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绿色轮胎

绿色轮胎

返回目录↑1、1 绿色轮胎的优点

  绿色轮胎具有弹性好、滚动阻力小、耗油低、生热低、耐磨、耐穿刺、承载能力大、乘坐舒适等优点。与传统轮胎比,凸现了环保、节能、新工艺、新材料等多方面的优势。 1.1 高环保

  传统轮胎由于添加了有致癌作用的橡胶配合剂,它们随着胎面磨损散发在空气中,严重污染了环境,同时世界上每年有数亿条轮胎被废弃,它们不但占据大量空间,而且难以分解,对环境造成了极大威胁,被人们称为“ 黑色污染”。随着人们环保意识的不断提高,在继续努力降低滚动阻力的同时,已开始重视使用不污染环境的材料制造轮胎,而且努力延长轮胎的行驶里程,以减少废旧轮胎的数量。在大量的汽车使用绿色轮胎以后,对节油和减少污染产生巨大作用。绿色轮胎的广泛应用将为全球每年节省数百万桶 石油,并显著减少CO的排放量。 1.2 低消耗

  习惯使用的黑色轮胎是以标准的合成橡胶和天然橡胶制成的,在汽车行驶温度升高的条件下,其防护材料的结构和性能都发生改变,同时车轮滚动的阻力也在增加。绿色轮胎与普通轮胎相比,减轻了轮胎重量,减少了复合材料的能耗(滞后损失)。所以,绿色轮胎与同等规格的轮胎相比,滚动阻力可降低22%-35%,并因此减少汽车燃料消耗3%-8%,使汽车CO的排放量有所下降,其他性能如耐磨耗、低噪音、干湿路面抓着力等均保持良好水平。 1.3 超安全

  绿色轮胎通过优化胎体设计,以绝佳的弹性胎面改进汽车在光滑路面的抓地性能,使驾驶更平稳、制动距离更短,大大提高了驾驶安全性。研究证明,绿色轮胎产生的摩擦力可以减少汽车在湿滑或结冰路面上15%的刹车距离,使汽车的冬季驾驶性能提高10%-15%。这对减少事故率和人员伤亡有着重大的意义。

返回目录↑2、2 设计绿色轮胎的途径

  从理论上讲,降低汽车油耗的途径有轻量化、减小轮胎滚动阻力及采用稀混合气发动机等。实际上,只有减小轮胎滚动阻力才是最切实可行的绿色轮胎设计途径,研究结果表明,轮胎的模具、花纹设计和轮胎结构和材料均对轮胎滚动阻力有影响。克服轮胎滚动阻力消耗的燃油占汽车总油耗的14.4%,而仅由胎面产生的滚动阻力就占轮胎滚动阻力的49%,其他部件的影响比例分别为:胎侧14%、胎体11%、胎圈11%、带束层8%、其余部件7%。由胎面直接造成的油耗约占7.1%。降低胎面的滚动阻力并保证抗湿滑性能良好将是绿色轮胎最基本的要求。
  绿色轮胎技术主要从选择合适的胶种和配合剂,改进胎面胶料配方入手,再辅以减薄胎体、优化轮胎轮廓等结构设计手段,来达到降低轮胎滚动阻力的目的。可以预料,计算机辅助设计技术的介入和聚合物分子定向设计成果的推出,无疑将加速绿色轮胎开发进程。

返回目录↑3、2.1 绿色轮胎的结构设计

2.1.1 胎体结构子午线化

  轮胎结构 大体可分为两种,即子午线结构和斜交结构。子午线结构与斜交结构的根本区别在于胎体。胎体是轮胎的基础,它是由帘线组成的层状结构。胎体层上部有帘线为周向排列的带束层,这种结构使帘线强度能够得到充分利用,故子午胎的帘布层数比斜交轮胎少40%-50%。
  从设计上讲,斜交轮胎有很多局限性,由于斜交轮胎交叉排列的帘线强烈摩擦,使胎体容易生热,而且加速胎面花纹磨耗,其帘线布局也不能很好地提供优良的操纵性能和乘坐舒适性;而子午线轮胎的钢丝带束层则有较好的柔韧性以适应路面的不规则冲击,且经久耐用。它的帘布层结构还意味着在行驶中有小得多的摩擦,从而获得较长的胎面寿命和较好的燃油经济性。
  子午线轮胎本身的优点使轮胎无内胎化成为可能。无内胎轮胎有一个公认优点,当轮胎被扎破后,不是像有内胎的轮胎(普通的斜交胎是有内胎的)那样爆裂,而是在一段时间内保持气压,从而提高了安全性。
  由于子午线轮胎胎体的特殊结构,使得在行驶中轮胎的路面抓力大、效果好,装有子午线轮胎的汽车与装有斜交轮胎的汽车相比,其耐磨性可提高50%-100%,滚动阻力降低20%-30%,可以节约油耗约6%-8%。也正因为这样,同样车型选用子午线,轮胎比选用斜交轮胎操纵性好,有较好的驾驶舒适性。
  轮胎断面宽增大时,滚动阻力呈下降趋势。这是因为轮胎断面宽增加而使胎侧部刚性减小,而对滚动阻力影响较小的侧部的变形增加,对滚动阻力影响较大的胎面部的变形减小所致。另外,随着轮胎断面宽度的加宽,胎面、带束层等主要部位的能量损失减小。因此加大轮胎断面宽度对降低滚动阻力有利。
  如果胎圈部的填充胶条高度增高,则滚动阻力亦增加。因为随着填充胶条高度增高,产生滞后损失的物质体积增加,胎侧下部的能量损失亦增加。另外,填充胶条高度增加会因胎侧的刚性增加而使胎侧部变形减小,而对滚动阻力影响较大的胎面部的变形相对增大,这会导致滚动阻力增加。目前,胎体结构设计是向低断面方向发展。 2.1.2 胎面

  胎面半径增大时,可降低轮胎的滚动阻力。这是因为胎面半径增大时轮胎产生平面接地屈挠变形,使因轮胎断面方向的屈挠变形所产生的应变能变小的缘故。也就是说,滚动阻力随着胎面半径的增大而减小,这主要得益于胎冠部和带束层能量损失减小。今后绿色轮胎胎面结构应朝如下方向发展:
   (1)双层胎面 双层胎面轮胎具有高速、稳定、耐磨及生热低等优点,一般是由胎面和胎面基部两部分构成,其胎面与胎面基部胶具有不同的动态模量和tanδ。有关文献指出,胎面动态模量大于胎面基部动态模量(≥8.5 MPa),tanδ大于0.12,胎面基部厚度与胎面厚度之比为0.25-0.70。
   (2)发泡胎面
  
发泡胎面是由发泡橡胶制成的,除胎面胶的一般组分外,还含有结晶型间同立构1,2-聚丁二烯(粉末状,平均粒径为60 nm),再配合发泡剂、抗氧剂等其他助剂。试验表明,使用发泡胎面制备的轮胎在干、湿路面上特别是在冰面上具有良好的制动和牵引性能,即使在炎热的夏季也完全能够保持驾驶稳定性、耐久性和低油耗,因此是绿色轮胎胎面胶的发展方向。
  在进行轮胎结构设计时必须能够在不降低与滚动阻力相互矛盾的其他特性(湿滑性、安全性、振动性等)的前提下降低滚动阻力。作为具体的降低滚动阻力方案,必须综合考虑轮胎形状和橡胶配置,特别是要考虑对由复合材料构成的带束层、胎体帘布层滚动阻力的影响。作为轮胎结构研究,不能仅凭过去的直觉和经验,还要用模拟技术来加速低滚动阻力轮胎的开发。
  有限元法采用橡胶材料的能量结构方程式已有数十年的历史,已从线性弹性方程式过渡到 Mooney-Rivlin方程式,最近还在大变形领域引入了非线性结构方程式。作为以轮胎为代表的许多工业橡胶材料使用的填充橡胶,在0-100%的应变领域中的储能模量、损耗模量、tan8这些黏弹特性使应变具有非线性,一般被理解为佩因效应(弗莱彻-金特效应)。考虑这一点的非线性结构方程式近几年也被提出来了。在正常车轮转动状态下,应变在轮胎变形中也占大部分,控制该应变领域的黏弹性对控制轮胎滚动阻力也尤为重要。实际上,通过将表示填充橡胶在0-100%的应变领域的储能模量、损耗模量、tanδ这些黏弹特性的非线性黏弹性结构方程式应用于FEA,可使轮胎滚动阻力的预测精度较传统预测有大幅度的提高。这样一来,降低轮胎滚动阻力的轮胎结构设计、新材料开发和配方设计的精度和效率就相应地得到提高。目前已经开发出通过用有限元法模拟轮胎滚动阻力,进而进行绿色轮胎设计的方法。
  普利司通开发成功了可大幅度降低滚动阻刀,且可提高耐磨性的轮胎设计技术称为普利司通生态轮胎设计技术。
  普利司通开发设计技术的目的是,在研究开发轮胎省燃料费技术过程中,主要着眼于轮胎的偏心变形。通过开发新的轮胎形状,加大这种偏心变形,可大幅度降低对车辆燃料有很大影响的轮胎滚动阻力,而且可进一步提高耐磨性。
  如果轮胎负载转动,则会由于轮胎接地面和轮胎本身的变形而产生阻力,进而产生以热能为王的能损失。轮胎能损失称为轮胎的滚动阻力。通过降低轮胎的滚动阻力可降低车辆的燃料消耗。
  过去,通过开发能量损失少的胎面胶可有效降低滚动阻力,这主要是通过开发橡胶材料来达到降低滚动阻力的目的。但是,采用能量损失少的橡胶会使耐磨性下降,这就对开发低滚动阻力轮胎出了难题。
  普利司通开发的新技术通过采用可大幅度降低轮胎能量损失的轮胎新形状,可抑制因改变材料(为了降低滚动阻力)而引起的滚动阻力下降 。普利司通认为用这种技术开发的轮胎如果与考虑环境型车辆,如电车(EV)等配合,则可望获得事半功倍的效果。
  普利司通已于2003年10月24日在第27次东京汽车展上展示了用该技术开发的轮胎试制品。通过装车试验表明(装车试验的轮胎规格为235/35R19,乘车人数4人,轮胎充气压力为230 kPa),样胎的耐磨性比同一规格的普利通轮胎高50%。

返回目录↑4、2.2 降低阻力方法

  通常,降低轮胎滚动阻力有如下两种基本方法: (1)减小轮胎质量

  减小轮胎质量是降低轮胎滚动阻力最快速、最有效的方法。为了保证轮胎质量小,在确保轮胎使用性能的前提下,必须采用最小的部件厚度。轮胎生产厂必须严格控制工艺,以保证部件达到最小厚度,绝不允许工厂采取擅自加大部件厚度的办法来解决生产问题。采用轻质材料制造各轮胎部件也是减小轮胎质量的一种有效方法,采用芳纶带束层替代钢丝带束层就是一个明显的例子。 (2)减小材料能效

  滞后损失)降低轮胎滚动阻力的第二种方法是减小轮胎材料的能量损失(滞后损失)。聚酯帘线的滞后损失较大,但经过合适的改良后,有可能推出较小滞后损失的品种。

返回目录↑5、2.2.1.1 绿色轮胎材料

  天然橡胶(NR)是非极性橡胶,虽然本身具有优良的电性能,但在非极性溶剂中易溶胀,故其耐油、耐有机溶剂性差。NR分子中含有不饱和双键,故其耐热氧老化、耐臭氧化和抗紫外线性都较差,限制了它在一些特殊场合的应用。但NR通过改性可大大扩展NR的应用范围。 (1)环氧化天然橡胶

  环氧化天然橡胶(ENR)是天然橡胶(NR)经化学改性制得的特种天然橡胶。与NR相比,ENR具有完全不同的黏弹性和热力学性能,如具有优良的气密性、黏合性、耐湿滑性和良好的耐油性。ENR可与极性填充剂(如白炭黑)强烈结合,在无填充剂时,ENR硫化胶仍能保持NR所具有的高模量和拉伸强度。ENR 50具有良好的耐油性和姐尼性,在轮胎胎面胶中应用时,在没有偶联剂的情况下,ENR与白炭黑强的相互作用是提高滚动阻力和湿抓着力综合性能的重要因素,ENR25与白炭黑/炭黑填充剂混合可获得最佳的耐磨性。 (2)接枝天然橡胶

  目前研究得最多的是甲基丙烯酸甲酯(MMA)与NR接枝共聚,MMA接枝NR伸长率大,硬度高,具有良好的抗冲击性能、耐屈挠龟裂、动态疲劳性能、黏合性和较好的可填充性。工业上主要用来制造具有良好冲击性能的弹性制品,如无内胎轮胎中的气密层等。如果与丁苯胶共混,可用作胎圈三角胶胶料,其生胶强度及与钢丝圈的黏合力明显提高,并能增加钢丝圈的挺性,保持钢丝圈的形状稳定。2.2.1.2 聚异戊二烯橡胶
  异戊二烯的新发展是合成3,4-聚异戊二烯橡胶(高的玻璃化温良)。这种橡胶与天然橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶并用可改善抓着性能。已研制成功异戊二烯与丁二烯的共聚物,还研究成功了异戊二烯与苯乙烯、丁二烯的三聚物。用这些橡胶制造的胎面胶具有良好的滚动阻力与湿路抓着力综合平衡性能。
  中国发明专利ZL95110352.0介绍了采用负载钛催化异戊二烯本体沉淀聚合方法直接合成出反式-1,4-聚异戊二烯(TPI)粉料的新技术。据介绍,在胎面胶中以20-25重量份TPI取代等量丁苯胶制造的轿车和轻型载重半钢子午胎,获得了综合行驶性能良好,而且百公里油耗试验燃油消耗降低2.5%左右的效果。

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