車輪之論

文_宋喜秀

車輪之論

文_宋喜秀

心心相印的軸心，滾滾向前的車輪，凝聚了向心力，跳動(dòng)著平衡心，滾動(dòng)著循環(huán)論。汽車車輪的生態(tài)方式，處處蘊(yùn)藏著理論的智慧。

從汽車構(gòu)造的角度而言，車輪是汽車行駛系統(tǒng)的執(zhí)行部件；從科技進(jìn)程來講，車輪是見證社會進(jìn)步的文明使者。由于技術(shù)上的歷史悠久和工藝上的爐火純青，獨(dú)特鮮明的車輪構(gòu)造模式在經(jīng)營和管理領(lǐng)域具有深刻而廣泛的意義。

1 中心論

汽車所有車輪的軸線如何在轉(zhuǎn)向瞬間指向同一個(gè)圓心呢？1817年，德國人林肯斯潘杰(Len Ken Sperger)發(fā)明了轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，并將在英國獲得的專利權(quán)轉(zhuǎn)讓給了阿克曼(Ru-dolph Ackerman)。整個(gè)轉(zhuǎn)向過程中全部車輪圍繞同一瞬時(shí)中心相對于地面作圓周滾動(dòng)的理想特性。依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向公式設(shè)計(jì)的車輛，沿著彎道轉(zhuǎn)彎時(shí)，所有轉(zhuǎn)向輪的各瞬間轉(zhuǎn)軸都能在整個(gè)轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)交會于一個(gè)共同的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，使得車輪做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)無磨損，車輛也可以順暢地轉(zhuǎn)彎。1857年，英國的達(dá)吉恩蒸汽汽車(Dudgeon Steamer)首次采用了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向技術(shù)，由轉(zhuǎn)向梯形轉(zhuǎn)向盤，以及包含各種控制方式的轉(zhuǎn)向器等裝置共同構(gòu)成了汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1.1 萬軸一心

隨著物流業(yè)的發(fā)展，越來越多的大型貨物及裝備迫切需要特種超長型列車來滿足需求。但是掛車簡單加長以后，汽車列車的彎道通過性受到嚴(yán)重影響。所以，對重型車輛全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究成為關(guān)鍵。通常，用牽引車帶動(dòng)機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，配合液壓隨動(dòng)機(jī)制，牽引車與掛車聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向，就能實(shí)現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向。

以法國尼古拉斯(Nicolas)和德國歌德浩夫(Goldhofer)為代表的多軸液壓掛車產(chǎn)品為例，沿車架兩側(cè)縱向布置2列能夠獨(dú)立轉(zhuǎn)向的輪軸，每個(gè)輪軸安裝2或4只輪胎。半掛車全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)向油缸、第一拉桿、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向控制臂(板)以及與輪軸剛化連接的懸架轉(zhuǎn)臂等多種結(jié)構(gòu)構(gòu)成。轉(zhuǎn)向時(shí)通過鵝頸的轉(zhuǎn)向油缸組驅(qū)動(dòng)第一拉桿，再由轉(zhuǎn)向拉桿及轉(zhuǎn)向控制臂來驅(qū)動(dòng)各個(gè)懸架轉(zhuǎn)臂，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向指令從牽引車向各個(gè)車輪傳遞。轉(zhuǎn)向控制臂(板)每變換一個(gè)位置，不同的輪軸就會得到一個(gè)不同的車輪轉(zhuǎn)角，以保障所有的車輪都按照需要的轉(zhuǎn)角進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。全掛車則由牽引桿通過轉(zhuǎn)向架推拉第一拉桿及以后的轉(zhuǎn)向桿系完成全輪轉(zhuǎn)向的(圖3)。

經(jīng)歷了近200年的發(fā)展，以“萬軸一心”的生動(dòng)表現(xiàn)，閃耀著車輛轉(zhuǎn)向無側(cè)滑的理論光輝。

1.2 轉(zhuǎn)向順暢

在汽車誕生的初期，車輛轉(zhuǎn)向操縱是仿照自行車的轉(zhuǎn)向方式，即用一個(gè)操縱桿或手柄直接操縱前輪轉(zhuǎn)向。幾乎每輛自行車的車把軸都不是與地面完全垂直的，而是后傾的。由于前輪固定在車把的前叉上，因此又叫前叉后傾。前叉后傾結(jié)構(gòu)(圖5)能夠使車輪在顛簸不平的路面上所受彈力T分解為前叉吸收的分彈力F和驅(qū)動(dòng)車輪滾滾向前的推力P。顯而易見，前叉后傾角γ越大，兩個(gè)分力越大，高速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向靈活性越高，但低速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性越差。因此，前叉后傾角取值要兼顧不同狀態(tài)的不同要求。

與自行車前叉后傾的轉(zhuǎn)向機(jī)制相仿，汽車裝配時(shí)車輪主銷也必須向后傾斜一定的角度。車輪與車架、車橋、轉(zhuǎn)向節(jié)之間的相對位置要求，叫做轉(zhuǎn)向車輪定位，也稱前輪定位，包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束4個(gè)參數(shù)。對后輪來說也同樣存在與后軸之間安裝的相對位置，稱后輪定位。后輪定位包括車輪外傾角和后輪前束。前輪定位和后輪定位總起來說叫四輪定位。

車輪定位后，汽車可以輕松地直線行駛和輕松轉(zhuǎn)向，輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)件的磨損大大降低。當(dāng)然，車輛使用很長時(shí)間后，轉(zhuǎn)向沉重、發(fā)抖、跑偏、不正、不回位或者輪胎單邊磨損、波狀磨損、塊狀磨損、偏磨等不正常磨損，以及車感漂浮、顛簸、搖擺等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，用戶就應(yīng)該考慮檢修車輪定位值了。

2 平衡論

車輪平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、車輛安全運(yùn)行，還涉及車輪的質(zhì)量分布、胎壓平衡以及與輪胎原料有關(guān)的生態(tài)平衡問題。

2.1 質(zhì)量平衡減少磨損

車輪由輪胎、輪轂組成一個(gè)整體，當(dāng)這個(gè)整體的局部質(zhì)量分布不均勻時(shí)，車輪質(zhì)量軸心和幾何軸心出現(xiàn)偏移，偏離軸心的質(zhì)量就會產(chǎn)生慣性力，慣性力及其產(chǎn)生的慣性力矩會使車輛發(fā)生周期性振動(dòng)，磨損、噪聲等一系列心理不平衡問題后遺癥就會接踵而來。為了避免或消除不平衡問題，就要通過增加配重的方法，使車輪上各個(gè)質(zhì)量離心力的合力及離心力引起的力偶矩的總和都等于零。這個(gè)增加配重的過程就是人們常說的動(dòng)(靜)平衡。

定期檢測平衡，不但能延長輪胎壽命，還能提高汽車行駛時(shí)的穩(wěn)定性，避免在高速行駛時(shí)因輪胎擺動(dòng)、跳動(dòng)，失去控制而造成交通事故。

2.2 氣壓平衡利于安全

千里之行，始于足下。輪胎是汽車和地面間的惟一接觸部位。所以，輪胎質(zhì)量和輪胎故障是駕駛?cè)藛T最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，子午線輪胎缺氣25%時(shí)就難以靠人為觀察判斷。研究顯示，85%的輪胎存在胎壓不平衡的問題，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%～80%是爆胎引起的，每年全國因爆胎死亡人數(shù)數(shù)以萬計(jì)。為此，世界各國都成立有權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)，進(jìn)行專門的產(chǎn)品認(rèn)證，權(quán)威的輪胎產(chǎn)品認(rèn)證型式主要有：

DOT——美國交通部規(guī)定安全標(biāo)準(zhǔn)?！癉OT”后面緊挨著的11位數(shù)字及字母表示輪胎的識別號碼或序列號。DOT分為A、B、C 3級。

E/e Mark——?dú)W洲對于機(jī)動(dòng)車整車及涉及安全的零部件和系統(tǒng)有安全認(rèn)證的要求，具體體現(xiàn)為E標(biāo)志和e標(biāo)志認(rèn)證。

JIS——日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是日本最重要、最權(quán)威的國家級標(biāo)準(zhǔn)，由日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(JISC)制定。

CCC——中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證(China Compulsory Certification，縮寫CCC)。3C認(rèn)證是我國政府為保護(hù)消費(fèi)者人身安全和國家安全，依法實(shí)施的一種產(chǎn)品合格評定制度。特別是GB/ T 2977-2008《重載汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》發(fā)布后，迫切需要能夠?qū)喬鈮哼M(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測的汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitor System，TPMS)，對輪胎漏氣和高低氣壓進(jìn)行報(bào)警，保障駕車者、乘車人的生命安全。

近年來，我國自主研發(fā)的TPMS產(chǎn)品達(dá)到了國際先進(jìn)水平，具有靜態(tài)和高速可靠接收、即時(shí)反應(yīng)、低功耗、長壽命等特點(diǎn)。2013年3月1日，國家標(biāo)準(zhǔn)委對擬立項(xiàng)的《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)的性能要求和試驗(yàn)方法》國家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目公開征求意見。

2.3 生態(tài)平衡：輪胎翻新利于環(huán)保

輪胎本身就是一種消耗品，除了車輪定位參數(shù)問題，緊急制動(dòng)、急劇轉(zhuǎn)彎等不良駕駛習(xí)慣也都會造成輪胎異常磨損而影響使用壽命。輪胎原料又是一種化工產(chǎn)品，其生產(chǎn)加工過程涉及環(huán)境保護(hù)問題，由此衍生出了廢舊輪胎的翻新和回收利用產(chǎn)業(yè)。2012年7月，工信部公布了《輪胎翻新行業(yè)準(zhǔn)入條件》和《廢輪胎綜合利用行業(yè)準(zhǔn)入條件》，準(zhǔn)入條件對廢舊輪胎綜合利用企業(yè)的設(shè)立和布局、生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模、資源回收利用以及能耗等方面都做出了明確要求。以生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模為例，已建成的輪胎翻新企業(yè)，年綜合生產(chǎn)能力要在2萬標(biāo)準(zhǔn)折算條以上；已建成的廢輪胎綜合利用企業(yè)，年處理能力≥1萬t。

3 循環(huán)論

車輪周而復(fù)始、循環(huán)往復(fù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，既是物理學(xué)的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也是管理學(xué)的一種經(jīng)濟(jì)規(guī)律。車輪循環(huán)論作為一種經(jīng)濟(jì)規(guī)律，同樣適用于車輪行業(yè)的發(fā)展軌跡。

3.1 良性循環(huán)：讓輪胎制造走上綠色之路

循環(huán)經(jīng)濟(jì)把資源開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向廢棄物資源的再生利用上，既可以替代部分原生礦產(chǎn)資源，減少大量礦產(chǎn)資源進(jìn)口，彌補(bǔ)中國原生資源不足，又能形成“資源—產(chǎn)品—廢棄物—再生資源”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，稱得上是朝陽產(chǎn)業(yè)。為此，國家發(fā)展改革委在《“十二五”資源綜合利用指導(dǎo)意見》中要求，到2015年工業(yè)固體廢物綜合利用率達(dá)到72%，其中再生銅、鋁、鉛占當(dāng)年總產(chǎn)量的比例分別達(dá)到40%、30%和70%。廢舊鋼鐵經(jīng)鋼鐵爐料綜合回收、程序分后，經(jīng)過精細(xì)加工，就能成為質(zhì)量過硬的汽車輪轂。廢鐵“變”輪轂的良性循環(huán)表明：再生資源綜合利用是一項(xiàng)值得推廣的化害為利、變廢為寶、造福人類的好產(chǎn)業(yè)。

另一類良性循環(huán)是創(chuàng)新。創(chuàng)建于1889年的法國米其林集團(tuán)公司，不僅是橡膠車輪成功代替鐵制車輪的創(chuàng)始人，同時(shí)也是子午線輪胎的發(fā)明者。子午線輪胎當(dāng)時(shí)被稱作“x”型，利用鋼絲簾布層鞏固結(jié)構(gòu)的這種輪胎于1949年正式推向市場，引發(fā)了輪胎產(chǎn)業(yè)的一場高技術(shù)革命。

子午線輪胎以及后來發(fā)明的無內(nèi)胎子午胎，使米其林簡化了生產(chǎn)工藝，節(jié)省了30%的生產(chǎn)原料。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品和服務(wù)，使米其林循環(huán)發(fā)展的“足跡”遍布全球，成為世界3大輪胎公司之一。

3.2 惡性循環(huán)：產(chǎn)品創(chuàng)新是根本

循環(huán)論的本質(zhì)是周期性——不在循環(huán)中創(chuàng)新升級，就在循環(huán)中淘汰出局，這是一種周期性的進(jìn)化規(guī)律。輪胎的使用壽命一般建議是4萬km左右，如果行駛里程較少，但使用時(shí)間超過2年同樣建議更換。車輪生產(chǎn)涉及材料科學(xué)、模具加工、金屬成型、表面涂裝、產(chǎn)品檢測等一系列技術(shù)和學(xué)科，具有資金投入高、技術(shù)要求高、生產(chǎn)成本高的“三高”特點(diǎn)，使車輪、輪胎的生存和發(fā)展充滿風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)中國橡膠協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2008年中國出口美國輪胎產(chǎn)品22億美元，占中國輪胎產(chǎn)量的40%，美國輪胎市場的50%，盡管我國出口的這些轎車和輕型卡車輪胎產(chǎn)品，屬于低端低價(jià)的單胎，但還是遭受了特保調(diào)查，美方的關(guān)稅稅率從3.4%增加到懲罰性的特保稅稅率35%。而國內(nèi)市場又同時(shí)放寬了外資品牌的進(jìn)入條件，使一些國產(chǎn)輪胎的生存環(huán)境進(jìn)一步惡化。

從2009年9月開始，連續(xù)3年的特保稅保護(hù)政策，使賴以生存的中國低端輪胎企業(yè)，特別是以互保形式貸款起家的一些新進(jìn)企業(yè)陷入生存危機(jī)。從2010年開始，產(chǎn)能數(shù)以億計(jì)的山東東營廣饒縣，通過舉辦中國(廣饒)國際橡膠輪胎展逐步建立起了輪胎市場的新常態(tài)。然而，事隔6年之后的2014年6月，美國鋼鐵工人聯(lián)合會舊事重提，要求美國商務(wù)部對中國制造的乘用車輪胎和輕卡輪胎啟動(dòng)反傾銷和反補(bǔ)貼“雙反”調(diào)查。7月15日，美國商務(wù)部決定同意該項(xiàng)申請，對中國輪胎啟動(dòng)“雙反”初步調(diào)查。11月24日發(fā)布的初裁結(jié)果為：中國輪胎企業(yè)將被征收17.7%～81.3%不等的懲罰性關(guān)稅。逐步提高產(chǎn)品附加值，盡早走出低質(zhì)低價(jià)的低端循環(huán)，這就是惡性循環(huán)的歷史教訓(xùn)。

表1 輪胎性能比較

3.3 新陳代謝：輪胎品種及車輪新技術(shù)日新月異

以中國為首的亞太區(qū)市場已經(jīng)成為跨國車輪、輪胎企業(yè)最為看重的戰(zhàn)略腹地，作為全球最大的商用車市場，面對日新月異的市場誘惑，面臨著一輪又一輪的改進(jìn)和創(chuàng)新機(jī)遇。

以高速持續(xù)行駛而不聚熱著稱的無內(nèi)胎輪胎(俗稱原子胎)是利用輪胎內(nèi)壁和胎圈的氣密層保證輪胎與輪輞間良好的氣密性，外胎兼起內(nèi)胎的作用，空氣充填在胎中，當(dāng)輪胎穿孔時(shí)，壓力不會急劇下降，能安全的繼續(xù)行駛一段距離；不存在因內(nèi)、外胎之間摩擦和卡住而引起的損壞；輪胎氣密層內(nèi)膜緊粘在輪胎內(nèi)壁上，使輪胎在高速行駛中不易聚熱，目前已普遍采用，大有將內(nèi)胎的常規(guī)胎取而代之之勢。

事實(shí)上，在無內(nèi)胎輪胎家族中，還有另外一種輪胎——實(shí)心胎。實(shí)心胎能夠最大限度地防止爆胎、漏氣等現(xiàn)象的發(fā)生。作為輪胎發(fā)明的雛形，實(shí)心胎在一些軍用汽車、大型工程機(jī)械上重新得到了廣泛應(yīng)用。從實(shí)心胎到有“心”胎，再到無內(nèi)胎輪胎，再回到實(shí)心胎，輪胎的機(jī)構(gòu)形式進(jìn)化，同樣符合循環(huán)論規(guī)律。

當(dāng)然，無內(nèi)胎輪胎對柏油、水泥路面的適應(yīng)性突出，即使路面濕滑也能保持較強(qiáng)的附著力，但對土質(zhì)路面，特別是泥濘路面，附著力小、穩(wěn)定性差，又因其超載能力有限，與中國國情及路況“水土不服”，所以在短途類、工程類商用汽車上還有明顯的局限性。

方興未艾的模塊化制動(dòng)系統(tǒng)平臺(modular Braking System Platform：縮寫mBSP)也給車輪改進(jìn)帶來了機(jī)遇。mBSP是威伯科研制成功的“即插即用”型制動(dòng)方案，并在IAA 2014上首次亮相。mBSP具有相同的ABS和EPS組件安裝接口，可以交換裝配ABS和EPS，也可以與定制客戶自身軟件的無縫集成及功能擴(kuò)展。所以，卡車、客車制造商可以通過定制mBSP滿足制動(dòng)系統(tǒng)局部裝配的需求，有效防止車輪抱死及平衡失衡。