安全轮胎的发展前景

第35卷第3期·10·CHINARUBBER/PLASTICSTECHNOLOGYANDEQUIPMENT橡塑技术与装备作者简介：李汉堂，男，副译审，主要从事化工信息和杂志编辑工作，发表过论文多篇。收稿日期：2008-11-03李汉堂(曙光橡胶工业研究设计院，广西　桂林　541004)摘要：对泄气保用轮胎（包括液体自封式、自修复组件式、胎侧补强型、加支撑物型、内腔填料型）及防滑轮胎进行了说明介绍，并得出安全轮胎将有较大市场的结论。关键词：安全轮胎；泄气保用；防滑轮胎中图分类号：TQ336.1文献标识码：A文章编号：1009-797X(2009)03-0010-09安全轮胎的发展前景美国汽车工程师协会的统计表明，美国每年约有26万起交通事故与轮胎故障有关。通常在汽车时速超过160km以上时，爆胎造成的死亡率几乎接近100%。因此，欧、美、日等大轮胎公司和汽车公司都纷纷从事安全轮胎结构和轮辋-轮胎系统的研究工作，旨在保证汽车在轮胎受到机械损坏或在恶劣环境使用时，能安全行驶。1泄气保用轮胎所谓泄气保用轮胎意指可以保证轮胎在行驶过程中即使发生漏气甚至爆裂后仍能继续支撑汽车荷载，使汽车在相当长一段距离内基本保持正常行驶。从结构上分类，泄气保用轮胎可分为自封式和刚性支撑式两大类。自封式是在胎腔或密封层内预先充入足量密封剂，轮胎遭外物剌穿后，密封剂自动流到穿孔处，堵塞洞孔，从而维持正常行驶状态。刚性支撑式泄气保用轮胎又分为自体支撑型和加物支撑型两种。自体支撑型是在普通轮胎上增加原有的某个部件，使轮胎失压后保持行驶轮廓，如胎侧加强型、三角断面型等；加物支撑型是通过增加普通轮胎所没有的部件，达到轮胎失压后保持行驶轮廓的目的，如内支撑物型、多腔型等。虽然各厂家研究开发的这些轮胎不尽相同，但一般都具有如下一些共同特点；漏气后仍可继续安全行驶一段较长路程；需配备气压监控装置；胎侧有所增强；漏气后轮胎能牢固固定于轮辋上。泄气保用轮胎的主要技术指标为失压后的行驶速度和行驶距离。就目前技术水平而言，前者一般为时速80~88km，后者一般为80km，昀高达到320km。1.1自封式泄气保用轮胎1.1.1液体自封式泄气保用轮胎苏联常用的方法是在轮胎制成之后将密封层涂覆在轮胎的内表面。近来，一些外国公司研制出液体密封剂，将它注射到轮胎的内腔。一旦轮胎被刺穿，密封剂便封堵穿孔，防止轮胎失去内压。液体密封剂由水及可溶于水的聚合物（如聚乙烯醇、聚醋酸乙酯、聚丙烯酸乙醇等）组成，含有纤维素及其他填料。将液体密封剂通过气门嘴注入轮胎内，液体密封剂在充气的轮胎中不会蒸发。转动轮胎时，密封剂可均匀分布在行驶面的内表面。轮胎被异物刺穿时，空气由穿孔泄出，密封液受外界空气的作用，蒸发而形成腔塞，迅速地将李汉堂·安全轮胎的发展前景2009年第35卷·11·穿孔封堵。当轮胎刺扎直径在5mm以内时可长时间保持其起始的内压，扎孔直径达8mm时可保持起始内压1.5h，密封剂对橡胶和金属均无腐蚀作用。印度生产的TBS剂是子午线无内胎或有内胎轮胎的密封剂。它为含防冻剂、植物纤维、氧化硅、氧化镁等添加剂的非均相水溶液。无内胎轮胎采用该密封剂可保证封堵轮胎受锐器刺扎直径达l6mm的穿孔，受钝器刺扎直径达10mm的穿孔。不管在运行时或长时间停放都能保持内压。当有内胎轮胎受锐器刺扎直径达3mm的穿孔时，密封剂可完全堵封内胎的穿孔。也有采用以聚合物或低聚物为主的膏状或不流动的黏稠液密封剂。利用高聚物橡胶制得的密封剂的效果较差，因此广泛使用低聚物的组份。邓禄普公司的Polygel润滑剂即为具有典型的代表性的密封剂。Polygel是一种以聚异丁烯为主的黑色树脂状物质，其中含有细小的弹性粉末，用聚乙烯作凝胶剂，用专门的辅助设施将该组分涂在成品轮胎的内表面，涂层厚度为3~5mm，宽度相当于轮胎行驶面的宽度。德国大陆公司的BenSeal系列属自封式无内胎轮胎，它的内腔两胎肩之间设置有特制的防刺层，内装可流动的密封胶，当轮胎被刺穿或者拔除刺入物后，密封胶在轮胎内压作用下自动流到穿孔处，堵塞孔洞。美国固特里奇公司研发的Goldenlifesever轮胎是一种有很好自封穿孔性的轮胎，例如，Goldenlifeseverl95/70HPl4超低断面椭圆形结构无内胎子午线轮胎，其密封层的内表面贴复合发泡剂的辅助胶片，轮胎硫化时形成海绵橡胶层，其网眼的气压与轮胎的内压相等。该海绵层的外表面涂覆聚乙烯乳液层，轮胎运行时因生热作用而使乳液层熔化，当轮胎被刺穿或者在排除刺入物时，熔化的乳液立即挤进穿孔处而起密封作用。该乳液同时还有能诱发海绵层膨胀等特殊效应。据该公司称，这种轮胎在胎面部位穿孔直径达6.4mm时，可自行封堵，若穿孔太大不能封堵时，则应将轮胎送去修补，此轮胎所用轮辋比普通轿车胎的轮辋稍宽。1.1.2自修复组件式泄气保用轮胎日本长屋幸等发明了自修复组件式泄气保用轮胎（见图1）。自修复组件由内部设有格子的两块胶片组成。其制备方法是，在普通轮胎的内部，将吸水嵌缝胶和与其粘合的胶片被层压并胶接在轮胎内表面。吸水嵌缝胶如图2所示，用胶粘剂捏炼的粉末状吸水性聚合物被夹在两块胶片之间，并按照适当的间隙将上下面缝合成格子状。一旦向吸水嵌缝胶注水，其内部的吸水性聚合物就呈凝胶状并膨胀。这时，吸水性聚合物被封闭在格子内，因此格子内部产生膨胀压力。而且在轮胎内部的气压作用下吸水嵌缝胶的表面受到压缩。在这种状态下，轮胎外侧一旦扎上钉子，凝胶化吸水性聚合物就会根据钉子的粗细相应地被推开，但在拔出钉子的瞬间刺穿孔就会因橡胶的弹性而缩小，昀终穿孔也会因溶胀压力和轮胎内压作用于胶凝化吸水性聚合物而瞬间堵住。这时，吸水性聚合物内没有孔洞，如果溶胀压力与轮胎内压之和大于轮胎内压，空气就不会泄漏。通过试验试制轮胎表明，轮胎气压为0.4MPa（载货汽车）时，即便用直径4.2mm的钉子穿孔并拔出钉子也不会漏气；轮胎气压为0.25MPa（普通乘用车）时，即便用直径4.2mm的钉子穿孔并拔出钉子，也不会漏气。另外，将新开发的轮胎安装于车上，用直径3.4mm的钉子穿孔作行驶试验，在100天内（行驶距离约3000km）也未发生漏气。1.2自体支撑型泄气保用轮胎图1新开发轮胎的结构第35卷第3期·12·CHINARUBBER/PLASTICSTECHNOLOGYANDEQUIPMENT橡塑技术与装备图2自修复轮胎的横截面1.2.1胎侧补强泄气保用轮胎英国邓禄普公司制造的Denovo-1轮胎有两层子午结构人造丝胎体帘布层、两层钢丝带束层和加厚的胎侧。所用的轮辋宽度比普通轮胎的轮辋稍窄，轮辋为两片式，接缝用O型密封圈密封，中心的一圈有润滑剂盒。轮胎刺穿泄气后，盒中润滑剂被挤出至轮胎的内腔表面。此时，胎侧弯曲致使胎圈之上加厚部分与轮胎行驶区内表面相碰连，形成轮辋的支柱。润滑剂受摩擦热而蒸发，略能弥补轮胎的内压，同时润滑剂封堵了穿孔。Denovo-1轮胎在不平路面上行驶时，因其刚性大和汽车箱传递强烈冲击导致汽车的舒适性和操纵性下降，而且还有许多其他缺点：如轮辋加重、轮胎与轮辋装配麻烦、多组份密封结构、成本相应提高和不能安装于70系列通用的轮辋等。为此，该公司曾进行过改进研究，研究出了Denovo-2型安全轮胎新结构，是轮胎轮辋配套系列产品。设计专用轮辋结构的基础是Denloc封闭的胎圈系统，即轮辋上有一圈小槽，加长和增强的胎趾落在槽之内，使轮胎牢牢地固定在轮辋上，甚至在苛刻的行驶条件下也不会移动。Denovo轮胎主要的改进是按Den1oc原理制造的单片式轮辋，同时将原用的焊接工艺改为轧制方法。轮辋凸缘减低，有一圈4~5mm深的小槽便于顶住轮胎的胎趾。近来Denovo-2轮胎所用轮辋又改为坚硬轻合金以铸造方法制造。据介绍，新结构轮胎泄气后可以高于80km/h的速度行驶160多公里。日本普利司通公司的泄气保用轮胎有Expedia系统和火鹰系列。Expedia系统是由泄气保用轮胎、楔形车轮和智能预警器三部分组成。在无内压条件下，能够以88km/h的速度安全行驶240km。火鹰系列有四大特点：①适配普通轮辋；②无内支撑物；③属普通断面：④重量比固特异同类产品轻。上述特点是藉加厚轮胎胎侧，采用独特的带束层设计而获得的。同时取消特制轮辋和内支撑物。这是它与其他泄气保用轮胎不同之处，因此更受市场欢迎。火鹰轮胎在失压下能够以88km/h速度安全行驶80km。日本浅野一夫通过用三维有限元法分析轮胎在零内压下的屈挠变形，设计出了轻量化自支撑泄气保用轮胎。其设计方法是，将轮胎的胎侧轮廓变得窄小，补强件做成初月形，配置在轮胎的外侧，同时减小胎面部半径和胎侧部半径，以减小缓冲层张力和胎侧的帘布层张力。而且胎面轮廓采取胎面半径从胎面到胎侧连续减小的形状（见图3）。图3轻量化泄气保用轮胎的设计通过试验表明，采用新的设计方法可大幅度减轻轮胎重量，提高轮胎的乘坐舒适性。美国固特异公司1998年开始将其所有替换胎生产转为生产泄气保用轮胎，相继推出8种规格EagleEMT轮胎。EagleEMT轮胎属内支撑物+胎侧加强型。这是一种漏气后在不损坏并保持全部原有性能条件下，可以88km/h的速度继续行驶320km的轮胎。这种轮胎的特点是：①胎侧部位设有两个高而坚挺的增强层，以便在漏气时使胎侧不会被压塌，并降低爆胎的危险；②两层钢丝带束层上还有一层缠绕冠带层。1.2.2加支撑物型泄气保用轮胎普利司通公司开发出了大型载重、公共汽李汉堂·安全轮胎的发展前景2009年第35卷·13·车用超扁平单宽胎的安全装置“AIRCEPT”。安全装置“AIRCEPT”通过与内压警报装置组合，可以使轮胎在胎侧被割伤的情况下保持内压，保证车辆安全停车。安全装置“AIRCEPT”的特点是：①轮胎急速漏气时也可以支承高负荷；②在通常的情况下不影响轮胎的性能；③可以采用传统形状的轮辋（可以采用传统的轮辋组装机）；④重量轻（不损害单宽胎化的优点）。所设计的“AIRCEPT”配置在当轮胎下沉时“AIRCEPT”不会与轮胎内侧接触的位置。能耐通常轮胎旋转时的离心力，在因轮胎变形而产生热和应变时也能保持形状。另外，安全装置在轮胎内压急剧下降时不会损坏并能均匀膨胀，支承施加于轮胎的负荷。法国克勒勃-哥伦布公司的TTT型三腔轮胎是昀具加支撑物型泄气保用轮胎特征的轮胎之一。该轮胎有三个充气的内胎：一个主胎和两个与胎侧内壁硫化在一起的辅助内胎，两侧的内胎分别单独充气，其内胎高于主胎的内压。此轮胎不要求采用专门的轮辋，且无需备用轮胎。当主胎被穿刺时，侧胎便增大体积，并维持轮胎中的内压，但这种轮胎因使用性能不佳和制造工艺复杂而未被推广。韩国生产的多气室内胎已投放市场，使用这种内胎即使汽车轮胎损坏漏气还可行驶。这种内胎像珠子穿成链那样，由许多单个小胎室组成，每个胎室是一个自身带有阀的封闭储气室，若从一个胎室漏出气体，则内压作用使其他胎室延伸再次充满整个轮胎。这种轮胎出现故障不必换胎，只要更换破坏的分室即可。普利司通在2006年2月的一篇新闻稿里声称，已经开发成功了多胎腔轮胎。这种轮胎具有3个起压力容器作用的独立胎腔。所有新型轮胎轮廓都是从未来轮胎的观点出发通过广泛的研究开发而产生的。这种轮胎的内部由中央的主胎腔和两侧的辅助胎腔组成。每个胎腔的充气压力可单独控制，可以通过控制每个胎腔的气压来调整胎面部与左右胎侧之间的刚性平衡。这可以保证轮胎在任何条件下的理想的接触印痕，使车辆行驶更稳定更舒适。这也意味着可以根据用户的需求调整性能（例如乘坐舒适性或可操作性）。由于这种轮胎的胎腔分成3部分，即使因被钉子剌穿导致胎腔中的其中一个气压下降到0kPa，其他胎腔也可以支撑轮胎的重量，仍然可以继续行驶一定的距离（图4）。图4多胎腔轮胎法国米其林公司目前成批生产的泄气保用轮胎有MXV4ZP系列、PAV/PAX系列。l997年米其林推出MXV4ZP（ZP是零气压英文缩写），它的主要特点是：①经增强的胎侧几乎垂直于地面，其高度仅为同规格标准轮胎的一半左右；②轮胎昀宽点在胎圈；③车轮内侧直径稍大于外侧直径；④轮胎内置有支撑部件；⑤装于特制的平底轮辋上。MXV4ZP在失压时能够以8