1.2 轮胎与轮胎技术

轮胎是汽车与路面接触的唯一部件，轮胎的性能直接影响汽车的安全性、环保性、经济性与舒适性。多年来，汽车和轮胎技术人员一直致力于进行轮胎结构、材料与功能的改进，采用不同的轮胎结构和橡胶配方，降低轮胎的滚动阻力，提高轮胎的耐磨性、舒适性和安全性，延长轮胎的使用寿命^[5][6]。

本节首先介绍轮胎的核心功能，然后对轮胎的基本结构和类型进行阐述，最后对轮胎技术目前的发展进行分析和讨论。

1.2.1 轮胎核心功能

轮胎是汽车非常重要的组成部件，它通过与路面的接触，实现下面的核心功能：

1）支撑整车与载荷的重量。

2）缓和不平路面引起的冲击，减少汽车振动，保证汽车良好的乘坐舒适性。

3）传递汽车的纵向驱动力与制动力，实现汽车的驱动与制动，保证汽车正常的牵引性、制动性和通过性。

4）传递汽车转向的侧向力，实现汽车的转向，保证汽车的转向稳定性。

1.2.2 轮胎基本结构

目前的绝大部分轮胎都是充气轮胎，充气轮胎的结构一般包括胎体、胎圈与胎面三部分^[4][5]：

1）胎体是轮胎的本体，其结构决定了轮胎的基本性能，一般由高弹性模量的帘布层内嵌于低弹性模量的橡胶中组成。

2）胎圈是胎体的边缘与轮辋结合部位，一般由多股高强度钢丝与橡胶等构成，具有一定的刚度和强度，能够使外胎牢固地安装在轮辋上。为了便于胎体从轮辋上装卸，可以利用高弹性模量的卷边胎圈包容并贴合于车轮上。

3）胎面是轮胎最外层与路面接触并带有花纹的橡胶层，它具有良好的耐磨性能和耐冲击性能，主要作用是为了保护胎体，防止其早期磨损和损伤。胎面由胎冠、胎肩和胎侧三部分组成，胎冠是指轮胎运动中可以与路面直接接触的部分，胎冠表面有各种凹凸形状的花纹，能够实现排水和排污，以保证在各种不同的工作条件下行驶时，轮胎与路面具有良好的附着性能，以传递驱动力、制动力和侧向力。胎冠用耐磨的橡胶制成，它直接承受摩擦和全部载荷，并减轻帘布层所受的冲击。胎肩是较厚的胎冠与较薄的胎侧之间的过渡部分，表面一般制有各种花纹，它的主要作用是保护帘布层、防滑和散热。胎侧是胎肩到胎圈之间的胎体侧壁部位上的一层较薄的橡胶，贴在帘布层侧壁，它可以承受较大的扭曲变形，作用是为了保护帘布层免受潮湿和机械损伤。

1.2.3 轮胎类型

充气轮胎根据胎体结构的不同，一般分为普通斜交轮胎与子午线轮胎^[4][5]，下面具体介绍这两种轮胎的结构与特点。

1.2.3.1 普通斜交轮胎

普通斜交轮胎一般是有内胎的充气轮胎，它的基本结构如图1.1所示，由胎面、帘布层、缓冲层、带束层和胎圈组成。帘布层是外胎的骨架，用以保持外胎的形状和尺寸，通常由成双数的多层挂胶布（帘布）用橡胶贴合而成。帘布的帘线与轮胎子午断面的交角（胎冠角）一般为52°～54°，相邻层帘线交叉排列。帘布层数越多，强度越大，但弹性会降低，在外胎表面上标注有帘布层数。

带束层是指在胎面下，沿胎面中心线圆周方向箍紧胎体的材料层，用以增强轮胎的周向刚度和径向刚度，并承受大部分胎面的应力。缓冲层是胎面与帘布层之间，用胶片和两层或数层挂胶稀帘布制成的材料层，它弹性较大，能缓和汽车在行驶过程所受到的不平路面的冲击，防止汽车在紧急制动时胎面与帘布层的脱离。

1.2.3.2 子午线轮胎

子午线轮胎的基本结构如图1.2所示，由帘布层、带束层、胎冠、胎肩和胎圈组成。它的帘布层与胎面中心线呈90°或接近90°排列，与轮胎的子午断面一致，很像地球上的子午线，所以称为子午线轮胎。由于帘布层的这种排列特点，使子午线轮胎帘布层数比普通斜交轮胎减少约40%～50%。

子午线轮胎的圆周方向上只靠橡胶来联系，所以为了承受行驶时产生的较大切向力，提高轮胎的刚性，子午线轮胎还具有若干层帘线与子午断面呈较大角度（70°～75°）、强度较高、不易拉伸的周向环形的类似缓冲带的带束层。带束层一般采用强度较高、拉伸变形很小的织物帘布（如玻璃纤维、聚酰胺纤维）或钢丝帘布制造。

与普通斜交轮胎相比，子午线轮胎具有以下的优点：

1）滚动阻力小，节约燃料：子午线轮胎由于有带束层，轮胎着地后胎冠切向变形及相对滑移比普通斜交轮胎要小很多，而且子午线轮胎胎侧薄，径向变形恢复快，这两个特点有利于减少轮胎内磨损，降低滚动阻力，试验证明子午线轮胎的滚动阻力比普通斜交轮胎小20%～30%，可以节约燃料5%～10%。

2）胎面耐磨性好，使用寿命长：车轮滚动时，轮胎接地弧面既变形又滑移，变形促使滑移，滑移又加剧胎面磨损。由于子午线轮胎胎冠刚度大，变形小，几乎没有滑移，此外胎冠接地面积大，单位面积压力小且均匀，所以使胎面磨损减小，试验证明子午线轮胎的使用寿命比普通斜交轮胎高30%～40%。

3）弹性大，缓冲性好：由于子午线轮胎帘线呈径向排列，车轮转动时，轮胎垂直于地面的变形比普通斜交轮胎大，胎体柔软，弹性好，能较好地吸收或缓冲轮胎本身及车辆的振动，高速行驶时，轮胎周长不变，乘坐舒适性好，所以提高了汽车行驶的平顺性。

4）抗刺能力强：子午线轮胎因为有坚硬的带束层和柔软的弹性胎体，行驶时碰到石头、铁钉等尖锐物不易被扎破，所以大大增强了胎冠的抗刺能力，减少了轮胎爆胎的危险，提高了汽车行驶的安全性。

5）附着力大：子午线轮胎在行驶时接地面积较大，同时由于带束层的作用，接地压力分布较均匀，从而提高了附着力，减少了侧滑现象。

6）高速性能好：高速行驶时，子午线轮胎的滚动损失小，生热少，散热快，所以，它的行驶温度一般比普通斜交轮胎低20～30℃，并且车速越高，这两种轮胎的行驶温差越大。另外，子午线轮胎在高速行驶时变形较小，胎侧具有抑制振动的能力，因此，其产生驻波的临界速度要比普通斜交轮胎高很多。

7）牵引性能和通过性能优良：子午线轮胎有较高的冲击弹性，在坏路面上行驶时能缓冲和吸收振动与冲击。胎体柔软，因而所引起的土壤变形小，有利于越野行驶。同时由于带束层的刚性大，胎面接地面积比普通斜交轮胎大，并且接地的压力分布均匀，提高了轮胎的通过性能。在湿路面上，子午线轮胎的牵引力比普通斜交轮胎高10%～20%。这是由于普通斜交轮胎印迹的变形会对花纹沟槽中水的流动产生较大阻力，因而妨碍水分从沟槽中迅速排出；而子午线轮胎由于印迹的花纹沟槽深度不会有很大的变化，所以水分能顺利排出，使胎面对湿路面的抓地力也能接近于干燥路面。

但是，子午线轮胎对制造技术要求较高，制造成本较高，另外，子午线轮胎的胎侧较薄，胎冠较厚，侧面变形大，导致汽车的侧向稳定性差，在其与胎侧的过渡区容易产生裂口。

1.2.4 轮胎技术及发展

轮胎技术的研究主要集中在轮胎材料与轮胎结构两个方面。轮胎材料方面，橡胶和硫化橡胶为主要的材料，另外，纳米氧化锌被添加到轮胎胶料中^[7]，增加轮胎的耐磨性；丁苯橡胶、顺丁橡胶、白炭黑等材料被用来制作胎面胶材料^[8]，提高轮胎的抗湿滑性能和耐磨性能，降低轮胎的滚动阻力；石墨烯被添加到胎面和胎侧胶料中^[9][10]，提高轮胎的耐磨性、导热性和抗老化性能；氧化石墨烯被添加到轮胎的气密层材料中^[11]，降低气密层的透气率；碳纳米管和白炭黑被添加到胎面胶料中^[12]，提高轮胎的抗湿滑能力、导热性能、耐磨性和拉伸强度；黏土/橡胶纳米复合材料被用于气密内衬层胶^[13]，提高气密层的气密性，并且可以降低气密层的厚度和重量。随着各种新型材料在轮胎中的应用，轮胎的滚动阻力不断减小，轮胎的耐磨性和抗湿滑能力不断增强，轮胎的寿命越来越长。

轮胎结构方面，从最初的实心轮胎到有内胎的充气轮胎，轮胎的弹性和缓冲能力不断提高。为了减小轮胎的质量，提高轮胎的弹性与附着性，出现了无内胎轮胎即真空胎，为了进一步提高轮胎的耐磨性和缓冲能力，出现了子午线轮胎。子午线轮胎在耐磨性、缓冲性、经济性、滚动阻力等方面比普通斜交轮胎要优越得多，自20世纪60年代以来，欧洲开始大批量生产子午线轮胎，70年代后，美国也逐渐扩大子午线轮胎的生产，到80年代，西欧的轿车和货车已经全部使用子午线轮胎。20世纪80年代初期，出现了窄胎侧的无内胎子午线轮胎，轮胎断面高度与宽度之比约为75%～80%，这种轮胎称为扁平轮胎。扁平轮胎的抗侧滑能力强，可以提高汽车的操纵稳定性、高速性，得到了广泛的研究和发展^[5]。

目前，随着计算机和信息技术的发展，轮胎技术的发展主要是利用计算机建立轮胎的模型，分析影响轮胎性能的因素，进行轮胎结构的计算机辅助优化设计，提高轮胎的舒适性、安全性、高速性和经济性。主要的轮胎技术包括全天候、全地面轮胎技术、绿色轮胎技术、仿生轮胎技术、安全轮胎技术和智能轮胎技术^[4]。

全天候与全地面轮胎主要是能够适应不同气候（高温、严寒、雨雪等）和不同地面（土路、沙漠、沼泽、山石路、冰雪路）条件的轮胎，这种轮胎主要是通过轮胎表面的花纹设计、轮胎材料的设计以及根据外界条件调节轮胎气压等技术来实现的^[4][5]，例如，使用充油天然橡胶、充油丁苯橡胶和加有大量填充油与炭黑的高填充橡胶配方，可以提高胎面的抗湿滑性能，增大轮胎/路面之间的摩擦系数^[14]。

绿色轮胎主要是指低燃料消耗、低振动、低噪声、抗湿滑能力强、可回收的轮胎，目前的这种轮胎对环境的污染小，在目前环保要求逐步提高的情况下，是一种很有前途的轮胎技术。绿色轮胎主要是通过采用新型轮胎材料配方和改进轮胎花纹结构与形状，降低轮胎的滚动阻力、提高轮胎的耐磨性、改善轮胎的振动特性以及降低轮胎的噪声来实现的^[4][14]。

仿生轮胎是模拟生物系统的原理设计的具有生物系统特征或类似特征的轮胎。现在研究较多的是仿驼足轮胎，通过研究骆驼足的原理设计的驼足轮胎，可以实现轮胎在沙漠地带的行驶^[4]。大陆轮胎公司根据豹爪特点设计了胎面花纹可以改变的豹爪印型的仿生轮胎，这种仿生轮胎在汽车加速行驶时胎面接地面积小，而制动时接地面积大，因此，它可以有效加快速度、提高行驶稳定性和缩短制动距离^[14]。

安全轮胎又称为“漏气保用轮胎”或“防爆轮胎”，与普通轮胎相比，安全轮胎在遭到扎刺后，不会漏气或漏气很缓慢，胎圈仍然固定在轮辋上，从而可以保证汽车能够继续行驶一段时间，因此，安全轮胎可以大大提高轮胎行驶的安全性。安全轮胎可以通过在轮胎密封层内加入密封剂，在轮胎遭受外物刺穿后，密封剂自动流到穿孔处堵塞空洞，也可以增加轮胎胎侧厚度保证轮胎漏气后轮胎行驶轮廓不变，或通过在轮胎内增加支承机构在轮胎漏气时可以继续将轮胎固定在轮辋上，从而避免汽车在轮胎漏气后发生侧倾、侧偏或甩尾等危险^[4][15]。

智能轮胎是信息技术在轮胎上应用的直接结果，它利用安装在轮胎内部的传感器测量轮胎的状态参数，然后传递到车内的处理装置，处理装置通过综合测量的轮胎状态参数和汽车其他状态变化，对轮胎的运行状况做出判断，在轮胎状态异常时进行必要的处理，提高轮胎运行的安全性、环保性、舒适性和经济性^[16]。