冰雪路面防滑花纹亦有称冬季花纹、泥雪花纹。但由于冬季时节气温因地理位置与时段的不同而相差较大,泥雪与低温又不是同一概念,为了表述冰雪路面的本质特征,还是把这种轮胎花纹称之为冰雪路面防滑花纹或者简称为冰雪花纹比较确切。
对于汽车行驶来说,冰雪路面的特点是附着性能(抓着性能)低下。在冰路面上,附着系数为0.07~0.10;在雪(压紧)路面上,附着系数为0.15~0.20。这样的冰雪路面的附着性能比起干燥的沥青或混凝土路(附着系数为0.80~1.00)来说已经下降了好几倍,甚至10倍。由于路面附着性能降低,致使普通轮胎牵引性能、制动性能、防侧滑性能明显下降,操纵性、行驶稳定性、安全性变差。实验表明,以同样30km/h的速度,雪路上的制动最长距离是普通干路面的3倍,而冰面上则扩大到8倍;转弯时容易发生侧滑、甩尾现象;遇上颠簸时方向不听使唤(乱串),一不留心汽车就会溜出路面;若受稍大的侧向风作用,汽车则无法操纵。
这种的冰雪路面状况是普通轮胎花纹所对付不了的,因为普通轮胎橡胶的材质随着天气变冷而变硬,而且越冷越硬,在接近0℃时,较小的花纹由于橡胶变硬而几乎靠拢在一起,附着性能大大下降。这对于一时不适应冰雪路面驾驶,而且平常习惯开快车的人来说,这近乎零抓地力冰雪上的恐怖感受令人难忘。
在冰雪轮胎花纹研制开发之前,对付冰雪路面的有效办法就是在普通轮胎上安装防滑链(图1-78),但它对轮胎本身和路面的损伤太大,除了少数特殊用途车辆以外,现在几乎看不到它的踪影。代替它的是带防滑钉的冰雪轮胎,它让车子在冰雪路上不再“脚下无根”,虽然速度较慢,但总算是摆脱了“链”的束缚而独自行驶了。防滑钉有金属的也有合成材料的,这种钉子胎不仅会对路面造成严重的破坏,而且噪声也很大,欧盟国家和日本早在20世纪90年代就全面禁用“钉子胎”。在我国,“禁钉”也是早晚的事。20多年前的“禁钉”行动催生了第一批高性能冰雪轮胎的问世,日本普利司通BLIZZAK品牌就是其中之一。
冰雪花纹的特点:首先是胎面胶采用了一种特殊的含硅的配方,以确保胎面在极低的气温下仍保持柔软状态,使胎面的附着性能得到大幅改善。胎面比普通轮胎宽出10%~20%,并且采用加深加宽、边棱分明的纵横沟组合花纹设计,使其与雪地有更深地嵌合,与冰面有更大地接触。在花纹块表面刻制Z形刀槽花纹,并且加大密度,甚至采用先进的三维(3D)技术,连花纹块的侧沟面上也刻上Z形刀槽花纹,以最大限度地增大与地接触面积和清除接触面间的水膜。在纵向沟内采用连接棒等技术,减少胎面蠕动变形,以加强转弯时胎肩的刚性。由于采取以上改进措施,使冰雪花纹轮胎在冰面与雪地上的附着性能大大优于普通轮胎。从而使驱动性能、制动性能、抗侧滑性能随之得到大大改善,操纵稳定性得到提高。有过对比测试,如果把冰雪轮胎当作普通夏季轮胎在气温较高、干燥路面使用,其效果与普通夏季轮胎相比,制动距离增加了10%~25%,噪声稍大些,高速行驶的稳定性差些。冰雪花纹如图1-79所示。
图1-78 安装有防滑链的轮胎
图1-79 某一品牌轿车冰雪轮胎花纹与轮胎在冰面上的辙印
轮胎在雪地上的抓地过程如图1-80所示。轮胎辗压过雪地时,积雪嵌入花纹沟,通过花纹块接地的压缩力将积雪挤压成硬块,在花纹块向后推动雪块的同时获得了向前的切向驱动力。可见,雪地轮胎是依靠花纹沟的深度和宽度发挥作用的,如果深度厚度不足,雪柱容易被剪切而造成打滑。花纹沟宽度不会变,变的则是深度,如果深度由于磨损减小超过了一半,则不能当作雪地轮胎使用,只能当作普通轮胎使用。
图1-80 轮胎在雪地上的抓地过程
自从20世纪80年代以来,世界各大轮胎生产企业都陆续地向市场推出冰雪轮胎。他们在研究开发冰雪轮胎方面都有独到之处,尤其是日本普利司通公司、法国米其林公司和美国固特异公司的冰雪轮胎在世界上均享有较高声誉。下面列举几家轮胎公司冰雪轮胎新产品的特点。
1.日本普利司通公司的Blizzak WS60轮胎
普利司通Blizzak系列冰雪轮胎自1988年问世以来,不断推陈出新。Blizzak WS60作为最新一代的冰雪专用轮胎在产品的研究开发过程中融入了F1方程式赛车轮胎的经验技术,并且在提升轮胎的冰面性能和雪地性能方面采用了多项独创技术(图1-81)。
普利司通最具独创性的技术是将先进的发泡橡胶技术应用在Blizzak WS60胎冠上。发泡橡胶形似海绵,含有大量的小泡室。发泡橡胶具有两个特点:一是既能吸水又能排水。就是能吸收接触面间的水膜并通过花纹缝隙将水挤排出去,使胎面与冰面更加紧密地贴合。其中部分的小泡室连通在一起形成较大的泡室能吸收更多的水分,而且即使在轮胎磨损后也具有同样的吸水能力。二是质地柔软,即使在极低气温下发泡橡胶仍然保持良好的柔软性,为轮胎在冰雪面上具有良好的附着性能提供了条件。其实,轮胎在冰面上打滑的原因固然与冰本身的附着系数不高有关,但直接原因是因为在轮胎温度和压力的作用下,与轮胎接触的冰面部分融化形成一层水膜,这层水膜起着润滑剂的作用。
图1-81 普利司通Blizzak WS60冰雪轮胎的三项独创技术
a)发泡橡胶 b)抓地粒子 c)3D(三维)花纹
第二项创新技术是在胎面发泡橡胶中添加了一种超强的抓地颗粒。这些均匀分布的细小而又坚硬的颗粒起到了当初防滑钉的作用,但它不损伤路面,以增强轮胎对冰雪面的附着性能。
第三项是采用3D细缝花纹技术。WS60的3D(三维)细缝花纹是区别于上一代WS50的显著标志。以常用的同系列的195/65R15轮胎为例,每条WS50轮胎上的花纹总长度为42m,而WS60则为61m,长度增加了许多。这样,新的3D细缝花纹不仅增加了与地的接触面积,而且提高了边角部位的抓地能力。
雪地性能方面则要归功于Blizzak WS60轮胎更深的花纹沟、更利的沟边、粗厚的花纹块的设计。在雪地上,当轮胎辗压雪面时花纹沟所嵌入的雪槛来得粗壮,不易被剪切断,从而增强了轮胎抓地的能力,这对于提高驱动性能和抗侧滑性能均有帮助。
场地试驾效果:对Blizzak WS60冰雪轮胎和某一知名品牌冰雪轮胎进行了对比试驾。Blizzak WS60冰雪轮胎不论在光滑如镜冰场上还是在连续弯道的雪地,汽车的起步、加速、转弯和制动等方面的操控性基本良好,比起装用另一冰雪轮胎的效果高出一截。
Blizzak WS60轮胎全球总销售量到目前已超过1亿条,在日本、美国、加拿大等国家享有很高的信誉,被誉为“真正意义的冰雪轮胎”。
Blizzak WS60轮胎(图1-82)的寿命一般为3~4个冬季的里程。其缺点是在非冰雪路面上因附着性能过强而加速胎面磨损,且噪声稍大些,因此不是四季均宜。等冰融雪化过后,拆下轮胎,作平置、避光、胎压减半存放。
2.法国米其林X-ICE轮胎
米其林X-ICE轮胎及其特殊设计如下(可参阅图1-83):
采用一种特殊的含硅橡胶配方,确保轮胎在极低的气温条件下仍然保持柔软状态,从而具有了出色的冰面抓地性能。
采用胎面交叉Z形刀槽花纹技术,不仅提高雪地、冰面制动性能,而且增强了牵引力。
图1-82 普利司通Blizzak WS60轿车冰雪专用轮胎(www.xing528.com)
图1-83 米其林X-ICE冰雪轮胎及其特殊设计
a)米其林X-ICE冰雪轮胎 b)柔软的胎面配方 c)中部纵向花纹沟底阶梯状横杠设计 d)两侧纵向花纹沟中的花纹块连接棒设计(白点处)
采用在中部三条纵向花纹沟的底部设置阶梯状横杠的设计。这种阶梯状横杠能扎住新鲜、松软的积雪从而获得了出色的牵引力和制动力;提高了在深、松雪地上的横向操控性和行驶稳定性。
采用在两侧纵向花纹沟内设置连接棒的设计,借此撑住胎肩花纹块,防止轮胎蠕动,增强花纹块的横向刚性,使转弯时操控性得到改善,同时也能使花纹沟在受力时变形小而有利于雪柱嵌入扎牢,以增强抓地力。
在靠近带束层的胎冠采用刚性极佳的橡胶配方,从而使操控性能得到良好的传递。
采用应力均衡结构SEC技术。有效地避免了由于转弯时离心力作用造成胎冠中部凸起的现象,使胎面压力得到均匀分布,从而给驾乘人员带来了舒适感。
采用优化的胎唇区域设计,使轮胎具有良好的纵向柔韧性,使驾乘人员在通过颠簸的路面时不感觉到颠簸。
采用在两侧胎肩设置不等节距横向花纹块等优化设计,使胎面具有良好的降噪性能。
场地试驾效果:两辆同一奥迪型号的轿车分别装用米其林X-ICE冰雪专用轮胎和米其林非冰雪轮胎,在同一冰面场上作起步加速、制动、转弯(绕桩)测试,结果如下。
起步与加速性能对比测试:在同一起跑线上同时深踩加速踏板起步。装用X-ICE冰雪轮胎的奥迪车经过略微打滑之后,继而平稳起步并迅速向前驶去;而装用米其林非冰雪轮胎的奥迪车却原地打滑,起步困难,当它勉强起步向前时,装用X-ICE冰雪轮胎的奥迪车早已在前方20m开外了,如图1-84所示。
图1-84 冰面上起步加速性能对比测试
左车装用米其林非冰雪轮胎 右车装用米其林X-ICE冰雪轮胎
制动性能对比测试:两辆车并排同以45km/h速度作紧急制动,装用米其林X-ICE冰雪轮胎的制动距离为30m左右;而装用米其林非冰雪轮胎的制动距离将近70m,如图1-85所示。
转弯性能对比测试:在同一桩路上绕行。装用米其林X-ICE冰雪轮胎的奥迪车以40km/h车速绕桩转弯时只出现轻微的侧滑,但方向还在掌控之中。而装用米其林非冰雪轮胎的奥迪车则发生明显的侧滑,操控性也不好,可是车速比前者还低,只有15km/h左右。
3.美国固特异UG轮胎
固特异UG轮胎如图1-86所示。它在2005年欧洲权威汽车杂志《Auto Motor and Sport(汽车与运动)》组织的对11种优质品牌冬季轮胎的测评中以领先的安全性能优势获得“最佳冬季轮胎”称号。对其评价是:“固特异UG系列冬季轮胎拥有最好的制动性能和平稳的操控性能。在冰雪路况下,这种轮胎拥有最强的抓地力和最短的制动距离。”“是雪地轮胎的第一选择。”
图1-85 制动性能对比测试
上车装用米其林X-ICE冰雪轮胎 下车装用米其林非冰雪轮胎
图1-86 固特异UG冬季轮胎
固特异UG轮胎的主要特点是:
采用了三维霸力泡技术。在轮胎的设计中,胎面细刀槽是用以提供轮胎抓地力。轮胎的胎面刀槽越多抓地力就越强。但是,随着胎面刀槽的增加,胎面的完整性就受到了破坏,于是,在受到外力时,胎面就会产生不规律的蠕动,这将极大的降低轮胎的操控性。固特异专利的“霸力泡”技术,就是为了解决这一难题应运而生的。
“霸力泡”是固特异胎面刀槽泡状互锁技术的音译。简单地说,就是固特异通过精密的轮胎模具设计加工,在轮胎的胎面细刀槽中制作出可以互相咬合半球状的凸起和凹陷。当轮胎受到压力时,这些凸起和凹陷相互咬合,来保持胎面的一体性,确保操控性不降低。用这项专利设计,就可以在保证胎面刚性(操控性)不变的前提下,最大限度增加胎面刀槽的数量,从而大幅度地提高抓地力。并且优化了刀槽方向,保证每一条刀槽在抓地瞬间都处于最大受力,使得在冰雪路面上直行或转弯都有极佳的抓地力,确保操控的稳定性。在冰面上,驾驶人无需不断地小角度调整方向,即使长途行驶,也不会增加疲劳感。
“优化的V形胎面设计”。V形胎面设计具有超强的排水性能,有效排出胎面积水,避免水滑现象,保障冬季湿滑路面的行驶安全;在雪地上,轮胎辗压所形成的三角雪槛具有强大的抗侧滑能力。
除了以上针对冰雪路况的技术以外,UG系列轮胎还采用了固特异专利Eco-SilTM环保硅胶配方技术。它不仅能降低轮胎滚动阻力5%,还提高了湿地抓地性能和耐磨性能。如果没有高科技的支持,则会牺牲轮胎的湿地抓地性能和耐磨性能。
胎肩沟槽内设置有更换轮胎的“雪花”标志,以警示沟深小于4mm时必须更换轮胎。
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