特種車輛輪胎的發(fā)展概況

蔡 慶，熊 偉，韓成勇，李文東，李福軍，闕元元，趙 敏

（北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計院有限公司，北京 100143）

輪胎對特種車輛的越野機(jī)動性能具有決定性的影響[1]，無論車輛其他系統(tǒng)或總成性能如何，汽車的越野機(jī)動性能最終還是取決于輪胎與地面之間是否具有足夠的附著力，能否提供車輛行駛的足夠的牽引力。此外，特種車輛輪胎還應(yīng)具備優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性和安全性能。各國都十分重視特種車輛輪胎的技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用。

本文概述特種車輛輪胎的使用特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹國外特種車輛輪胎的發(fā)展概況，并對我國特種車輛輪胎的發(fā)展提出建議。

1 特種車輛輪胎的使用特點(diǎn)

隨著對特殊用途車輛的實戰(zhàn)性、機(jī)動性及快速反應(yīng)能力等方面的要求越來越高，用戶對特種車輛輪胎在各種極限條件下的使用性能也提出極為嚴(yán)苛的要求，主要包括以下方面。

（1）高耐磨性能和抗刺扎性能。各種路況下，確保輪胎使用壽命，不發(fā)生早期損壞。

（2）承載能力強(qiáng)。輪胎負(fù)荷能力強(qiáng)，可承載更多人員或武器。

（3）越野機(jī)動性強(qiáng)。采用寬斷面、大直徑、降低接地壓力等設(shè)計，盡量提高車輛的越野通過能力[2]。

（4）速度級別高。輪胎最高速度在100 km·h-1以上，有利于快速機(jī)動反應(yīng)。

（5）可調(diào)氣壓性（超低壓使用性）。根據(jù)路面特性，利用“中央充放氣系統(tǒng)”隨時調(diào)整充氣壓力，以提高車輛的通過性[3]。

（6）泄氣可行駛性。輪胎失壓后，在降低行駛速度的情況下，至少可行駛48 km[4]，確保車輛能夠避開攻擊。

（7）輕量化。在不影響輪胎使用性能的前提下，盡量減小輪胎質(zhì)量，從而降低能耗，并提高車輛的可轉(zhuǎn)運(yùn)性。

（8）環(huán)境適應(yīng)性。輪胎能夠耐全天候環(huán)境，包括高原環(huán)境以及極寒極熱環(huán)境（－40～50 ℃）。

2 國外特種車輛輪胎發(fā)展概況

2.1 標(biāo)準(zhǔn)體系

國外特別是美國的特種車輛輪胎有一套比較完善的輪胎設(shè)計、試驗和使用標(biāo)準(zhǔn)體系，如《美國輪胎輪輞協(xié)會（TRA）軍用標(biāo)準(zhǔn)》，是由TRA下設(shè)的軍用輪胎和輪輞分技術(shù)委員會制定，包括軍用地面車輛輪胎、輪輞及相關(guān)部件的全部軍用標(biāo)準(zhǔn)；美國機(jī)動車工程師學(xué)會（SAE）J 2014《軍用戰(zhàn)術(shù)輪式車輛用充氣輪胎》對軍用戰(zhàn)術(shù)輪式車輛輪胎的具體要求包括設(shè)計制造要求、物理性能要求、通用試驗方法檢測內(nèi)容、專項試驗內(nèi)容等6個方面共計24項指標(biāo)，其中專項試驗內(nèi)容包括輪胎牽引力試驗、輪胎脫圈試驗、輪胎機(jī)械可靠性試驗、駕駛操縱穩(wěn)定性試驗、輪胎胎面耐磨性能等8項，以裝車道路試驗方式為主，后又對內(nèi)支撐充氣輪胎的泄氣可行駛性進(jìn)行了規(guī)定。還有SAE J 2013《軍用輪胎術(shù)語》和《輪胎管理員手冊》。這些指標(biāo)要求共同構(gòu)成了美軍戰(zhàn)術(shù)輪式車輛輪胎完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.2 綜合概況

發(fā)達(dá)國家特別是歐洲國家和美國的特種車輛，為了適應(yīng)戰(zhàn)爭需要，提高作戰(zhàn)能力，適應(yīng)各種復(fù)雜路面情況，基本已經(jīng)全部配用了子午線輪胎，子午線輪胎越野綜合性能比斜交輪胎更優(yōu)異，并陸續(xù)開發(fā)出各種高性能防彈型子午線輪胎。特種車輛輪胎規(guī)格的發(fā)展逐步公制化，且采用無內(nèi)胎技術(shù)的比例較高，以利于實現(xiàn)輪胎內(nèi)壓可調(diào)性，且易于應(yīng)用輪胎泄氣可行駛技術(shù)。

美國特種車輛輪胎不斷向?qū)挃嗝?、大直徑、扁平化以及無內(nèi)胎化方向發(fā)展[5]，現(xiàn)已有275/70R22.5，325/85R16，335/80R20，365/80R20，365/85R20，395/85R20，385/65R22.5，445/65R22.5，12.00R20，14.00R20和16.00R20等規(guī)格。這些輪胎強(qiáng)調(diào)綜合性能，能夠滿足裝備高速、耐久的使用要求，既具有良好的鋪裝路面行駛能力，又有較強(qiáng)的越野能力，滿足多種地面地形的通行要求，在很大程度上提高了裝備的作戰(zhàn)能力。

為提高車輛通過松軟地面或跨越障礙物的能力，大多數(shù)國外特種戰(zhàn)術(shù)車輛都配備了輪胎中央充放氣系統(tǒng)（CTIS），便于根據(jù)情況實時調(diào)整輪胎內(nèi)壓，增大輪胎接地面積，獲得更好的通過性，如俄羅斯裝配在KAMAZ車上的425/85R21輪胎，通過調(diào)壓可以使輪胎接地面積增大到2.5倍。因此，要求配備的輪胎也具有與中央充放氣系統(tǒng)相匹配的調(diào)壓適應(yīng)能力，特別是輪胎在超低壓條件下變形顯著增大時不易損壞。

結(jié)合特種車輛輪胎的使用特點(diǎn)，泄氣可行駛技術(shù)在輪胎被子彈擊穿或嚴(yán)重受損時有利于車輛迅速逃脫，避開攻擊，從而顯著提升了車輛的戰(zhàn)場生存能力。各國日益認(rèn)識到輪胎泄氣可行駛技術(shù)對于特種車輛的重大意義，重視程度越來越高，并競相發(fā)展該技術(shù)。配備泄氣可行駛技術(shù)的輪胎就是缺氣保用輪胎，又稱安全輪胎。

2.3 安全輪胎的發(fā)展

安全輪胎按照結(jié)構(gòu)形式可以劃分為內(nèi)腔型、自封型、自支撐型、輔助支撐（內(nèi)支撐）型和非充氣型，如圖1所示。內(nèi)腔型、自封型以及自支撐型安全輪胎可解決輕度的輪胎刺穿或破損問題，但無法解決輪胎嚴(yán)重破損問題，不太適用于特殊用途的車輛[6]。對于特種車輛輪胎而言，內(nèi)支撐型安全輪胎支撐體承載能力較強(qiáng)，在輪胎嚴(yán)重破損的情況下可以臨時使用，且對外胎正常使用性能影響較小，是當(dāng)前特種車輛裝備輪胎的主流。至于非充氣型安全輪胎，雖然安全性能突出，但總體尚處于探索階段[7-8]。

2.3.1 內(nèi)支撐型安全輪胎

內(nèi)支撐型安全輪胎斷面基本結(jié)構(gòu)如圖1（d）所示，通常由輪胎、內(nèi)支撐體和輪輞3部分共同組成泄氣可行駛輪胎系統(tǒng)。在安裝輪胎時將特制的內(nèi)支撐體安置在輪輞上，輪胎充氣壓力正常時支撐體與輪胎脫離，輪胎的各項使用性能與普通常規(guī)輪胎一致，不受支撐體影響；當(dāng)輪胎充氣壓力下降或漏氣時，在接地處輪胎冠部與支撐體接觸，支撐體開始支撐車輛質(zhì)量，車輛能夠繼續(xù)維持良好的機(jī)動性能。

圖1 安全輪胎的結(jié)構(gòu)形式

內(nèi)支撐型安全輪胎的內(nèi)支撐體材料主要包括軟/硬橡膠、金屬和復(fù)合高分子材料等；結(jié)構(gòu)形式主要有整體式內(nèi)支撐體、分體式內(nèi)支撐體和分體式內(nèi)支撐體＋導(dǎo)軌[9]；發(fā)展趨勢為支撐體輕量化、泄氣后負(fù)載量更大、速度更高、摩擦生熱更小、泄氣行駛里程更長。

內(nèi)支撐型安全輪胎最典型的代表是米其林PAX輪胎，但其主要應(yīng)用于民用市場。美國哈其遜公司從1926年開始為軍事和安全車輛提供缺氣保用輪胎內(nèi)支撐系統(tǒng)，是缺氣可行駛輪胎制造的領(lǐng)先者，所生產(chǎn)的缺氣可行駛輪胎在美國及歐洲各國的特種車輛上應(yīng)用最為廣泛。哈其遜公司的TACTICAL系列內(nèi)支撐體系統(tǒng)（見圖2）包含了多氣室橡膠支撐體（VPPV）、多功能支撐體（VFI）和防地雷多功能支撐體（Countermine VFI）等多個產(chǎn)品，能夠保障軍事車輛在全地形和作戰(zhàn)條件下的機(jī)動性與安全性。

圖2 哈其遜公司TACTICAL系列內(nèi)支撐體組成

哈其遜公司近些年發(fā)布的另一類缺氣輔助內(nèi)支撐系統(tǒng)則采用復(fù)合高分子材料制造（見圖3），其質(zhì)量比橡膠材質(zhì)減小了約20%，能夠耐受一定程度的爆炸沖擊和應(yīng)對惡劣路面，特別適合裝甲防暴車輛。該支撐系統(tǒng)由輔助滑軌和支撐體兩個部分組成，共同套裝在輪輞中間。支撐體被設(shè)計成兩段或三段，搭接部位采用銷釘和螺母固定，對輪輞和輪胎沒有特殊要求（見圖4）。

圖3 哈其遜公司復(fù)合高分子材料內(nèi)支撐體

圖4 哈其遜公司復(fù)合高分子材料支撐體設(shè)計形式和組裝

2.3.2 非充氣型安全輪胎

非充氣型安全輪胎是近年來特種車輛輪胎發(fā)展的又一亮點(diǎn)。這類輪胎目前還沒有十分明確的定義，一般認(rèn)為不用充氣并且能滿足車輛使用要求的安全車輪[10]。早期的非充氣輪胎主要是實心輪胎，如在輪胎內(nèi)部填充橡膠海綿體或高彈性聚氨酯等填充物的實心輪胎，其優(yōu)點(diǎn)主要是承載能力強(qiáng)、抗刺扎；缺點(diǎn)是自身質(zhì)量大、生熱大、行駛速度低。目前，澆注式聚氨酯實心輪胎仍較廣泛地應(yīng)用于炮車和輪式裝甲車上[11]。

新型非充氣輪胎誕生于2005年，為米其林公司發(fā)布的新型TWEEL概念輪胎[見圖1（e）]，即把輪胎和輪輞結(jié)合成一體，在沒有充氣的情況下可以擁有普通充氣輪胎的主要功能，為輪胎經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性和行駛平順性建立了新標(biāo)準(zhǔn)[12-15]。固特異公司于2009年與美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了共同開發(fā)的新型非充氣輪胎——彈簧輪胎[16]（見圖5）。這種彈簧輪胎由金屬絲盤繞網(wǎng)結(jié)而成，不需要充氣，能夠在環(huán)境溫度極端惡劣的外太空使用，是需要進(jìn)入條件極苛刻地區(qū)的越野車輛的更安全選擇。北極星工業(yè)公司在2012年發(fā)布了蜂窩結(jié)構(gòu)支撐的全地形新型非充氣輪胎（見圖6），經(jīng)過測試驗證，為北極星全地形車輛WV850配套的新型非充氣輪胎可以在受到12.7 mm（0.5英寸）口徑的子彈射擊后持續(xù)行駛560 km的距離，也可以在蜂窩網(wǎng)毀壞程度達(dá)30%的情況下依舊繼續(xù)使用，力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)于普通充氣輪胎[7]。彈性技術(shù)有限責(zé)任公司的悍馬專用新型非充氣輪胎也采用了蜂巢式輻條結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖7），在輪胎蜂巢式輻條結(jié)構(gòu)損壞程度達(dá)10%的情況下，車輛可以120 km·h-1的速度持續(xù)行駛100 km，與當(dāng)前悍馬的缺氣保用輪胎負(fù)荷能力相當(dāng)，但質(zhì)量更小。

圖5 彈簧輪胎

圖6 北極星工業(yè)公司的新型非充氣全地形輪胎及車輛

圖7 悍馬專用新型非充氣輪胎及車輛

具有現(xiàn)代意義的新型非充氣輪胎在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性和行駛平順性等方面接近或優(yōu)于普通充氣輪胎和實心輪胎，其性能特點(diǎn)符合社會發(fā)展的主題，必將對未來特種車輛輪胎的設(shè)計和制造技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生影響。

3 我國特種車輛輪胎發(fā)展的建議

近20年來，我國輪胎行業(yè)發(fā)展迅速，已成為世界最大的輪胎生產(chǎn)國和出口國，隨著特種車輛的不斷發(fā)展，對配套輪胎高速性能、越野機(jī)動性能、安全性能、可靠性和戰(zhàn)場生存性的要求越來越高。對特種車輛輪胎技術(shù)的提升或先進(jìn)技術(shù)的預(yù)研儲備也應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁嘀匾?，特此提出以下幾點(diǎn)建議。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

在特種車輛輪胎標(biāo)準(zhǔn)方面，美國擁有一套比較現(xiàn)代化且內(nèi)容完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，輪胎規(guī)格的選取、設(shè)計都可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，為美軍整車制造公司、輪胎生產(chǎn)企業(yè)及研發(fā)設(shè)計人員等提供統(tǒng)一的指導(dǎo)規(guī)范，發(fā)揮了十分重要的作用。

我國特種車輛輪胎相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)國防現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展情況不斷修訂和完善，擴(kuò)充子午線輪胎規(guī)格、增加試驗方法檢測內(nèi)容，結(jié)合室內(nèi)試驗和道路試驗考核制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使得標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)和規(guī)范研發(fā)設(shè)計人員及相關(guān)企業(yè)起到應(yīng)有的作用，促進(jìn)高性能輪胎在特殊用途車輛上的配套和應(yīng)用。

3.2 技術(shù)提升

隨著車輛技術(shù)發(fā)展，車輛高速、電驅(qū)動、全地域使用、安全防彈等特點(diǎn)要求配套輪胎具有更高的性能。

特種車輛輪胎使用條件苛刻，要求輪胎的負(fù)荷能力突出，并滿足高速行駛要求。在非鋪裝路面行駛時，要求輪胎同時具備抗刺扎性能和優(yōu)異的安全性能，即使出現(xiàn)爆胎等嚴(yán)重?fù)p壞還能以一定的速度及時脫離困境，提高戰(zhàn)場生存能力。面對上述諸多要求，應(yīng)大力加快特種車輛輪胎的技術(shù)創(chuàng)新和試驗工作。

3.2.1 加快子午化進(jìn)程

子午線輪胎與斜交輪胎相比優(yōu)勢明顯，表現(xiàn)在高速性能、耐磨性能、滾動阻力等諸多方面。我國輪胎行業(yè)也在不斷推進(jìn)輪胎子午化率，“十三五”期間我國輪胎子午化率已達(dá)到94.5%，并將繼續(xù)增長。從發(fā)展方向看，應(yīng)不斷提高特種車輛輪胎子午化率。

3.2.2 輕量化高性能輪胎研制

在保持輪胎性能的前提下盡量減小輪胎和支撐體的質(zhì)量、降低輪胎的滾動阻力，有利于車輛高速行駛并提高行駛里程，在一些特殊情況下還提高了轉(zhuǎn)運(yùn)和可空投性，擴(kuò)大了作戰(zhàn)半徑。因此，不斷采用新材料、新技術(shù)研究特種車輛輪胎輕量化具有十分重要的實用性及戰(zhàn)略意義。

3.2.3 電驅(qū)動車輛配套輪胎研制

電驅(qū)動車輛是未來發(fā)展的方向，輪邊驅(qū)動、輪轂驅(qū)動等新的底盤形式要求研制新型電驅(qū)動車輛用輪胎。電驅(qū)動車輛一般要求輪胎具有寬斷面、輕量化、大負(fù)荷、節(jié)電以及高耐磨性能等綜合特點(diǎn)，比傳統(tǒng)輪胎的技術(shù)要求更高。輪胎規(guī)格需要根據(jù)車輛底盤空間和負(fù)荷需求綜合考慮后從標(biāo)準(zhǔn)中選定或者新制定。

3.2.4 非充氣輪胎研制

非充氣輪胎的設(shè)計理念、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品維護(hù)等均與當(dāng)前普遍應(yīng)用的充氣輪胎完全不同。因其可避免充氣輪胎爆胎的情況，將極大地提高車輛行駛的安全性和可靠性。對于非充氣特種輪胎技術(shù)的研究應(yīng)不斷推進(jìn)。

4 結(jié)語

特種車輛輪胎使用條件苛刻，與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國特種車輛輪胎的發(fā)展起步較晚，但發(fā)展很快。面對新形勢，當(dāng)前我國實施的科技強(qiáng)軍重大戰(zhàn)略提出依靠科技進(jìn)步提高戰(zhàn)斗力，在“科技興軍”“全面提高國防和軍隊現(xiàn)代化水平”等戰(zhàn)略思想的指導(dǎo)下，加快開展特種車輛輪胎的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，高屋建瓴地做好頂層設(shè)計，對特種車輛輪胎的技術(shù)發(fā)展將起到非常關(guān)鍵的作用。

特種車輛輪胎發(fā)展的趨勢為子午化、無內(nèi)胎化、輕量化、優(yōu)異的綜合使用性能以及安全性，應(yīng)積極開展相應(yīng)研究，自主研發(fā)出具有高可靠性以及高性能的特種車輛輪胎，對提高特種車輛戰(zhàn)場生存能力并更好地適應(yīng)未來戰(zhàn)場環(huán)境具有十分重要的意義。