電動(dòng)平衡重式叉車輪胎設(shè)計(jì)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

李鞏武

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

1 電動(dòng)平衡重式叉車輪胎研究背景

隨著能源危機(jī)加劇及生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策趨嚴(yán)，世界各國紛紛通過立法和稅收等政策限制傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)展，特別是2016年以來，歐洲多個(gè)國家陸續(xù)公布禁售燃油車時(shí)間表。我國工業(yè)和信息化部也提出了制定中國燃油車停運(yùn)時(shí)間表的問題。

在此背景下生態(tài)環(huán)境部為防止非道路移動(dòng)機(jī)械污染大氣環(huán)境，保障生態(tài)環(huán)境安全和人體健康，促進(jìn)非道路移動(dòng)機(jī)械污染防治技術(shù)進(jìn)步，制訂了《非道路移動(dòng)機(jī)械污染防治技術(shù)政策》，鼓勵(lì)新能源動(dòng)力技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，鼓勵(lì)混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池等新能源技術(shù)在非道路移動(dòng)機(jī)械中的應(yīng)用，優(yōu)先發(fā)展中小非道路移動(dòng)機(jī)械動(dòng)力裝置的新能源化，逐步達(dá)到有害氣體的超低排放和零排放。這為包括平衡重式叉車在內(nèi)的非道路移動(dòng)機(jī)械指明了發(fā)展方向。同時(shí)，現(xiàn)代物流網(wǎng)的高速發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)和大型超市的增長，刺激了對(duì)室內(nèi)搬運(yùn)機(jī)械需求的增長，帶動(dòng)高性能電動(dòng)平衡重式叉車等各類倉儲(chǔ)機(jī)械迅速發(fā)展。

隨著我國電動(dòng)平衡重式叉車的發(fā)展及更新?lián)Q代，其設(shè)計(jì)已經(jīng)由最初內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車車架系統(tǒng)改為適合電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車架系統(tǒng)。作為平衡重式叉車重要部件之一的配套輪胎，也由最初的內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車輪胎轉(zhuǎn)為更適合電動(dòng)平衡重式叉車的輪胎。相比傳統(tǒng)輪胎，電動(dòng)平衡重式叉車的配套輪胎在選型、負(fù)荷能力和滾動(dòng)阻力等方面也提出了更高的要求。因此針對(duì)電動(dòng)平衡重式叉車輪胎的研究顯得尤為重要。

1.1 市場發(fā)展趨勢

目前國際市場上電動(dòng)平衡重式叉車的產(chǎn)量占叉車總產(chǎn)量的40%，德國、意大利等西歐國家這一比例為65%。近幾年國內(nèi)電動(dòng)平衡重式叉車銷售量呈逐年遞增趨勢，2017和2018年平均增速為20%左右，2019年雖受中美貿(mào)易摩擦等因素的影響，仍保持正增長。但目前電動(dòng)平衡重式叉車在整個(gè)工業(yè)車輛中的占比仍然非常低，僅有10%左右（見表1）[1-2]。因此未來電動(dòng)平衡重式叉車有著巨大的發(fā)展空間，相應(yīng)的電動(dòng)平衡重式叉車輪胎也將快速增長。

表1 近年我國電動(dòng)平衡重式叉車銷售量及占比

1.2 源動(dòng)力

電動(dòng)平衡重式叉車是指以電為源動(dòng)力進(jìn)行作業(yè)的叉車，大多數(shù)都是以蓄電池為主，也有部分使用燃料電池。與動(dòng)力強(qiáng)勁的內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車相比，電動(dòng)平衡重式叉車因受電池容量限制，電動(dòng)機(jī)的輸出功率偏小，持續(xù)工作時(shí)間受到限制，且運(yùn)行工況因電動(dòng)機(jī)的介入更為復(fù)雜，因此對(duì)輪胎的設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格。

1.3 作業(yè)工況

電動(dòng)平衡重式叉車的作業(yè)工況主要分為空載工況和叉起重物時(shí)的滿載工況，空載時(shí)前輪承受的負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的30%～40%，后輪承受的負(fù)荷約為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷；滿載時(shí)前輪承受的負(fù)荷約為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，后輪承受的負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的30%～40%。前輪主要承受額定起重的負(fù)荷，提供行走驅(qū)動(dòng)力及制動(dòng)力。后輪作用為承受電池及配重的質(zhì)量及轉(zhuǎn)向功能。

首先，電動(dòng)平衡重式叉車電動(dòng)機(jī)輸出功率受到電池容量的限制較內(nèi)燃機(jī)輸出功率偏小。國內(nèi)主導(dǎo)叉車廠家的3 t電動(dòng)平衡重式叉車行走電動(dòng)機(jī)輸出功率為15 kW，而3 t傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為35～45 kW，3 t電動(dòng)平衡重式叉車滿載及空載時(shí)的最大行駛速度分別為14和15 km·h-1，而3 t傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車滿載及空載時(shí)的最大行駛速度分別為18和19 km·h-1。其次，電動(dòng)平衡重式叉車自身質(zhì)量的增大也要求輪胎的負(fù)荷能力提高。國內(nèi)主流廠家的3 t電動(dòng)平衡重式叉車比3 t傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車自身質(zhì)量增大20%。再次為電動(dòng)機(jī)提供的電能相比傳統(tǒng)燃油是不容易攜帶的，又因電動(dòng)平衡重式叉車持續(xù)工作時(shí)間是市場競爭的重要因素，因此對(duì)電動(dòng)平衡重式叉車輪胎滾動(dòng)阻力的要求更為嚴(yán)格。同時(shí)電動(dòng)平衡重式叉車的售價(jià)通常比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車高，如果電池為鋰電池售價(jià)更高。因此，作為高品質(zhì)的電動(dòng)平衡重式叉車配件也應(yīng)該有相對(duì)應(yīng)的品質(zhì)，反饋至輪胎性能是對(duì)輪胎耐用性提出更高的要求。

2 電動(dòng)平衡重式叉車輪胎的選取

2.1 規(guī)格

相對(duì)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車，相同噸位的電動(dòng)平衡重式叉車行走電動(dòng)機(jī)輸出功率偏小。為減小電動(dòng)平衡重式叉車加速時(shí)的阻力扭矩，可選用直徑小的輪胎，以提高車輛的加速性和行駛速度。國內(nèi)主導(dǎo)叉車廠家主流產(chǎn)品的輪胎使用情況見表2。

表2 電動(dòng)平衡重式叉車推薦替換輪胎規(guī)格

從表2可以看出，將內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車使用的普通斷面輪胎替換為低斷面輪胎后，其直徑減小12%～21%。輪胎直徑減小也使車輛重心降低，提高了車輛的橫向動(dòng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向安全性。

2.2 層級(jí)

滿載時(shí)電動(dòng)平衡重式叉車的最大行駛速度比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車低4 km·h-1，根據(jù)輪胎負(fù)荷公式推算，速度下降，輪胎負(fù)荷能力增大，驅(qū)動(dòng)輪負(fù)荷能力最多提高5%，而轉(zhuǎn)向輪負(fù)荷能力不變。國內(nèi)主流廠家的3 t電動(dòng)平衡重式叉車自身質(zhì)量比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車增大20%，因此上述推薦的充氣輪胎在選用時(shí)還需選用更高層級(jí)的輪胎，以提高輪胎的負(fù)荷能力。甚至有部分規(guī)格的輪胎需要推算標(biāo)準(zhǔn)中尚未規(guī)定的更高層級(jí)輪胎相對(duì)應(yīng)的充氣壓力和負(fù)荷。按照現(xiàn)有國內(nèi)外輪胎資料中對(duì)充氣壓力的選取，出于安全考慮，輪胎充氣壓力應(yīng)不大于1 050 kPa。

3 電動(dòng)平衡重式叉車輪胎的設(shè)計(jì)要求

3.1 提高負(fù)荷能力

低斷面輪胎斷面扁平，負(fù)荷能力提高，要求輪胎使用過程中保持高充氣壓力，充氣壓力偏低極易造成輪胎的早期損壞。然而，實(shí)際使用時(shí)輪胎充氣壓力偏低的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需適當(dāng)選取上下胎側(cè)曲率半徑以提高胎側(cè)支撐性能；施工設(shè)計(jì)方面可增大反包高度，使反包高度超過輪胎斷面中心軸，增大三角膠高度，并使用增粗、加密簾線以提高簾線的安全倍數(shù)，適當(dāng)增大假定伸張值以提高輪胎側(cè)向剛性，使輪胎下沉率保持在合理的范圍內(nèi)。

3.2 改進(jìn)行駛面結(jié)構(gòu)

高層級(jí)低斷面斜交輪胎的使用充氣壓力都接近1 000 kPa，在如此大的充氣壓力下，低斷面輪胎極易出現(xiàn)凸冠現(xiàn)象。電動(dòng)平衡重式叉車運(yùn)行時(shí)，無論前輪還是后輪，當(dāng)負(fù)荷約為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷時(shí)輪胎接地印痕面積較大；當(dāng)負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的30%～40%時(shí)，輪胎接地印痕面積因凸冠現(xiàn)象而減小近60%，而輪胎接地壓力卻變化不大。因電動(dòng)平衡重式叉車運(yùn)行工況中滿載與空載各占50%，即輪胎有一半時(shí)間運(yùn)行在輪胎接地印痕面積偏小、輪胎接地壓強(qiáng)較大的狀態(tài)，這是導(dǎo)致低斷面輪胎使用后期出現(xiàn)行駛面中心的胎面膠已經(jīng)磨光甚至露出簾線，而行駛面靠胎肩處的胎面膠還很厚的情況的主要原因之一。

為避免凸冠現(xiàn)象，首先輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用行駛面反弧設(shè)計(jì)，但反弧設(shè)計(jì)的曲率半徑不能太小，否則會(huì)增大胎肩膠用量，也會(huì)造成胎面整體磨耗不均勻。在施工設(shè)計(jì)時(shí)，胎體簾布和緩沖簾布角度取適當(dāng)偏大值可抑制凸冠現(xiàn)象。近幾年有些廠家使用鋼絲帶束層來抑制凸冠現(xiàn)象，也取得了較好的效果。

3.3 降低滾動(dòng)阻力

為延長電動(dòng)平衡重式叉車持續(xù)工作時(shí)間，需降低其輪胎的滾動(dòng)阻力。首先選擇非貫通的以橫向花紋為主的花紋形式，且盡量減小輪胎花紋的周節(jié)數(shù)，可以在一定程度上減小輪胎與地面的摩擦頻率，從而降低輪胎的滾動(dòng)阻力。其次因電動(dòng)平衡重式叉車驅(qū)動(dòng)輪與轉(zhuǎn)向輪的功能特點(diǎn)不同，可以將兩者采用不同的花紋類型，驅(qū)動(dòng)輪提供驅(qū)動(dòng)力及制動(dòng)力，因此保留以橫向花紋為主的花紋形式；而轉(zhuǎn)向輪以轉(zhuǎn)向?yàn)橹?，可以選擇轉(zhuǎn)向響應(yīng)性好且滾動(dòng)阻力更低的縱向花紋。同時(shí)，優(yōu)化胎面膠配方設(shè)計(jì)，胎面膠中增大白炭黑用量可以降低其壓縮疲勞溫升，減小輪胎內(nèi)部能量損耗，從而降低輪胎滾動(dòng)阻力[3-4]。

3.4 其他方面

作為電動(dòng)平衡重式叉車輪胎，對(duì)其耐用性也提出更高的要求。首先是耐磨性能，電動(dòng)平衡重式叉車使用環(huán)境，尤其是地面對(duì)輪胎耐磨性能的影響很大，在保證降低滾動(dòng)阻力的前提下盡量增大胎面花紋飽和度以及采用非貫通的花紋形式以提高輪胎耐磨性能。電動(dòng)平衡重式叉車使用環(huán)境多在工廠、倉庫、車站、碼頭、港口等空間環(huán)境有限的場所，輪胎外側(cè)極易因環(huán)境狹小而造成擦傷和碰傷，因此提高輪胎胎側(cè)的防護(hù)性也是提高輪胎耐用性的重要一環(huán)。為提高輪胎的性價(jià)比，可以設(shè)計(jì)非對(duì)稱性胎側(cè)，即輪胎靠外側(cè)的胎側(cè)加厚加強(qiáng)，而靠內(nèi)側(cè)的胎側(cè)保持正常厚度甚至減小厚度。這種設(shè)計(jì)既提高了輪胎外側(cè)的防護(hù)性，也能保持輪胎經(jīng)濟(jì)性。

4 電動(dòng)平衡重式叉車輪胎的發(fā)展方向

電動(dòng)汽車作為新一輪經(jīng)濟(jì)增長的突破口和實(shí)現(xiàn)交通能源轉(zhuǎn)型的根本途徑，已經(jīng)成為世界各國汽車制造廠商的共同戰(zhàn)略選擇。

目前全球汽車巨人都在致力于電動(dòng)汽車的研究，技術(shù)日趨成熟，電動(dòng)汽車的動(dòng)力、傳動(dòng)、控制、安全等技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)使電動(dòng)平衡重式叉車整機(jī)性能有質(zhì)的提高。首先將突破目前其只有中、小噸位車型的局限性，使電動(dòng)平衡重式叉車向大噸位車型發(fā)展；其次，電動(dòng)平衡重式叉車行駛速度及爬坡能力將趕上傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)平衡重式叉車，同時(shí)，作業(yè)時(shí)間也將大大延長。因此電動(dòng)平衡重式叉車輪胎向新型大規(guī)格低斷面輪胎發(fā)展。輪胎綜合性能也需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、花紋設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)及新材料應(yīng)用入手，不斷滿足電動(dòng)平衡重式叉車行駛速度提高、作業(yè)時(shí)間延長而對(duì)輪胎提出新的、更高的要求。隨著使用環(huán)境的改善和使用習(xí)慣的改變，實(shí)心輪胎的用量也將逐漸增大。

綜上所述，隨著國家政策的激勵(lì)和引導(dǎo)，電動(dòng)平衡重式叉車占有率會(huì)逐年快速提升，其輪胎也將迎來快速發(fā)展的機(jī)遇。