關(guān)于低碳經(jīng)濟(jì)下綠色輪胎的發(fā)展與展望

王偉 王君 徐偉 劉繼發(fā) 張晨曦

摘要：本文介紹了各國輪胎相關(guān)標(biāo)簽法規(guī)，明確了輪胎綠色化設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，對綠色輪胎的可行性技術(shù)途徑進(jìn)行了簡單說明，對綠色輪胎發(fā)展過程中所面臨的問題與挑戰(zhàn)進(jìn)行梳理，明確了推進(jìn)綠色輪胎發(fā)展的著力點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：低碳經(jīng)濟(jì);雙碳目標(biāo);輪胎;綠色;低滾阻

作為我國“十四五”攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要目標(biāo)，“碳中和”、“碳達(dá)峰”被首次寫入經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的五年規(guī)劃。低碳經(jīng)濟(jì)也真正作為一項(xiàng)歷史任務(wù)被提上各行各業(yè)的發(fā)展議程。輪胎是汽車上重要的高速運(yùn)轉(zhuǎn)且唯一接觸地面的零部件，其在汽車行駛過程中的能耗約占整車燃油耗的20%-30%，僅次于發(fā)動機(jī)，在減碳降耗方面義不容辭。

本文試圖從乘用車輪胎角度出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外近年提出的各類輪胎標(biāo)簽法規(guī)，通過歸納綠色輪胎的性能要求，對輪胎輪廓參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇等進(jìn)行簡單探討，并找出綠色輪胎發(fā)展過程中面臨的問題與挑戰(zhàn)。

1、各國關(guān)于綠色輪胎的相關(guān)法規(guī)

輪胎作為一種橡膠類化工產(chǎn)品，是汽車上的重要零部件，其對碳排放及環(huán)境的影響不容小覷。21世紀(jì)以來，以歐盟為代表的許多國家地區(qū)紛紛出臺汽車及輪胎行業(yè)法律法規(guī)，以期對輪胎制造、使用及報(bào)廢等作出一定約束，以降低輪胎全生命周期中造成的碳排放及環(huán)境污染。

1.1歐盟輪胎標(biāo)簽法

2006年以來，歐盟分別頒布了REACH法規(guī)（全名為《關(guān)于化學(xué)品注冊、評估、許可和限制法規(guī)》）以及輪胎標(biāo)簽法等多項(xiàng)法規(guī)，并多次對各項(xiàng)法規(guī)要求進(jìn)行補(bǔ)充完善。為達(dá)到歐盟法規(guī)要求，國外橡膠企業(yè)紛紛嘗試新材料開發(fā)，禁用芳烴油、重金屬等污染性極強(qiáng)的材料。歐盟標(biāo)簽法規(guī)將輪胎的滾動阻力、噪聲值和濕地抓地性能等綜合劃分為7個(gè)等級，性能最佳的為A級，最差的為G級。輪胎標(biāo)簽發(fā)分階段執(zhí)行，并要求未達(dá)到最低限定級別的輪胎不得在歐盟境內(nèi)銷售。[1]

1.2美國輪胎標(biāo)簽法

2007年美國通過了含有輪胎標(biāo)簽規(guī)定的法律，目前行業(yè)團(tuán)體和監(jiān)管機(jī)構(gòu)已對這一法律進(jìn)行了修改。美國制定的新能源政策明確規(guī)定，2016年前平均每加侖汽油行駛里程必須達(dá)到35.5英里（即15.1km/L）。這意味著對輪胎的性能提出了更高的要求，而只有低滾動阻力輪胎才能滿足這一要求。[1]

1.3日本輪胎標(biāo)簽法

日本從2010年實(shí)行自愿輪胎標(biāo)簽制度，并在2011年12月底涵蓋所有適用的輪胎。日本輪胎標(biāo)簽法主要標(biāo)示輪胎的滾動阻力和濕路面抓著性能等級。[2]

1.4韓國輪胎標(biāo)簽法

韓國28%輪胎銷往歐盟地區(qū)，受歐盟輪胎標(biāo)簽法影響，韓國于2011年11月頒布了本國的輪胎標(biāo)簽法。該法規(guī)對轎車輪胎和輕型載重汽車輪胎的滾動阻力和濕路面抓著性能提出了明確的指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制性要求輪胎制造商從2012年12月1日起將轎車輪胎和輕型載重汽車輪胎的燃油效率和安全性能信息以標(biāo)簽的形式予以體現(xiàn)，為輪胎消費(fèi)者購買輪胎提供參考。目前韓國輪胎標(biāo)簽法對輪胎噪聲沒有提出指標(biāo)要求。[2]

1.5各標(biāo)簽法對于性能的要求差異

通過對各國已實(shí)施的輪胎標(biāo)簽性能進(jìn)行梳理如表1，全部法規(guī)均對輪胎濕路面抓著性能以及滾動阻力性能提出分級要求。歐盟及中國等部分國家對輪胎噪聲等級提出要求，占據(jù)調(diào)查法規(guī)總數(shù)的45%，考慮歐盟標(biāo)簽法在輪胎行業(yè)較高的認(rèn)可度，噪聲等級的實(shí)際需求可能高于這一比例。美國標(biāo)簽法單獨(dú)對輪胎磨耗性能提出要求，輪胎可行駛里程數(shù)的提升，也可有效降低輪胎全生命周期中的平均碳排放量。

2、目前輪胎綠色化常見的實(shí)現(xiàn)途徑

2.1常規(guī)轎車輪胎設(shè)計(jì)

從法規(guī)來看，降低輪胎滾動阻力，提升輪胎干濕地操控性能，降低輪胎行駛過程中產(chǎn)生的噪聲并同時(shí)確保輪胎磨耗達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，方可實(shí)現(xiàn)理想綠色輪胎的設(shè)計(jì)。而實(shí)際上，減小輪胎滾動阻力是最為切實(shí)可行的綠色輪胎設(shè)計(jì)途徑。

輪胎滾動阻力引發(fā)的耗油量占汽車總耗油量的14.4%，而僅由胎面產(chǎn)生的滾動阻力就占輪胎滾動阻力的49%，其他部件的滾動阻力占輪胎滾動阻力的比例分別為：胎側(cè)14%、胎體11%、胎圈11%、帶束層8%、其余部件7%。由胎面直接造成的耗油量約占汽車總耗油量的7.1%[2]，要設(shè)計(jì)出滾動阻力低且抗?jié)窕阅芰己玫妮喬ナ紫纫獜奶ッ嫒胧?。輪胎的膠料配方、輪廓設(shè)計(jì)、胎面花紋設(shè)計(jì)、輪胎成型結(jié)構(gòu)及骨架材料都會對輪胎的滾動阻力產(chǎn)生影響。

從選擇最優(yōu)的膠料配方組合、改進(jìn)膠料配方著手，輔以去除各半部件過盈設(shè)計(jì)厚度，優(yōu)化輪胎設(shè)計(jì)輪廓以及通過調(diào)整工藝參數(shù)改善充氣輪廓等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段，來達(dá)到降低輪胎滾動阻力的目的。FEA仿真分析等最優(yōu)化計(jì)算方法為輪胎輪廓及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)篩選出最佳實(shí)現(xiàn)路徑，聚合物分子定向設(shè)計(jì)等技術(shù)成果的推出為膠料配方設(shè)計(jì)開辟了新的方式，這些成果都將加速綠色輪胎的開發(fā)進(jìn)程。

2.2新能源汽車專用輪胎設(shè)計(jì)

受世界范圍內(nèi)環(huán)保政策促進(jìn)，新能源車行情走高，各大輪胎企業(yè)競相推出新能源車專用輪胎，普利司通公司宣布將在2030年之前，把新銷售的九成汽車輪胎改為面向純電動汽車，足見新能源汽車在未來輪胎行業(yè)中無可替代的地位。相比傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車在輪胎的耐磨性、噪音控制以及對整車?yán)m(xù)航和操控的輔助上都提出了更為精細(xì)化的要求。

在對新能源專用輪胎進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可通過對輪胎輪廓設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及膠料配方三方面進(jìn)行一定調(diào)節(jié)。輪廓設(shè)計(jì)方面，通過增大胎面弧半徑使胎面更平坦，兼顧輪胎的操控性及舒適性，圓滑的胎肩曲線可優(yōu)化輪胎的噪聲，較小的行駛面弧高還可提升輪胎的磨耗性能，花紋主溝深度減小可提高花紋塊剛性，提高輪胎的滾動阻力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，使用高強(qiáng)度簾線或聚酰胺尼龍混編簾線，計(jì)算選擇最優(yōu)形狀的三角膠芯，去除結(jié)構(gòu)中冗余的材料，提升輪胎總體的剛性及滾阻表現(xiàn)。膠料配方設(shè)計(jì)方面，通過降低填料用量、采用低比表面積填料和填料并用體系、在NR胎面膠中加入大量白炭黑、采用膠乳-白炭黑共沉母膠[3]等方法，可在一定程度上達(dá)到降低滾動阻力的效果。

3、綠色輪胎發(fā)展中所遇到的問題

近年來，國內(nèi)輪胎企業(yè)由于國外輪胎標(biāo)簽法和市場的壓力開始試制和生產(chǎn)綠色輪胎，但發(fā)展較為緩慢。部分綠色輪胎開發(fā)以犧牲輪胎耐磨性能為代價(jià)換取低滾動阻力[4]，雖然標(biāo)簽性能優(yōu)異，卻由于耐磨性能不足而較難投放市場。

在滾阻、濕滑、噪聲及磨耗性能均達(dá)標(biāo)的情況下，綠色輪胎生產(chǎn)成本比普通子午線輪胎高出15%以上，且這些成本多體現(xiàn)在社會效益方面，如降低噪聲和減少輪胎磨損污染物擴(kuò)散等，消費(fèi)者直接感受到的益處不多[5]，因此對綠色輪胎的的使用積極性并不高。部分外國輪胎公司制造的綠色輪胎逐漸進(jìn)入中國市場，產(chǎn)品亦少人問津[6]，較低的市場需求又使得國內(nèi)輪胎企業(yè)在綠色輪胎開發(fā)方面動力不足。

新能源汽車載重大、加速快，且無發(fā)動機(jī)的引擎噪聲，這對綠色輪胎提出更高的要求，較普通燃油車更大的重量，更大的起步及加速扭矩，更低的輪胎噪聲，這些新能源車的共性對輪胎提出很高的要求，這對于輪胎的綜合性能是非常大的考驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)綠色輪胎尤其是新能源汽車專用輪胎的普及化還有很長的路，這要求我們具備大量綠色輪胎原創(chuàng)研發(fā)技術(shù)探索、制造精度、智能化程度等的提升，測試方法及設(shè)備研發(fā)使用等，這也迫使我們在新材料研發(fā)、仿真數(shù)據(jù)測算及優(yōu)化、設(shè)備研發(fā)等方面作出更多探索。

4、結(jié)束語

我國汽車行業(yè)計(jì)劃2028年先于總體實(shí)現(xiàn)提前碳達(dá)峰目標(biāo)，輪胎作為汽車第二大耗能零部件，其綠色化發(fā)展及普及化完全符合雙碳目標(biāo)政策方向。發(fā)展綠色輪胎勢在必行，其也將帶來輪胎產(chǎn)業(yè)的又一次升級換代。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭鵬，趙文權(quán)，吳剛.我國綠色輪胎的發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工環(huán)保，2014，34（4）：332-335.

[2]蘇博.全球輪胎標(biāo)簽制度現(xiàn)狀[J].橡膠科技，2017，15（4）：5-10.

[3]Wang M J.Effect of Polymer-Filler and Filler-Filler Interactionson Dynamic Properties of Filled Vulcanizates [J].Rubber Chemistryand Technology，1998，71（3）：520-589.

[4] Wang M J.Effect of Filler-Elastomer Interaction on Tire TreadPerformance.Part III.Effect on Abrasion [J].Kautschuk GummiKunststoffe，2008，61（4）：159-165

[5]中國橡膠工業(yè)協(xié)會輪胎分會秘書處.我國輪胎工業(yè)的現(xiàn)狀和綠色化發(fā)展[J].橡膠科技，2016，14（10）：5-10.

[6]王夢蛟.綠色輪胎的發(fā)展及其推廣應(yīng)用[J].橡膠工業(yè)，2018，65（1）：105-112.

作者簡介：王偉，1990年9月，女，漢，山東德州，結(jié)構(gòu)工程師/中級工程師，研究生，研究方向：輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。