Wybrane aspekty oddziaływania opon samochodowych na środo­wisko

nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4

J e rz y A . E jsm o n t* , M a rz e n n a Ć w ik ła D u d a * *

Wybrane aspekty oddziaływania opon samochodowych na środo­

wisko

O m ó w io n o o d d z ia ły w a n ie op o n s a m o c h o d o w y c h na ś ro d o w isk o koncentrując się na zagadnieniach związanych z etapem eksploatacji opony oraz je j utylizacji. Na podstaw ie badań w ykonanych dla 100 nowoczesnych opon przedstawiono, w ja kim zakresie opony mogą wpływać na halas pojazdów;

zużycie paliw a i emisję pyłu gumowego. Zaprezentow ano dane dotyczące utylizacji opon.

Słowa kluczowe: opona, hałas, opór toczenia, środowisko naturalne

Selected environmental impacts of pneuma­

tic tyres

Selected problem s o f tyre impacts on environm ent are discussed. On the base o f tests perform ed on 100 modern car tyres the ranges o f tyre influence on vehicle noise and rubber particles emission as well as fu e l consumption are presented. Some fa c ts on tyre recycling are given.

Key words: tyre, noise, rolling resistance, environment sko naturalne:

• em isja hałasu przez toczące się opony,

• wpływ opon na zużycie paliw a związany z oporem ich toczenia,

• wprowadzanie do środow iska produktów zużycia opon czyli głów nie drobnego pyłu gumowego.

Dodatkowo opona m oże oddziaływać na środo­

wisko w sposób pośredni poprzez wpływ na bezpie­

czeństwo jazdy. Praktycznie każdy wypadek drogo­

wy ma niekorzystne oddziaływ anie na środow isko (bezpośrednie niszczenie przyrody oraz konieczność w ykonyw ania napraw, które są energo- i materiało- chłonne). W szczególnych przypadkach skutki wypad­

ków mogą być nawet katastrofalne dla środowiska, np.

przy przew ozie m ateriałów niebezpiecznych.

Emisja hałasu

Opony sam ochodowe stanow ią jedno z podsta­

wowych źródeł hałasu zewnętrznego w samochodach.

Z najnow szych badań hałasu całkow itego przepro-

1. Wstęp

R ozpatrując oddziaływ anie opon sam ochodo­

wych na środow isko naturalne należy rozróżnić trzy etapy czasowe tego oddziaływania. Są to:

♦ produkcja opon,

♦ eksploatacja opon,

♦ utylizacja lub zagospodarow anie zużytych i uszko­

dzonych opon.

Niżej zostaną om ówione zagadnienia związane z procesem eksploatacji oraz utylizacji lub zagospo­

darow ania zużytych opon.

2. Eksploatacja opon

Podczas eksploatacji opon zachodzą następują­

ce zjaw iska m ające bezpośredni wpływ na środowi-

*Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny

**Biuro Projektów EKO-MAR, Sopot

TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. S faA tM t& U f nr 2-3

w adzonych przez firm ę P orsch e [1] zgo d nie z o b o ­ w iązującym i norm am i ISO 362 i ISO 7188 dla ty ­ pow ego sam ochodu osobow ego m ieszcząceg o się w lim icie 74 dB (A ) w ynika, że głów nym źródłem hałasu są opony (rys. 1).

porównuje się opony wszystkich typów jednocześnie (łącznie z oponami błotno-śniegowymi i kolcowanymi), to różnica natężenia hałasu pomiędzy oponą najcichszą i najgłośniejszą nie przekracza 10 dB. Powyższe dane wskazują na potencjalne możliwości zmniejszenia hała-

Rys. 1. Typowe poziom y hałasu pochodzącego z różnych źródeł znajdujących się w pojeździe spełniającym limit hałasu wg ISO 362 wynoszący 74 dB(A) p rzy przejeździe ze stałą prędkością 55 km/h [1]

Jak wynika z rysunku 1, w odległości 7,5 m od osi pasa ruchu pojazdu opony stanow ią źródło głośno­

ści około 70 dB(A), podczas gdy układ wydechowy wykazuje głośność około 67 dB(A), układ ssący ok.

66 dB(A), silnik ok. 67 dB(A), a układ przeniesienia napędu ok. 62 dB(A).

Zaprezentowane liczby jednoznacznie wskazują, że nawet przy stosunkowo niskich prędkościach jazdy typowych dla metodyki pomiarów wg normy ISO 362, dominującym źródłem hałasu są opony. Przy wyższych prędkościach dom inacja hałasu opon powiększa się.

Badania przeprowadzone na Politechnice Gdańskiej [2, 3] wskazują, że na nawierzchni ISO obserwowane są różnice dochodzące do 6 dB pomiędzy oponami różnych producentów, należącymi do takiej samej kategorii (np.

opony drogowe o prędkości maks. do 190 km/h). Jeśli

su pojazdów poprzez właściwy dobór opon oraz kon­

struowanie opon o możliwie najniższej emisji hałasu. Ba­

dania wykazują, że nie istnieje konflikt pomiędzy wy­

maganiem niskiej głośności opon i dobrej przyczepno­

ści lub małego oporu toczenia.

Opór toczenia opon

Opór toczenia opon sam ochodowych, w porów ­ naniu z kołami stalowymi stosowanym i w trakcji szy­

nowej, jest bardzo wysoki. Dla współczesnych opon do samochodów osobowych współczynnik oporu to­

czenia f definiowany jako stosunek siły oporu tocze­

nia F t do nacisku N wynosi około 0,009 - 0,013. War­

tość ta zależy zarówno od typu opony, rodzaju na­

wierzchni jezdni, ciśnienia pom powania, jak i pręd­

kości jazdy.

S taA tM K en y nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4

Politechnika G dańska wraz ze Szwedzkim In­

stytutem Dróg i Ruchu D rogow ego przeprow adziła zakrojone na szeroką skalę badania opon do samocho-

wyższy zarejestrowany opór toczenia jest o około 20%

wyższy od najniższego. D la pozostałych grup opon rozbieżność przekracza naw et 50%.

Rys. 2. M aksym alne, minimalne i średnie wartości współczynników oporu toczenia dla opon różnych typów toczonych po nawierzchni Safety Walk

dów osobowych [3]. Zbadano około 100 szt. opon roz­

miaru 195/65R15 (kilka opon miało odmienny, lecz bardzo zbliżony rozm iar). Opony te podzielono na kil­

ka grup: opony letnie o prędkościach do kategorii T (190 km/h), opony letnie o prędkościach kategorii H (210 km/h), opony letnie o prędkościach kategorii V (ponad 210 km /h), opony zim owe (błotno-śniegowe).

Badano opór ich toczenia na m aszynie bieżnej z bęb­

nem pokrytym naw ierzchnią Safety Walk (odpow ied­

nik papieru ściernego „80”) oraz z bębnem pokrytym im itacją nawierzchni GRB-R (powierzchniowe utrwa­

lenie o kruszyw ie 8/12mm).

N a ry su n k ach 2 i 3 p rzed staw io n o w artości współczynników oporu toczenia uśrednione dla pręd­

kości 80, 100 i 120 km /h i odnoszące się do każdej z grup opon. Na rysunkach zaznaczono zarówno naj­

wyższe, jak i najniższe wartości uśrednionych współ­

czynników, jakie wystąpiły w poszczególnych grupach oraz w spółczynniki średnie dla grup. Jak widać z ry­

sunków, średnie wartości oporów toczenia dla wszyst­

kich grup opon są zbliżone. W ystępują jednak duże różnice zakresów pom iędzy wartościam i m inim alny­

mi i m aksym alnym i dla każdej z grup. W śród bada­

nych opon najbardziej wyrównane pod względem opo­

ru toczenia są opony o sym bolu H. Dla tych opon naj-

Na podstawie badań symulacyjnych przeprowadzo­

nych w Norwegii [4] można stwierdzić, że dla typowe­

go samochodu osobowego średniej wielkości, który prze­

jeżdża tzw. „Nowy Cykl Europejski”*, zmiana oporu toczenia o 10% powoduje zmianę zużycia paliwa o oko­

ło 3%. Po uwzględnieniu powyższych danych o zakre­

sie różnic w oporze toczenia wynoszącym do 50%, ozna­

cza to, że w zależności od zastosowanych opon można spodziewać się zmian w zużyciu paliwa o ± 5% w sto­

sunku do wartości średniej. Jest to bardzo istotny wpływ na koszty eksploatacji i zanieczyszczenie środowiska.

Zależność między oporem toczenia a zmianami w zuży­

ciu paliwa zobrazowano na rysunku 4. Tworząc rysunek przyjęto, że referencyjne zużycie paliwa występuje dla opon o średnim współczynniku oporu toczenia (f = 0,0111). Przy takim założeniu zmniejszenie współczyn­

nika oporu toczenia do wartości f = 0,009 powoduje spa­

dek zużycia paliwa o około 4,5%, a zwiększenie współ­

czynnika oporu toczenia do f = 0,013 powoduje analo­

giczny wzrost zużycia paliwa. Przyjęte graniczne współ­

czynniki oporu toczenia odpowiadają w przybliżeniu war­

tościom minimalnym i maksymalnym, jakie zarejestro­

wano dla opon z bieżnikiem drogowym.

*cykl badawczy stosowany do określenia emisji związków toksycznych przez samochód osobowy

TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. S tćtetM i& U f nr 2-3

Rys. 3. M a ksym a ln e, m in im a lne i średnie w artości w sp ółczynn ików oporu toczenia dla opon różnych typów to czonych p o replice naw ierzchni G RB-R (p o w ie rzc h n io ­ we utrw a lenie 12/16)

Rys. 4. Wpływ współczynnika oporu toczenia na zużycie paliw a w Nowym Cyklu Europejskim. D ługość drogi pokonyw anej przez sam ochód w tym cyklu wynosi 11,007 km, prędkość średnia 33,6 km/h (44,0 km/h po p o m i­

nięciu fa z pra cy na biegu jałow ym w stanie zatrzymania), prędkość m aksy­

malna: 120 km/h

S fa A tw t& U f nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4

Emisja pyłu gumowego

Pył gumowy powstający w wyniku ścierania się bieżnika opony rozprzestrzenia się w środowisku, osią­

gając dużą koncentrację w pasie bezpośrednio przylega­

jącym do drogi. Trudno jest określić jednoznacznie roz­

kład stężeń, gdyż zależy on od wielu czynników. Są to głównie: natężenie ruchu, prędkość ruchu sam ocho­

dów i udział sam ochodów ciężarow ych oraz siła i kie­

runek wiatru, ilość opadów, drenaż i występowanie roślinności lub innego pokrycia powierzchni gruntu w okolicach drogi. Poniższy przykład liczbowy poka­

zuje na ilość gumy, jak ą em ituje samochód osobowy przejeżdżając 1 km drogi.

Dane:

♦

kość bieżnika 17.5 cm i obwód opony 193.7 cm

♦

♦

♦

Z powyższych danych można wyliczyć masę gumy, która podlega zużyciu w całym okresie eksploatacji opo­

ny. Wynosi ona: 17,5x193,7x0,7x0,7x1,1 = 1827 g.

W tabeli. 1 przedstaw ione są wyniki obliczeń emisji gumy na 1 kilom etr dla pojedynczego samo­

chodu oraz roczny opad gumy przy natężeniu 25 000 pojazdów na dobę. O bliczenia te wykonano dla kilku arbitralnie przyjętych trw ałości opon.

Tabela 1. Em isja pyłu gumowego

Trwałość opony,

km

Emisja gumy z pojedynczego samochodu na 1 km

przebiegu, g

Roczny opad gumy w pasie drogowym przy natężeniu ruchu 2500 samochodów na dobę, kg

3000 0,243 2211

4000 0,183 1661

5000 0,146 1328

6000 0,121 1105

Jak wynika z tabeli, w okolicach drogi o stosun­

kowo intensyw nym ruchu sam ochodow ym m ożna spodziew ać się rocznego opadu pyłu gum owego o masie 1 - 2 t/km. Pow yższe obliczenia nie uw zględ­

niają samochodów ciężarow ych. Ponieważ jednostko­

wa em isja pyłu gum owego z samochodu jest odw rot­

nie proporcjonalna do trw ałości opony, należy uznać, że opony o podwyższonej odporności na zużycie pod tym względem są bardziej korzystne dla środowiska.

3. Utylizacja

i zagospodarowanie opon

Recykling opon

Jednym z najw ażniejszych problem ów ekolo­

gicznych związanych z oponam i samochodowymi jest utylizacja (najlepiej poprzez recykling) zużytych lub uszkodzonych opon. N aw et gdyby przyjąć optym i­

styczne założenie, że wszystkie karkasy opon, które nadają się do bieżnikow ania, są regenerowane, to i tak dla opon do sam ochodów osobowych dopuszcza się tylko jeden proces bieżnikowania, a starte opony cię­

żarowe zwykle są bieżnikow ane raz lub dwa, a raczej w wyjątkow ych przypadkach trzy razy. Ocenia się, że w uprzem ysłow ionym św iecie około 2 % odpadów stałych to opony sam ochodow e. Pom im o tego, że wydaje się, iż nie jest to dużo, w rzeczywistości pro­

blem jest poważny. Wynika to z dużej odporności opon na biodegradację oraz z niebezpieczeństw a składowa­

nia wielkiej ilości opon na w ysypiskach (m. in. ze względu na pożary i wylęganie się komarów). Szacu­

je się, że w samej Unii Europejskiej rocznie wyrzuca­

nych jest około 300 min opon [5].

M oże wydawać się to paradoksalne, ale w po­

czątkowej fazie rozw oju przem ysłu gum owego odzy­

skiwano znacznie w iększą procentowo ilość m ateria­

łów ze zużytych opon niż obecnie. Kryzys nastąpił w okresie taniej ropy naftowej, a największe nasilenie osiągnął od czasu pow szechnego wprowadzenia do produkcji opon z opasaniem stalowym, a następnie

„całostalow ych”, bow iem do tych opon nie nadawały się m etody rozdrabniania i granulacji opon dostoso­

wane do opon tekstylnych. Dopiero nowe technologie pozwoliły na bezpieczny dla środowiska i ekonom icz­

nie uzasadniony recykling gumy z opon stalowych.

Jedną z pow szechnie stosowanych metod usli- nięcia zużytych opon ze środow iska jest wykorzysty­

wanie ich jako paliwo w specjalnie dostosow anych kotłach elektrow ni oraz w piecach do produkcji ce­

mentu. Ocenia się, że obecnie połowa zużytych opon w USA (tzn. około 150 min szt. rocznie) po rozdrob­

nieniu na kilkucentym etrow e kawałki wykorzystyw a­

na jest jako paliwo. Opony m uszą być spalane w wy­

sokich tem peraturach i ściśle kontrolowanych warun­

kach, aby nie tworzyły się związki toksyczne.

N a m ałą skalę podejm ow ane są próby wykorzy­

stania zużytych opon do um acniania gruntu oraz do w zm acniania wałów stanow iących bariery akustycz­

ne wzdłuż autostrad. Jednak tego typu utylizacja ma

TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. Sta& totH & Uf, nr 2-3

bardzo ograniczone możliwości i nie stanowi przyszło­

ściowego rozwiązania.

N iew ątpliw ie najw iększe nadzieje w zakresie recyklingu opon związane są z produkcją i w ykorzy­

staniem granulatu gum owego. G ranulat ten m oże być w ykorzystyw any np. jak o napełniacz do produkcji m ieszanek gum owych stosow anych w przem yśle opo­

niarskim oraz jako dodatek (zwykle kilkuprocentowy) do asfaltów stosowanych w budownictw ie drogowym.

Zamiast czysto m echanicznych m etod rozdrabniania opon coraz powszechniej stosow ana jest m etoda krio­

geniczna, w której rozdrabnianie następuje w bardzo niskich tem peraturach uzyskiw anych za pom ocą cie­

kłego azotu. M etoda kriogeniczna pozw ala na prow a­

dzenie recyklingu opon praktycznie bez zagrożenia dla środowiska, gdyż nie tw orzą się i nie uw alniają sub­

stancje toksyczne.

Oczywiście najbardziej pożądaną formą recyklin­

gu jest regeneracja i powtórne wykorzystanie produk­

tu do celów, do jakich był pierw otnie przeznaczony.

W przypadku opon regeneracja polega na powtórnym nałożeniu bieżnika na karkas opony. W przypadku opon do samochodów osobowych przeprowadzany jest proces „na gorąco” . Zużyta opona poddaw ana jest szczegółowym oględzinom m ającym za zadanie wy­

krycie wszelkich uszkodzeń. N astępnie zdzierany jest stary bieżnik, a odsłonięty karkas pokrywany jest środ­

kami zwiększającym i przyczepność nowej gumy do starego podkładu. W kolejnej operacji nakładana jest warstwa nowej mieszanki gumowej bieżnika oraz m ie­

szanką gum ową pokryw ane są boki opony. Cały pro­

ces kontrolowany jest komputerowo, co zapewnia uzy­

skanie jednorodności opony. Tak przygotowany zestaw wulkanizowany jest w prasie wulkanizacyjnej, w któ­

rej następuje form owanie rzeźby bieżnika i w ulkani­

zacja. Selekcjonow anie karkasów w oparciu o model

„fabrycznie n ow ej” opony pozw ala na regenerację opon gw arantującą bardzo w ysoką jakość produktu końcowego. Opony po bieżnikow aniu m ogą zacho­

wywać pierw otną kategorię prędkości, np. nawet “V ” (240 km/h)!

Trochę inaczej przebiega proces regeneracji opon do sam ochodów ciężarow ych. Po zdarciu zużytego bieżnika opona przechodzi m etodyczną kontrolę, w wyniku której zwykle ujaw niane są uszkodzenia kar­

kasu. Drobniejsze uszkodzenia m ogą być napraw ione poprzez zeszlifow anie uszkodzonego fragm entu opa­

sania i wstawieniu na to m iejsce specjalnej „łatki” na­

prawczej. Po tym zabiegu naklejany jest na zimno pas wstępnie podwulkanizowanej gumy z całkowicie ufor­

m owanym wzorem bieżnika. N astępnie na oponę na­

kładany jest szczelny, elastyczny „kokon” z gumy, z którego usuwa się powietrze. Powoduje to usunięcie ewentualnych pęcherzy powietrza pod bieżnikiem oraz dociśnięcie pas bieżnika do karkasu. Następnie całość wygrzewana jest w tem peraturze ok. 120°C.

Bieżnikowanie opon od dawna przestało być pro­

stym, a nawet prym ityw nym zabiegiem , w wyniku którego powstają produkty o ograniczonej przydatno­

ści. Prawidłowo zregenerow ane opony w ykazują ce­

chy eksploatacyjne niew iele ustępujące oponom fa­

brycznie nowym.

Na tle tych stwierdzeń warto zapoznać się z kilko­

ma faktami dotyczącymi rynku opon bieżnikowanych w Stanach Zjednoczonych (dane za rok 1998) [6]:

• Sprzedano około 30,9 min opon bieżnikowanych.

• W śród sprzedanych opon bieżnikow anych było 3,1 min opon do sam ochodów osobow ych, 7,6 min opon do samochodów dostawczych i 19,4 min opon do samochodów ciężarowych.

• Opony bieżnikow ane stanow iły 57% w szystkich sprzedanych opon do sam ochodów ciężarow ych (dane dotyczą opon wym ienianych ze względu na zużycie).

• Niemal 100% najw iększych linii lotniczych stosuje w samolotach opony bieżnikowane.

• Koszt opony bieżnikowanej wynosi od 30 do 50%

kosztu opony nowej.

• Oszczędność energii i surowców związana z bież­

nikowaniem opon wynosi ok. 1,5 x l O9 litrów ropy naftowej rocznie.

4. Opona przyjazna dla środowiska

W wielu krajach produktom spełniającym za­

ostrzone wym agania związane z ochroną środowiska przyznawane są specjalne znaki „Przyjazny dla śro­

dowiska”. I tak na przykład w krajach skandynawskich obowiązuje znak „M iljóm arkning” przyznawany dla opon spełniających ściśle określone wymagania. Wy­

m agania te dotyczą zarówno składu chemicznego m ie­

szanek gum ow ych, w którym ogranicza się udział składników uznanych za szkodliw e dla środow iska (PCA, PAH), jak i parametrów eksploatacyjnych opon.

W śród wymagań dotyczących param etrów eksploata­

cyjnych znajdują się:

• W spółczynnik oporu toczenia m ierzony wg ISO 8767 - powinien być nie większy niż 0,01.

• Hałas opon m ierzony wg 92/23/EEC, KOM (97)680 - powinien być m niejszy od 72 dB(A) dla opon o

nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4

szerokości do 170 mm i 73 dB(A) dla opon szer­

szych.

D la z n a k u p r z y z n a w a n e g o w N ie m c z e c h („U m w eltzeichen - weil larm arm und kraftstoffspa- rend”) dodatkowo wym agane są badania trwałości oraz przyczepności.

5. Podsumowanie

W pływ opon sam ochodow ych na środow isko uwidacznia się w trakcie eksploatacji pojazdów głów ­ nie poprzez em isję hałasu i pyłu gumowego oraz w sposób pośredni poprzez wpływ opon na zużycie pa­

liwa. Jednocześnie zachodzi zjawisko polegające na tym, że interes użytkownika pojazdu (ciche, trwałe opo­

ny o małym oporze toczenia) pokrywa się z wymagania­

mi ochrony środowiska. Pewien konflikt może wystąpić dopiero w końcowej fazie eksploatacji opony.

W celu um ożliwienia prawidłowego bieżnikowa­

nia opony jej zużycie nie pow inno być nadmierne.

Zwykle dla opon do sam ochodów osobowych przyj­

muje się, że optym alna pozostałość bieżnika na zuży­

tej oponie pow inna w ynosić ok. 2 mm. Niestety, w Polsce w ielu użytkow ników stara się w ykorzystać oponę w m aksym alny sposób i nie przerywa jej eks­

ploatacji nawet po dojściu do minimalnej dopuszcza­

nej przepisam i głębokości bieżnika (rowki TWI). Po­

stępowanie takie stanowi fałszyw ą oszczędność, gdyż elim inuje m ożliwość regeneracji opony oraz drastycz­

nie zm niejsza przyczepność opony na mokro. Należy więc propagow ać w łaściwe zasady użytkow ania opon oraz szersze stosow anie bieżnikowania.

Opony przeznaczone do złom owania powinny być poddane utylizacji (przez przem ysłow e spalanie z zachow aniem w łaściw ych param etrów procesu) lub wykorzystane w postaci granulatu itp.

6. Literatura

7. G erhard, H-M : O sobiste kontakty z: H -M G er­

hard* em., Porsche AG, Weissach, Germany, który opracował rysunek i udostępnił go do publikacji (1999)

2. Jerzy A. Ejsmont: „Hałas opon samochodowych - wybrane zagadnienia ”, Zeszyty Naukowe Politech- niki Gdańskiej N r 498, M echanika LXVIII, Poli­

technika Gdańska, 1992

3. Jerzy A. Ejsmont, M arzenna Cwikła-Duda „Czy ist­

nieje zależność pom iędzy hałaśliwością a przyczep­

nością i oporem toczenia o po n ?”, referat przyjęty na konferencję K O N M O T - A UTOPROGRES 2000, 17-20 października 2000, Zakopane

4. J. R. B ang: „Influence o f tire rolling resistance on fu e l consum ption”, Bang Consult, Sandnes, N or­

way

5. K urt Renscher, „Scrap Tire R e c y c lin g ”, h ttp ://

www.in x.de/-kurtr/index. html 6. Dane z Internetu

Od Redakcji:

W publikowanych materiałach w tekstach w języku angielskim występują dwa rodzaje pisowni słowa “opony”: “tire” lub “tyrc”. Ponieważ obydwa są poprawne, zachowano pisownię zaproponowaną przez Autorów.