨胎更呈现出快速发展的势头。为解决工程大胎由于直径过大造成车辆重心位置提高而给操纵稳定性带来的问题,扁平轮胎已成为发展重点。现在80系列的宽基轮胎十分普遍,65系列的超宽基轮胎逐渐增多。尽管如此,但工程轮胎对工程机械的适宜性仍存在一定问题,进一步增强轮胎抗生热性、耐切割性,减少胎体脱层率和胎侧扎损率,提高轮胎整体使用寿命,仍是今后一大课题。工程轮胎的花纹类型见图5。2.4预防预防汽车基因使用具有市场、规则和性能的轮胎农机轮胎包括拖拉机(轮式、船式、手扶、微型)、耕作机、管理机、收割机、插秧机、除草机、中耕机、喷药机、播种机以及农田运输车和畜牧机等共有十几大类100多个品种规格。其特征主要是根据农业机械作业性质,如水田、旱地、果树、牧草等耕作方法的不同,以及农作物种类而分别选择使用,十分复杂。通常,分为通用机轮胎、专用机轮胎和农用运输车三大类别