2009年,全球經(jīng)濟(jì)陷入底谷,中國(guó)車(chē)市在面臨世界金融危機(jī),全球市場(chǎng)普遍低迷的情況下,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷(xiāo)高速增長(zhǎng)。據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2009年我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別達(dá)到1379.10萬(wàn)輛和1364.48萬(wàn)輛,同比大增48.30%和46.15%,并首次超越美國(guó)成為世界第一大汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)國(guó)。與此同時(shí),伴隨著汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的大幅增長(zhǎng),我國(guó)民用汽車(chē)保有量也同步大幅增長(zhǎng),據(jù)《中華人民共和國(guó)2009年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示,2009年末,全國(guó)民用汽車(chē)保有量達(dá)到7619萬(wàn)輛(包括三輪汽車(chē)和低速貨車(chē)1331萬(wàn)輛),比上年末增長(zhǎng)17.8%,其中民用轎車(chē)保有量3136萬(wàn)輛,增長(zhǎng)28.6%。
隨著汽車(chē)保有量的大幅增長(zhǎng),車(chē)用能源的消耗占整個(gè)石油消耗量的比重也日益加大。據(jù)統(tǒng)計(jì),2008年我國(guó)車(chē)用燃油(汽油和柴油)的消耗量占總石油消耗的比例已從2000年的17.8%增長(zhǎng)到33%左右,已接近三分之一,可以想像,2009、2010年這一比例還會(huì)不斷增高。另?yè)?jù)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)年初統(tǒng)計(jì)顯示,2009年我國(guó)石油凈進(jìn)口量21888.5萬(wàn)噸,石油表觀消費(fèi)量40837.5萬(wàn)噸;原油凈進(jìn)口量19862.0萬(wàn)噸,原油表觀消費(fèi)量38810.9萬(wàn)噸。2009年我國(guó)石油和原油對(duì)外依存度雙破51%,2009年石油進(jìn)口依存度達(dá)到53.6%,原油進(jìn)口依存度達(dá)到52.5%。由此分析顯見(jiàn),汽車(chē)行業(yè)的節(jié)能減排對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),顯得尤為緊迫而重要。
1、輪胎與節(jié)能減排
長(zhǎng)期來(lái),人們對(duì)于汽車(chē)節(jié)能減排的期望,始終將目光主要投向發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)改進(jìn)更新,卻很少注意輪胎。其實(shí),小小輪胎中蘊(yùn)含著節(jié)能減排的無(wú)限潛力。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外主要的輪胎品牌傳遞出共同的聲音:輪胎也能節(jié)油和減少排放。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,一輛轎車(chē)以100公里/小時(shí)速度行駛時(shí),消耗于克服輪胎滾動(dòng)阻力的燃油消耗約占汽車(chē)總油耗的20%;一輛載重汽車(chē)則可以達(dá)到30%或更高。也就是說(shuō),汽車(chē)燃油消耗的五分之一以上與輪胎有關(guān)。換言之,對(duì)轎車(chē)來(lái)說(shuō),相當(dāng)于每加5次油,就有一次是完全為了輪胎而加的;而對(duì)載重汽車(chē)來(lái)說(shuō),每加3次油,就有一次是完全為了輪胎而加的。
眾所周知,汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性如今不再是普通的技術(shù)指標(biāo),其已成為世界各國(guó)對(duì)汽車(chē)實(shí)施監(jiān)控的重要依據(jù)。據(jù)測(cè)定,輪胎滾動(dòng)阻力每降低7%,便可使汽車(chē)燃油消耗降低1%,同時(shí)也可大幅降低CO2排放量。另?yè)?jù)數(shù)據(jù)檢測(cè),目前輪胎摩擦生熱過(guò)程中釋放出的CO2已占全球礦物燃料釋放的溫室氣體的3%。由此可見(jiàn)輪胎的技術(shù)升級(jí)對(duì)于汽車(chē)乃至全球節(jié)能減排的重要性。
2009年3月,歐洲議會(huì)就是否從2011年開(kāi)始強(qiáng)制在所有新車(chē)上使用節(jié)能輪胎舉行過(guò)一次投票。當(dāng)年4月27日,歐洲議會(huì)在斯特拉斯堡通過(guò)了一項(xiàng)決議,從2012年開(kāi)始,輪胎制造商必須在輪胎上標(biāo)明其燃油效率、濕抓著力和滾動(dòng)噪聲。所有輪胎必須按照制度進(jìn)行分級(jí),性能最佳的為A級(jí),性能最差的為G級(jí)。決議一推出,輪胎行業(yè)上游橡膠供應(yīng)商朗盛公司即表示歡迎,這意味著輪胎燃油效率、安全性和環(huán)境影響已成為消費(fèi)者關(guān)注和下游整車(chē)制造商市場(chǎng)決策的重要砝碼。
2009年12月7日至18日,聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)第十五次締約方會(huì)議在哥本哈根召開(kāi)。雖然此次大會(huì)最終未達(dá)成約束性協(xié)議,但有關(guān)代表提出了“2020年前所有車(chē)型的二氧化碳平均排放量至少降低25%”的強(qiáng)烈呼聲。
事實(shí)上,無(wú)論對(duì)于F1賽車(chē)手,還是普通轎車(chē)或卡車(chē)的駕駛者,輪胎與各種路面之間完美的相互作用都至關(guān)重要。輪胎生產(chǎn)商們,不得不進(jìn)行一項(xiàng)錯(cuò)綜復(fù)雜的“三角平衡”。這是指輪胎的濕地附著力(指潮濕路面的抓地力)、抗磨損能力和滾動(dòng)阻力之間的平衡。在干燥和潮濕的路面擁有足夠的抓地力絕對(duì)非常必要,專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的外部幾何形狀可以避免輪胎在雪地路面上打滑。輪胎的設(shè)計(jì)既要能保證司機(jī)以相對(duì)較高的速度安全地通過(guò)轉(zhuǎn)彎,但同時(shí)輪胎也不應(yīng)與瀝青路面“粘”力過(guò)強(qiáng),過(guò)高的附著力將增加滾動(dòng)阻力,這將意味更高的油耗和輪胎更快的磨損。
現(xiàn)代輪胎胎面的主要材料仍是橡膠化合物,向橡膠里添加不同的添加劑,則會(huì)使輪胎呈現(xiàn)不同的性能。只有達(dá)到“三角平衡”的輪胎才能得到最好的節(jié)能效果。這依賴(lài)于化學(xué)和物理等多學(xué)科之間的緊密合作。
2、輪胎的發(fā)展及綠色輪胎的出現(xiàn)
1946年,子午線輪胎的出現(xiàn)將汽車(chē)傳統(tǒng)斜交胎的滾動(dòng)阻力一下子減少了20%,而從上世紀(jì)90年代開(kāi)始出現(xiàn)的“綠色”輪胎,在子午線輪胎的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步降低了滾動(dòng)阻力。
1992年,米其林輪胎在世界上首次將硅原料整合到橡膠配方中,汽車(chē)能源消耗由此得到了大幅的降低。這是綠色輪胎概念首次出現(xiàn)在人們的視野中。綠色輪胎也稱(chēng)環(huán)保或低污染輪胎,是指在輪胎的配方中采用新型原料,從而降低輪胎的滾動(dòng)阻力、減少油耗,達(dá)到減少汽車(chē)二氧化碳排放的環(huán)保效應(yīng)。綠色輪胎降低滾動(dòng)阻力的主要措施是使用防滑性好的、滾動(dòng)阻力低的溶聚丁苯膠(SSBR),同時(shí)配合以白炭黑為主的填料體系。與同規(guī)格的子午線輪胎相比,綠色輪胎一般可降低滾動(dòng)阻力26%左右,節(jié)油約3%~8%,同時(shí)又可將耐磨耗、低噪音、干濕路面抓著力等性能保持在較好的水平上。
2.1 綠色輪胎的主要優(yōu)點(diǎn)
(1)高環(huán)保性
傳統(tǒng)斜交輪胎和子午線輪胎由于添加了有致癌作用的橡膠配合劑,它們隨著胎面磨損散發(fā)在空氣中,嚴(yán)重污染了環(huán)境,同時(shí)世界上每年有數(shù)億條輪胎被廢棄,它們不但占據(jù)大量空間,而且難以分解,對(duì)環(huán)境造成了極大威脅,被人們稱(chēng)為“黑色污染”。隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高,在繼續(xù)努力降低滾動(dòng)阻力的同時(shí),已開(kāi)始重視使用不污染環(huán)境的材料制造輪胎,而且努力延長(zhǎng)輪胎的行駛里程,以減少?gòu)U舊輪胎的數(shù)量。在大量的汽車(chē)使用綠色輪胎以后,對(duì)節(jié)油和減少污染產(chǎn)生巨大作用。綠色輪胎的廣泛應(yīng)用將為全球每年節(jié)省數(shù)百萬(wàn)桶石油,并顯著減少CO2排放量。
(2)節(jié)能
習(xí)慣使用的斜交輪胎和子午線輪胎是以標(biāo)準(zhǔn)的合成橡膠和天然橡膠制成的,在汽車(chē)行駛溫度升高的條件下,其防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)和性能都發(fā)生改變,同時(shí)車(chē)輪滾動(dòng)的阻力也在增加。綠色輪胎與上述普通輪胎相比,不僅減輕了輪胎重量,更減少了復(fù)合材料的能耗(滯后損失)。所以,綠色輪胎與同等規(guī)格的普通輪胎相比,滾動(dòng)阻力可以大大降低,隨之使汽車(chē)燃料消耗和CO2排放量也大幅下降。此外,其他性能如耐磨耗、噪音、干濕路面抓著力等也均保持良好水平。
(3)高安全性
綠色輪胎通過(guò)優(yōu)化胎體設(shè)計(jì),以絕佳的彈性胎面改進(jìn)汽車(chē)在光滑路面的抓地性能,使駕駛更平穩(wěn)、制動(dòng)距離更短,大大提高了駕駛安全性。研究證明,綠色輪胎產(chǎn)生的摩擦力可以減少汽車(chē)在濕滑或結(jié)冰路面上15%的剎車(chē)距離,使汽車(chē)的冬季駕駛性能提高10%~15%。這對(duì)減少事故率和人員傷亡有著重大的意義。
2.2 綠色輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
(1)胎體結(jié)構(gòu)子午化、無(wú)內(nèi)胎化、扁平化和輕量化
輪胎結(jié)構(gòu)大體可分為兩種,即子午線結(jié)構(gòu)和斜交結(jié)構(gòu)。子午線結(jié)構(gòu)與斜交結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于胎體。胎體是輪胎的基礎(chǔ),它是由簾線組成的層狀結(jié)構(gòu)。子午線胎體層上部有簾線為周向排列的帶束層,這種結(jié)構(gòu)使簾線強(qiáng)度能夠得到充分利用,故子午線胎的簾布層數(shù)比斜交輪胎少40%-50%。
從設(shè)計(jì)上講,斜交輪胎有很多局限性,由于斜交輪胎交叉排列的簾線強(qiáng)烈摩擦,使胎體容易生熱,而且加速胎面花紋磨耗,其簾線布局也不能很好地提供優(yōu)良的操縱性能和乘坐舒適性;而子午線輪胎的鋼絲帶束層則有較好的柔韌性以適應(yīng)路面的不規(guī)則沖擊,且經(jīng)久耐用。它的簾布層結(jié)構(gòu)還意味著在行駛中有小得多的摩擦,從而獲得較長(zhǎng)的胎面壽命和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。
子午線輪胎結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)是使得輪胎無(wú)內(nèi)胎化成為可能。無(wú)內(nèi)胎輪胎有一個(gè)公認(rèn)優(yōu)點(diǎn),當(dāng)輪胎被扎破后,不是像有內(nèi)胎的輪胎(普通的斜交胎是有內(nèi)胎的)那樣爆裂,而是在一段時(shí)間內(nèi)保持氣壓,從而提高了安全性。
由于子午線輪胎胎體的特殊結(jié)構(gòu),使得在行駛中輪胎的路面抓力大、效果好,裝有子午線輪胎的汽車(chē)與裝有斜交輪胎的汽車(chē)相比,其耐磨性可提高50%-100%,滾動(dòng)阻力降低20%-30%,可以節(jié)約油耗約3%-8%。也正因?yàn)檫@樣,同樣車(chē)型選用子午線輪胎比選用斜交輪胎操縱性更好,駕駛舒適性更強(qiáng)。
總而言之,子午化、無(wú)內(nèi)胎化、扁平化和輕量化是輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的方向,也是綠色輪胎的首選。
(2)胎面
胎面半徑增大時(shí),可降低輪胎的滾動(dòng)阻力。這是因?yàn)樘ッ姘霃皆龃髸r(shí)輪胎產(chǎn)生平面接地屈撓變形,使因輪胎斷面方向的屈撓變形所產(chǎn)生的應(yīng)變能變小的緣故。也就是說(shuō),滾動(dòng)阻力隨著胎面半徑的增大而減小,這主要得益于胎冠部和帶束層能量損失減小。今天綠色輪胎胎面結(jié)構(gòu)依然朝這一方向發(fā)展:
a)雙層胎面
雙層胎面輪胎具有高速、穩(wěn)定、耐磨及生熱低等優(yōu)點(diǎn),一般是由胎面和胎面基部?jī)刹糠謽?gòu)成,其胎面與胎面基部膠具有不同的動(dòng)態(tài)模量和模量比(tanδ)。
b)發(fā)泡胎面
發(fā)泡胎面是由發(fā)泡橡膠制成的,除胎面膠的一般成份外,還含有結(jié)晶型1,2-聚丁二烯(粉末狀,平均粒徑為60 nm),再配合發(fā)泡劑、抗氧劑等其他助劑。試驗(yàn)表明,使用發(fā)泡胎面制備的輪胎在干、濕路面上特別是在冰面上具有良好的制動(dòng)和牽引性能,即使在炎熱的夏季也完全能夠保持駕駛穩(wěn)定性、耐久性和低油耗,因此是綠色輪胎胎面膠的發(fā)展方向。
2.3 綠色輪胎的材料
前面已經(jīng)談到,綠色輪胎的材料秘籍主要就是含硅配方,即在橡膠配方中添加含硅石,業(yè)內(nèi)稱(chēng)白炭黑。但橡膠和硅石無(wú)法直接結(jié)合,還需要一些其他添加劑,如有機(jī)硅烷。添加了白炭黑和有機(jī)硅烷的輪胎抗?jié)窕芰?,滾動(dòng)阻力小,而且一般的炭黑填料輪胎在高速行駛中會(huì)產(chǎn)生很多熱量,而添加白炭黑則會(huì)降低輪胎生熱。
德固賽公司一直致力于開(kāi)發(fā)減少輪胎滾動(dòng)阻力的硅橡膠,米其林、固特異、橫濱輪胎等輪胎企業(yè)都是其重要的商業(yè)合作伙伴。上世紀(jì)90年代,開(kāi)發(fā)出硅石/硅烷技術(shù)的德固賽公司首先在歐洲市場(chǎng)推出輪胎用硅膠。今天,歐洲幾乎每一輛汽車(chē)都安裝了含有硅石的胎面輪胎。如今硅膠的配方仍然在不斷改進(jìn),輪胎的節(jié)能性能也在不斷提高,越來(lái)越多的原料生產(chǎn)企業(yè)瞄準(zhǔn)了這一塊市場(chǎng)。
另一家重要的輪胎橡膠供應(yīng)商朗盛公司也在開(kāi)發(fā)不同特性的橡膠化合物,他們研究的重點(diǎn)是如何在輪胎胎面中更加巧妙地使用硅填料。使得既減少滾動(dòng)阻力,又能提高濕抓著力——一句話,盡可能縮短制動(dòng)距離,從而延長(zhǎng)使用壽命。
(未完待續(xù))
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