電動平衡重式叉車輪胎設計特點及發展趨勢

李鞏武

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

1 電動平衡重式叉車輪胎研究背景

隨著能源危機加劇及生態環境保護政策趨嚴，世界各國紛紛通過立法和稅收等政策限制傳統燃油汽車的發展，特別是2016年以來，歐洲多個國家陸續公布禁售燃油車時間表。我國工業和信息化部也提出了制定中國燃油車停運時間表的問題。

在此背景下生態環境部為防止非道路移動機械污染大氣環境，保障生態環境安全和人體健康，促進非道路移動機械污染防治技術進步，制訂了《非道路移動機械污染防治技術政策》，鼓勵新能源動力技術的開發和應用，鼓勵混合動力、純電動、燃料電池等新能源技術在非道路移動機械中的應用，優先發展中小非道路移動機械動力裝置的新能源化，逐步達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的非道路移動機械指明了發展方向。同時，現代物流網的高速發展促進了自動倉儲系統和大型超市的增長，刺激了對室內搬運機械需求的增長，帶動高性能電動平衡重式叉車等各類倉儲機械迅速發展。

隨著我國電動平衡重式叉車的發展及更新換代，其設計已經由最初內燃機平衡重式叉車車架系統改為適合電動機驅動車架系統。作為平衡重式叉車重要部件之一的配套輪胎，也由最初的內燃機平衡重式叉車輪胎轉為更適合電動平衡重式叉車的輪胎。相比傳統輪胎，電動平衡重式叉車的配套輪胎在選型、負荷能力和滾動阻力等方面也提出了更高的要求。因此針對電動平衡重式叉車輪胎的研究顯得尤為重要。

1.1 市場發展趨勢

目前國際市場上電動平衡重式叉車的產量占叉車總產量的40%，德國、意大利等西歐國家這一比例為65%。近幾年國內電動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年雖受中美貿易摩擦等因素的影響，仍保持正增長。但目前電動平衡重式叉車在整個工業車輛中的占比仍然非常低，僅有10%左右（見表1）[1-2]。因此未來電動平衡重式叉車有著巨大的發展空間，相應的電動平衡重式叉車輪胎也將快速增長。

表1 近年我國電動平衡重式叉車銷售量及占比

1.2 源動力

電動平衡重式叉車是指以電為源動力進行作業的叉車，大多數都是以蓄電池為主，也有部分使用燃料電池。與動力強勁的內燃機平衡重式叉車相比，電動平衡重式叉車因受電池容量限制，電動機的輸出功率偏小，持續工作時間受到限制，且運行工況因電動機的介入更為復雜，因此對輪胎的設計要求更為嚴格。

1.3 作業工況

電動平衡重式叉車的作業工況主要分為空載工況和叉起重物時的滿載工況，空載時前輪承受的負荷為標準負荷的30%～40%，后輪承受的負荷約為標準負荷；滿載時前輪承受的負荷約為標準負荷，后輪承受的負荷為標準負荷的30%～40%。前輪主要承受額定起重的負荷，提供行走驅動力及制動力。后輪作用為承受電池及配重的質量及轉向功能。

首先，電動平衡重式叉車電動機輸出功率受到電池容量的限制較內燃機輸出功率偏小。國內主導叉車廠家的3 t電動平衡重式叉車行走電動機輸出功率為15 kW，而3 t傳統內燃機平衡重式叉車發動機輸出功率為35～45 kW，3 t電動平衡重式叉車滿載及空載時的最大行駛速度分別為14和15 km·h-1，而3 t傳統內燃機平衡重式叉車滿載及空載時的最大行駛速度分別為18和19 km·h-1。其次，電動平衡重式叉車自身質量的增大也要求輪胎的負荷能力提高。國內主流廠家的3 t電動平衡重式叉車比3 t傳統內燃機平衡重式叉車自身質量增大20%。再次為電動機提供的電能相比傳統燃油是不容易攜帶的，又因電動平衡重式叉車持續工作時間是市場競爭的重要因素，因此對電動平衡重式叉車輪胎滾動阻力的要求更為嚴格。同時電動平衡重式叉車的售價通常比傳統內燃機平衡重式叉車高，如果電池為鋰電池售價更高。因此，作為高品質的電動平衡重式叉車配件也應該有相對應的品質，反饋至輪胎性能是對輪胎耐用性提出更高的要求。

2 電動平衡重式叉車輪胎的選取

2.1 規格

相對內燃機平衡重式叉車，相同噸位的電動平衡重式叉車行走電動機輸出功率偏小。為減小電動平衡重式叉車加速時的阻力扭矩，可選用直徑小的輪胎，以提高車輛的加速性和行駛速度。國內主導叉車廠家主流產品的輪胎使用情況見表2。

表2 電動平衡重式叉車推薦替換輪胎規格

從表2可以看出，將內燃機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穩定性和轉向安全性。

2.2 層級

滿載時電動平衡重式叉車的最大行駛速度比傳統內燃機平衡重式叉車低4 km·h-1，根據輪胎負荷公式推算，速度下降，輪胎負荷能力增大，驅動輪負荷能力最多提高5%，而轉向輪負荷能力不變。國內主流廠家的3 t電動平衡重式叉車自身質量比傳統內燃機平衡重式叉車增大20%，因此上述推薦的充氣輪胎在選用時還需選用更高層級的輪胎，以提高輪胎的負荷能力。甚至有部分規格的輪胎需要推算標準中尚未規定的更高層級輪胎相對應的充氣壓力和負荷。按照現有國內外輪胎資料中對充氣壓力的選取，出于安全考慮，輪胎充氣壓力應不大于1 050 kPa。

3 電動平衡重式叉車輪胎的設計要求

3.1 提高負荷能力

低斷面輪胎斷面扁平，負荷能力提高，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，實際使用時輪胎充氣壓力偏低的現象時有發生。因此輪胎結構設計時，需適當選取上下胎側曲率半徑以提高胎側支撐性能；施工設計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，適當增大假定伸張值以提高輪胎側向剛性，使輪胎下沉率保持在合理的范圍內。

3.2 改進行駛面結構

高層級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凸冠現象。電動平衡重式叉車運行時，無論前輪還是后輪，當負荷約為標準負荷時輪胎接地印痕面積較大；當負荷為標準負荷的30%～40%時，輪胎接地印痕面積因凸冠現象而減小近60%，而輪胎接地壓力卻變化不大。因電動平衡重式叉車運行工況中滿載與空載各占50%，即輪胎有一半時間運行在輪胎接地印痕面積偏小、輪胎接地壓強較大的狀態，這是導致低斷面輪胎使用后期出現行駛面中心的胎面膠已經磨光甚至露出簾線，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。

為避免凸冠現象，首先輪胎結構設計時，采用行駛面反弧設計，但反弧設計的曲率半徑不能太小，否則會增大胎肩膠用量，也會造成胎面整體磨耗不均勻。在施工設計時，胎體簾布和緩沖簾布角度取適當偏大值可抑制凸冠現象。近幾年有些廠家使用鋼絲帶束層來抑制凸冠現象，也取得了較好的效果。

3.3 降低滾動阻力

為延長電動平衡重式叉車持續工作時間，需降低其輪胎的滾動阻力。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數，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阻力。其次因電動平衡重式叉車驅動輪與轉向輪的功能特點不同，可以將兩者采用不同的花紋類型，驅動輪提供驅動力及制動力，因此保留以橫向花紋為主的花紋形式；而轉向輪以轉向為主，可以選擇轉向響應性好且滾動阻力更低的縱向花紋。同時，優化胎面膠配方設計，胎面膠中增大白炭黑用量可以降低其壓縮疲勞溫升，減小輪胎內部能量損耗，從而降低輪胎滾動阻力[3-4]。

3.4 其他方面

作為電動平衡重式叉車輪胎，對其耐用性也提出更高的要求。首先是耐磨性能，電動平衡重式叉車使用環境，尤其是地面對輪胎耐磨性能的影響很大，在保證降低滾動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。電動平衡重式叉車使用環境多在工廠、倉庫、車站、碼頭、港口等空間環境有限的場所，輪胎外側極易因環境狹小而造成擦傷和碰傷，因此提高輪胎胎側的防護性也是提高輪胎耐用性的重要一環。為提高輪胎的性價比，可以設計非對稱性胎側，即輪胎靠外側的胎側加厚加強，而靠內側的胎側保持正常厚度甚至減小厚度。這種設計既提高了輪胎外側的防護性，也能保持輪胎經濟性。

4 電動平衡重式叉車輪胎的發展方向

電動汽車作為新一輪經濟增長的突破口和實現交通能源轉型的根本途徑，已經成為世界各國汽車制造廠商的共同戰略選擇。

目前全球汽車巨人都在致力于電動汽車的研究，技術日趨成熟，電動汽車的動力、傳動、控制、安全等技術的應用將會使電動平衡重式叉車整機性能有質的提高。首先將突破目前其只有中、小噸位車型的局限性，使電動平衡重式叉車向大噸位車型發展；其次，電動平衡重式叉車行駛速度及爬坡能力將趕上傳統內燃機平衡重式叉車，同時，作業時間也將大大延長。因此電動平衡重式叉車輪胎向新型大規格低斷面輪胎發展。輪胎綜合性能也需要從結構設計、花紋設計、配方設計及新材料應用入手，不斷滿足電動平衡重式叉車行駛速度提高、作業時間延長而對輪胎提出新的、更高的要求。隨著使用環境的改善和使用習慣的改變，實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和引導，電動平衡重式叉車占有率會逐年快速提升，其輪胎也將迎來快速發展的機遇。