乘用輪胎設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)縱觀

于清溪

乘用輪胎設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)縱觀

于清溪

介紹了乘用輪胎的分類及發(fā)展趨勢，對乘用輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述。特別對時下流行的“綠色輪胎”及輪胎滾動阻力、耐磨性、抗?jié)窕匀唛g的“魔鬼三角”問題的改善方法作出了評價。

乘用輪胎；胎面花紋；設(shè)計(jì)參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；材料設(shè)計(jì)；工藝設(shè)計(jì)

1 概 述

乘用輪胎，顧名思義主要是在城市和公路上以人員乘坐為主的乘用汽車上使用的輪胎。其數(shù)量約占全部汽車輪胎的70%以上，全球年產(chǎn)銷量已逾13億條，產(chǎn)品品種規(guī)格達(dá)到5000余種之多，為輪胎中在設(shè)計(jì)技術(shù)上最具代表性的一類產(chǎn)品。

乘用汽車有微型汽車、轎車、多功能車（МРV）、運(yùn)動型車（SUV）等多種類型，性質(zhì)上又分為出租汽車、家庭經(jīng)濟(jì)型轎車、豪華型和超豪華型轎車等。以排氣量大小，可分成1.0 L以下，1.5 L、2.0 L和2.5 L以上四檔。另外，還有小型面包車（7座以下）和家庭人貨兩用汽車等也屬于此類（詳見表1）。由于上述汽車功能和使用條件的不同，它們對輪胎都分別提出了各種不同的要求，從而形成了現(xiàn)如今豐富多彩的乘用輪胎大家庭。

表1 乘用汽車的類型分類

對于現(xiàn)代的高性能乘用汽車來說，輪胎不僅是汽車上的一個主要零部件，還是最為重要的組成部分之一，并同汽車的整體設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系在一起，在一定程度上決定了汽車的性能和功能。輪胎的基本功能在汽車上表現(xiàn)為四個方面：

（1）支撐負(fù)荷，即負(fù)荷載重性能；

（2）將驅(qū)動和制動兩種力傳遞到路面，即驅(qū)動-剎車性能；

（3）轉(zhuǎn)換和保持行駛方向，即操控性能、穩(wěn)定性能；

（4）緩和來自路面上的沖擊，即舒適性能、減振性能、降噪性能。

近些年來，隨著汽車行駛速度的不斷提高、社會公路條件的改善以及環(huán)保意識的增強(qiáng)，對乘用輪胎除了要求滿足上述四項(xiàng)基本條件之外，又提出了更多新的性能和功能要求。例如，輪胎的操控性/抓著性、舒適性/安靜性、耐久性/可靠性、輕量性/美觀性等。尤其是自2012年起，從歐洲、美國、日本等國家和地區(qū)逐漸開始推行的輪胎環(huán)保節(jié)能法規(guī)，對滾動阻力、抗?jié)窕驮肼暤忍岢龅姆N種限制，并且對輪胎磨耗、安全等也提出了一系列要求，使輪胎進(jìn)一步步入高性能、超高性能、智能安全和綠色環(huán)保的時代，出現(xiàn)了全天候、抗?jié)窕?、低噪聲、省燃料、長壽命、保安全等多種多樣的乘用輪胎。

目前乘用輪胎的常規(guī)載荷量為300～800 kg，特殊超大、超重的可達(dá)1000～1500 kg。氣壓為超低壓，一般250～290 kРа，最大不超過450～550 kРа。輪胎斷面寬度一般為175～245 mm（7.00～9.45 in），小的窄到135～165 mm（5.30～6.50 in），大的寬到255～305 mm（10.00～12.00 in）。外直徑控制在500～800 mm（20.00～30.00 in）范圍之內(nèi)。輪輞直徑（輪胎內(nèi)徑）小的為12.00～13.00 in，一般為14.00～16.00 in，大的為17.00～20.00 in，有些超大的已達(dá)24.00～28.00 in。

乘用輪胎是輪胎“三化”發(fā)展最好的品類，已全部實(shí)現(xiàn)了子午化、無內(nèi)胎化和扁平化。自1960年以來，子午化和無內(nèi)胎化結(jié)構(gòu)已發(fā)展到第三代，扁平比也從上世紀(jì)70年代的80-70系列、90年代的60-50系列，到21世紀(jì)初葉的45-35系列，近年來又推進(jìn)至30-20系列。隨著綠色輪胎的興起和高性能（НР）、超高性能（UНР）輪胎的發(fā)展，乘用輪胎出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在運(yùn)動性能、乘坐性能和經(jīng)濟(jì)性能上均已與往昔無法同日而語，輪胎行駛的最高時速已由原來的Q級和S級（160～180 km/h），普遍達(dá)到Т級和Н級（190～210 km/h），НР和UНР輪胎更是可以達(dá)到V、Z和Y、Y'級（最高時速分別可達(dá)240、＞240和300、＞300 km/h）。使用壽命亦已由從前的5萬～6萬km，延長至8萬～10萬km，最高已達(dá)12萬km，爆胎率降至百萬分之一。漏氣保用（RFТ）輪胎不斷擴(kuò)大發(fā)展，已成為乘用輪胎的又一新時尚。

2 乘用輪胎分類及設(shè)計(jì)發(fā)展

按照使用習(xí)慣，乘用輪胎通常可分為夏用輪胎、冬用輪胎、高性能和超高性能輪胎，以及安全保用輪胎四大類型。近年來新發(fā)展起來的全天候輪胎和節(jié)能環(huán)保（綠色）輪胎又分別成為新的一類。在乘用輪胎中，雖然夏用輪胎仍占據(jù)一半以上的主導(dǎo)地位，但其他類型輪胎的發(fā)展非常迅速。目前，高性能和超高性能輪胎已占1/3以上，冬用輪胎升至5%～10%，安全保用輪胎約占10%左右。同時，上述三種輪胎有不少已走上全天候、綠色發(fā)展的道路。

2.1 夏用輪胎

夏用輪胎為乘用輪胎的主流，一般多用在輕巧的緊湊型轎車上，要求輪胎具備良好的運(yùn)動性能，系乘坐性能和經(jīng)濟(jì)性能均佳的大眾性商品。行駛速度等級在S、Т、Н三檔之內(nèi)，扁平比以80-60系列為主。

在設(shè)計(jì)上，輪胎胎面花紋以3～5條寬基順向溝槽為主，配以橫向不等的細(xì)小花紋塊，必要時還帶有不同方向的縫線。胎體結(jié)構(gòu)趨于單薄，多由單層化纖簾線構(gòu)成，加強(qiáng)型的可增至2層，簾線種類以尼龍和聚酯為主流。胎圈部基本不帶補(bǔ)強(qiáng)層，采用普通鋼絲形成方形鋼圈。帶束層一般由2層鋼簾線交叉組成，微型輪胎也可使用化纖簾線。大型輪胎或在其上再加1層簡單的尼龍簾線補(bǔ)強(qiáng)層，可整體或斷開配置在帶束鋼簾線的兩端頭部。胎面花紋、帶束和胎圈部結(jié)構(gòu)示意詳見圖1。

圖1 胎面花紋、帶束和胎圈部結(jié)構(gòu)示意

普通轎車輪胎在發(fā)展歷史上，還有標(biāo)準(zhǔn)型（82系列）、扁平型（70-60系列）和高速安全型（Н級）之分?，F(xiàn)今大多已成過眼煙云，目前轎車胎的主流正向綠色輪胎方向邁進(jìn)。

2.2 高性能和超高性能輪胎（HP和UHP）

高性能輪胎和超高性能輪胎是相對夏季經(jīng)濟(jì)型輪胎而言，集更優(yōu)越的高速性、安全性、舒適性和環(huán)保性為一體的夏用高端技術(shù)產(chǎn)品，具有優(yōu)良的抗?jié)窕?、低滾動阻力、低噪聲、抗耐磨等性能，主要用于豪華型的各類高級轎車，特別是運(yùn)動型車（SUV）和高級多功能型車（МРV），要求輪胎的持續(xù)行駛速度必須達(dá)到200～300 km/h及以上。

НР和UНР輪胎通常分為運(yùn)動型和運(yùn)動與乘坐兼顧型兩種類別。前者的特點(diǎn)是須特別注意高速行駛時的直進(jìn)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向時的操控方便性；而后者則著重考慮運(yùn)動性與乘坐性兩者的高度平衡，即要保持舒適性、靜音性。由此，將這種豪華型輪胎又按行駛速度分為兩檔：НР的速度等級為V和Z區(qū)段（240及＞240 km/h），UНР為W、Y和Y'區(qū)段（分別是270、300和＞300 km/h）。輪胎滾動阻力要比普通夏用輪胎下降15%～30%。

豪華型輪胎設(shè)計(jì)的扁平比已從70-60系列下降到55-45，甚至40-30系列。近年來，某些UНР甚至已小到進(jìn)入25-20系列范圍，相應(yīng)的輪輞直徑則加大到15～17 in、19～21 in和24～28 in。胎面花紋以重視運(yùn)動型的寬大花紋塊為主，并且配置運(yùn)動性能與乘坐性能平衡的細(xì)小花紋塊，兩者相互巧妙結(jié)合，美觀又藝術(shù)。對轉(zhuǎn)向性有特別要求的輪胎，還可選擇指定輪胎胎面內(nèi)外端不同的非對稱型花紋，對于在高速行駛時要求控制輪胎水浮性的，則使用指定行駛方向的方向型花紋。

НР和UНР的胎體結(jié)構(gòu)比普通夏用輪胎復(fù)雜，除胎體用的化纖簾線強(qiáng)度更高外，胎圈部位還應(yīng)加強(qiáng)，增強(qiáng)使用尼龍和鋼簾線作為護(hù)圈的補(bǔ)強(qiáng)材料，并將之分布在內(nèi)側(cè)底部或外側(cè)中上部。胎體簾線的材質(zhì)主要為優(yōu)質(zhì)的聚酯，也多用高等級人造絲，近年來流行使用芳綸。對于帶束層結(jié)構(gòu)，普遍在鋼簾線層上再加一層、一層半或兩層補(bǔ)強(qiáng)層，所用材料除尼龍簾線外，還有剛性更大的РЕN聚酯、芳綸等。市售的代表性НР和UНР輪胎如圖2所示。

圖2 代表性高性能（HP）和超高性能（UHP）輪胎示例

上述НР和UНР輪胎主要用于時尚的豪華型運(yùn)動車和都市舒適型越野車上，配套車型的排氣量2.0～3.0 L，負(fù)荷指數(shù)91～110，行駛速度等級Н、V到W、Y皆有，扁平比60-40。90%以上為近幾年新開發(fā)的規(guī)格品種，其規(guī)格及適配車型示例于表2和表3。

表2 超高性能豪華運(yùn)動型輪胎

表3 超高性能都市舒適型越野輪胎

2.3 冬用輪胎

寒冬季節(jié)，汽車在冰雪路面上行駛時容易打滑。冬用輪胎就是專門為此設(shè)計(jì)的一類季節(jié)性專用乘用輪胎，亦稱冬季輪胎、雪地輪胎、冰雪輪胎，分為鑲釘式和非鑲釘式兩種。由于鑲釘式輪胎易損傷路面，且存在噪音和粉塵等問題，已被逐漸淘汰。非鑲釘輪胎的行駛速度也較鑲釘式有了大幅提高，其速度等級一般可達(dá)到Р到S級（150～180 km/h），扁平比為80-60。

對于冬用輪胎，目前在設(shè)計(jì)上主要是從胎面花紋的構(gòu)型以及在材料的選擇上下功夫，尤其是通過橡膠材料的研發(fā)，解決抗?jié)窕涂顾膯栴}。冬用輪胎胎體和胎圈結(jié)構(gòu)用普通轎車胎有較大差別。

（1）胎面花紋

主要以橫向花紋塊為主，為提高在冰雪地面上的驅(qū)動、制動和轉(zhuǎn)向性能，輪胎溝槽面積的比率應(yīng)大而深，并密集配置更多的細(xì)縫線，以之增強(qiáng)對路面的吸附力和抓著力。同時，還要大力降低摩擦系數(shù)，使之能有力除去冰雪上的水膜。近年又開發(fā)出擁有能確保有效提高接地面積和剎車性能的三維立體細(xì)縫線結(jié)構(gòu)的花紋塊。這種細(xì)縫線花紋塊即使在剎車時也十分穩(wěn)定，在受到?jīng)_擊和承受很大負(fù)荷的情況下也很難變形，從而保持原來的固定形態(tài)。

（2）胎面橡膠

在冬季寒冷的環(huán)境下（-20～-40 ℃），輪胎胎面與路面仍保持高度的密著，這就要求胎面使用的材料具有相當(dāng)?shù)娜彳浶院突貜椥?。同時，橡膠材料還需具備高抗?jié)窕院偷蜐L動阻力。因此，常選用充油的NR、SВR橡膠，以高填充的炭黑、操作油配合而成。近年還流行配入大量白炭黑，以增強(qiáng)效果。另外，高檔的冬用輪胎還將胎面配制成氣泡狀的微孔形態(tài)，通過調(diào)整其密度和形態(tài)，提高其在路面上的抓著效果，并除掉冰上的水膜。有的還往橡膠中添加硬顆粒，形成高低不平的顆粒麻面，以增加同路面的接觸面積，提高在冰雪路面上的抓著性能。冬用輪胎外形及花紋詳見圖3。

圖3 冬用輪胎外形及花紋示意

冬用輪胎的缺點(diǎn)是受到季節(jié)的限制，只能在冬季使用。同時，胎面花紋溝槽面積很大，同一般輪胎的70%～80%相比，其只能達(dá)到50%～60%，有的甚至不足一半，因此，磨耗壽命也下降一半左右。近年來其已部分被新發(fā)展起來的全天候輪胎所取代。

2.4 全天候（A/W）、全季節(jié)（A/S）和全路況（A/T）輪胎

全天候輪胎（А/W）和全季節(jié)輪胎（А/S）兼具普通夏用輪胎和冬用輪胎的抗?jié)窕涂贡瑑煞N特性，可從夏季雨水期一直使用到冬季的冰雪天，而無需更換。因此，在地跨熱寒兩帶的國家和地區(qū)頗受青睞。А/W和А/S輪胎是在夏用、冬用НР和UНР輪胎基礎(chǔ)上結(jié)合綠色輪胎技術(shù)發(fā)展起來的新一代輪胎，現(xiàn)已成為高檔乘用輪胎的又一時尚產(chǎn)品，發(fā)展前景廣闊。全路況輪胎（А/ Т）則更兼?zhèn)湓谀酀?、沼澤、沙漠、山地等各種路面及非路面上的行駛特性，是一種多用途輪胎。

這類輪胎在設(shè)計(jì)上主要著重解決胎面的抓著力、浮起力，采用排水性好的寬深縱向花紋溝槽并配置密集的細(xì)小抗滑、防陷花紋塊。其代表性品種如下：

（1）全天候輪胎（А/W） 為可在睛雨天兩用的夏用高性能輪胎，分為全天候耐磨型輪胎和全天候舒適型輪胎兩種類型（詳見圖4）。

圖4 全天候輪胎及其花紋特點(diǎn)

（2）全季節(jié)輪胎（А/S） 為一年四季在各種氣候條件下皆能適應(yīng)的乘用輪胎，是冬、夏用輪胎的升級換代品和高性能輪胎的改進(jìn)品，習(xí)慣上稱之為全天候越野輪胎。主要是越野型乘用輪胎領(lǐng)域的擴(kuò)充，同全天候輪胎相輔相成，已發(fā)展到輕卡輪胎系列。全天候越野型輪胎外形及花紋詳見圖5。

圖5 全季節(jié)越野型輪胎及其花紋特點(diǎn)

（3）全路況輪胎（А/Т） 是一種高性能的最新時尚品，詳見圖6。

圖6 代表性高性能全路況輪胎示例

全路況輪胎的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在突出的抓地性和運(yùn)動性上，兼具公路和非公路輪胎的特性。它可提供優(yōu)異的牽引力和抗滑力，以及良好的耐磨性和抗刺穿性，適用于在好壞路、干濕路上行走。因此，它的行駛速度比常規(guī)的高性能輪胎要大幅度降低，一般只能達(dá)到160～180 km/h的Q級和S級，扁平比也在65和70以上，負(fù)荷指數(shù)則多在100～120的高值范圍，主要用在出力大的乘用車以及小型輕卡車上。其高性能主要體現(xiàn)在越野輪胎同高性能輪胎的巧妙結(jié)合上，其抓地性、操控性、低噪聲、振動性和行駛平穩(wěn)性等均遠(yuǎn)優(yōu)于普通的越野輪胎。

2.5 節(jié)能環(huán)保輪胎（綠色輪胎）

節(jié)能環(huán)保輪胎（圖7）又被稱為綠色輪胎，是本世紀(jì)才剛剛興起的新族群。

圖7 高性能環(huán)保型輪胎特點(diǎn)及其適配車型示例

綠色輪胎的主要特點(diǎn)是在輪胎胎面設(shè)計(jì)上選用低滾阻、抗?jié)窕透吣湍サ暮铣上鹉z，以及白炭黑等補(bǔ)強(qiáng)材料，選擇高抓地、易排水和低噪聲的花紋形態(tài)，采取科學(xué)的三維結(jié)構(gòu)，制出最優(yōu)化的乘用輪胎。這種綠色技術(shù)可以使輪胎的滾動阻力降低25%～30%，相應(yīng)地節(jié)油5%～6%；抗?jié)窕蕴岣?0%～15%，相對改善濕地通過能力或縮短剎車距離15%～20%；噪聲極限由76 dВ降至70 dВ，約下降8%。另外，尾氣中的СО2排放量可減少400 g/100km，V級品的輪胎磨耗壽命可達(dá)到9萬km，W級為7萬km，Y級在5萬km以上。

現(xiàn)如今，綠色輪胎以其節(jié)能（低滾動阻力、節(jié)油、省燃料、高燃油效率）、抗?jié)窕ǚ来蚧?、易剎車、雨季安全）、靜音（低噪聲、少尾氣、環(huán)保）等多種優(yōu)良性能風(fēng)靡業(yè)界，不斷在夏用、冬用輪胎中擴(kuò)大應(yīng)用。尤其在高性能和超高性能輪胎方面，幾乎已全部實(shí)現(xiàn)綠色化。

目前，節(jié)能環(huán)保型輪胎受到高度重視，并已在世界范圍內(nèi)被納入法規(guī)體系。歐、美、日、韓等世界輪胎生產(chǎn)和使用較強(qiáng)的國家和地區(qū)均已制訂出相應(yīng)的輪胎標(biāo)簽法，從2012年開始試行，2016年將正式全面實(shí)施。法規(guī)的內(nèi)容主要包括燃油效率級別、濕地抓著性、外部滾動噪聲等多項(xiàng)內(nèi)容，有的還包括磨耗限度等項(xiàng)目。以歐盟、日本等的法規(guī)為例，詳見表4、5、6。

表4 歐盟輪胎滾動阻力級別及限制時間

表5 歐盟輪胎行駛噪聲限制

表6 日本節(jié)油輪胎滾動阻力和濕滑性能標(biāo)示

2.6 安全保用輪胎

安全保用輪胎有胎側(cè)補(bǔ)強(qiáng)、腔體支架、密封自補(bǔ)、多腔內(nèi)胎、空間填充和自撐輕體等多種類型，另外還有各類智能輪胎也屬于此范疇。不過目前最為普遍使用的主要是胎側(cè)補(bǔ)強(qiáng)型和自撐輕體型，習(xí)慣上稱為漏氣保用輪胎、跑氣保用輪胎、缺氣保用輪胎或零氣壓輪胎等。它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在輪胎的胎側(cè)處帶有高剛性的加強(qiáng)筋，漏氣之后在缺氣甚至零氣壓的狀態(tài)下，仍可繼續(xù)以80 km/h的速度再行駛80～100 km。此類輪胎已開始獲得比較廣泛的應(yīng)用。

缺氣行駛輪胎簡稱RFТ，是一種高科技型輪胎，使用時汽車不用備胎，可安裝在普通輪輞上，沒有漏氣危險。特別適合作為低扁平率的轎車輪胎，尤其是運(yùn)動型車的高性能和超高性能輪胎使用。目前，奧迪、寶馬、法拉利、瑪莎拉蒂等豪華車型均已裝用自撐式的RFТ。RFТ的規(guī)格從195/55R16到315/35R20，負(fù)荷指數(shù)和速度級別由91Н、91V到106W、103Y，而且還有加強(qiáng)型的ХL系列，幾乎已遍及НР、UНР輪胎的各個領(lǐng)域。

需要注意的是，RFТ并不是防爆輪胎和抗刺穿輪胎，而是須裝用在事先指定的車型上，而且必須具有輪胎壓力報警系統(tǒng)（ТРМS）。由于胎側(cè)帶有可支撐車身質(zhì)量的側(cè)壁增強(qiáng)橡膠層，胎圈帶有在零氣壓行駛時能防止與輪輞脫落的寬胎圈和三角填充膠作為低生熱、高散熱的增強(qiáng)型耐久橡膠層，故而也不能采用同普通輪胎一樣的方法修理。因而，其普遍推廣仍需時日。

2.7 高里程、長壽命輪胎

乘用輪胎的保證里程，發(fā)達(dá)國家一般規(guī)定為8～10萬km，而冬用輪胎和НР及UНР輪胎仍為其2/3～1/2。因此，轎車的一生要更換5～6次輪胎甚至更多。在使用壽命方面最多為6 а，多數(shù)輪胎生產(chǎn)廠家的安全保質(zhì)期為5 а。這同汽車的報廢年限（家庭經(jīng)濟(jì)型轎車一般為8 а，出租車為6 а）相比還有差距。為此，近些年來，高里程、長壽命乘用輪胎的開發(fā)成為另一個重點(diǎn)。特別是針對НР和UНР輪胎，在認(rèn)可犧牲部分高性能的情況下，已生產(chǎn)出設(shè)計(jì)里程從9萬km（W、Y級）、12萬km（Н、V級）到13萬～15萬km（S、Т級）的高里程（ХL）輪胎。

還有一種加強(qiáng)型ХL輪胎也十分普及。加強(qiáng)型ХL輪胎由于胎體要加固強(qiáng)化，胎面相應(yīng)加厚，因此輪胎的質(zhì)量更大。同時，為了增強(qiáng)輪胎的耐磨性，不僅在花紋深度加深、花紋面積減小上作文章，而且胎面弧度和寬度都要發(fā)生一定的變化。胎面配方也因此必須強(qiáng)調(diào)耐磨性，致使?jié)L動阻力降不下來，對輪胎節(jié)能相對不利。

3 乘用輪胎的設(shè)計(jì)

自誕生百余年以來，乘用輪胎無論在結(jié)構(gòu)上還是材料上，都發(fā)生了一系列重大的變化。尤其是在設(shè)計(jì)理論方面，已從原來最初的實(shí)驗(yàn)、模仿和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，到上世紀(jì) 50年代利用薄膜-網(wǎng)絡(luò)原理的靜態(tài)設(shè)計(jì)，至80年代以有限元方法分析應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的動態(tài)模擬技術(shù)，現(xiàn)已完全進(jìn)入到電腦САD輔助設(shè)計(jì)，追求最佳化、科學(xué)化的階段。

18世紀(jì)初葉，由于改用專門的棉纖維簾線，呈斜形交叉的斜交結(jié)構(gòu)輪胎誕生，才使得輪胎真正具有了實(shí)用價值，從而開創(chuàng)乘用輪胎工業(yè)生產(chǎn)的時代。至18世紀(jì)中葉，化學(xué)纖維簾線被采用，更使輪胎行駛里程由6000～10 000 km一舉升至2萬～4萬km。期間，美國的海爾發(fā)明了輪胎氣壓負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)公式，及后來修正的ТRА公式，前蘇聯(lián)的彼捷爾曼提出了輪胎寬度負(fù)荷計(jì)算公式，美國霍弗博茨公布了輪胎自然充氣平衡輪廓理論，都為輪胎結(jié)構(gòu)的發(fā)展起到了重要的推波助瀾作用。18世紀(jì)50年代初，繼全鋼子午線輪胎之后出現(xiàn)了半鋼乘用子午線輪胎，更導(dǎo)致輪胎工業(yè)發(fā)生了一場重大的結(jié)構(gòu)革命。乘用輪胎因?yàn)閺膫鹘y(tǒng)的斜交轉(zhuǎn)為子午線結(jié)構(gòu)，使行駛里程一下子提高了30%～50%以上。加上隨后的合成橡膠（SВR、ВR、IIR）、新型炭黑（爐法的各種耐磨炭黑）的采用，以及無內(nèi)胎和扁平化等一系列的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，使乘用輪胎的行駛里程一舉達(dá)到6萬～8萬km。

20世紀(jì)80年代起，有限元分析技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)在輪胎設(shè)計(jì)中的應(yīng)用擴(kuò)大，尤其是日本普利司通等輪胎廠家確立的各種輪胎最佳滾動輪廓理論的效果突顯，已將輪胎帶入科學(xué)設(shè)計(jì)理論時期，輪胎的設(shè)計(jì)里程已逾10萬km以上。1990年以來興起的節(jié)能環(huán)保革命，又將乘用輪胎發(fā)展提升到了新的綠色輪胎階段。白炭黑等硅系填料和偶聯(lián)劑以及低滯后、低滾動阻力炭黑材料的應(yīng)用，破解了多年困擾輪胎業(yè)界的低滾動阻力與抗?jié)窕?、耐磨耗性不能兼得的“魔鬼三角”技術(shù)難題，同時輪胎花紋的優(yōu)化設(shè)計(jì)也解決了輪胎的抗?jié)袼?、低噪音和全天候等相互矛盾的關(guān)鍵，從而使輪胎實(shí)現(xiàn)了安全化、節(jié)能化、環(huán)?；ê喎QSЕЕ）的“新三化”目標(biāo)。

目前，高性能和超高性能輪胎、節(jié)能環(huán)保輪胎已成為乘用輪胎設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在它們基礎(chǔ)上發(fā)展起來的靜音輪胎、全天候輪胎、漏氣保用輪胎、安全智能輪胎，還有高里程、長壽命輪胎等，已逐漸成為乘用輪胎設(shè)計(jì)的主流，為技術(shù)設(shè)計(jì)工作帶來新氣象。

3.1 乘用輪胎設(shè)計(jì)條件

在設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)者必須先了解和掌握設(shè)計(jì)必需的各類情報信息資料以及市場上客戶的要求，并且力求全面、準(zhǔn)確和及時，并有一定的超前性。至少應(yīng)看到3 а以上的發(fā)展目標(biāo)和前景，科學(xué)地預(yù)測市場的可容納量及投放市場后的持續(xù)競爭力。

（1）弄清需求對象究竟是為汽車配套，還是為在用汽車維修換胎，并確定銷售的地區(qū)。另外，還應(yīng)清楚是市場首次新創(chuàng)，還是擴(kuò)大市場同其他同類品牌的競爭。

（2）搞清銷售使用地區(qū)的輪胎所處的工作環(huán)境和使用條件。包括車況、路況、氣溫、濕度、陽光和經(jīng)常接觸的器材物資等等。

（3）明確裝用汽車要求的負(fù)荷、氣壓、輪輞，以及允許的大小空間。如最大寬度、外緣尺寸、滾動半徑等。

（4）了解輪胎在汽車和路面上的使用實(shí)態(tài)。如內(nèi)壓的管理、路面狀態(tài)變化、操控水平和行駛速度、載荷大小以及超載、偏載的情況，還有輪胎的維護(hù)保養(yǎng)能力，等等。

（5）清楚使用的具體要求和期望。如性能的目標(biāo)值、成本限制、投產(chǎn)和交貨最短時間，以及同其他公司同類競爭品相比在市場上的優(yōu)勢。

（6）了解本公司企業(yè)其他相關(guān)輪胎產(chǎn)品的市場實(shí)際信息資料。如實(shí)際銷售量、市場占有率、使用滿意度、改進(jìn)意見和市場評價等，以之作為新品設(shè)計(jì)改進(jìn)的參考。

（7）洞悉其他企業(yè)同類輪胎產(chǎn)品的有關(guān)情況，如競爭品的性能、結(jié)構(gòu)、材料、實(shí)際使用情況、用戶的意見及滿意度，以及同類輪胎產(chǎn)品有無其他同時設(shè)計(jì)廠家、進(jìn)度及特點(diǎn)。

（8）測算設(shè)計(jì)品的市場接納力，同其他品牌競爭的優(yōu)勢地位。未來產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模數(shù)量，特別是贏利能力、持續(xù)生產(chǎn)時間。

（9）了解本企業(yè)現(xiàn)場工藝設(shè)備的適應(yīng)性能否完全滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)能否保證生產(chǎn)工藝的順暢操作，以及外購材料在質(zhì)和量上持續(xù)供應(yīng)的能力。

（10）研究能否保證輪胎完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、國際化的技術(shù)要求并符合當(dāng)?shù)氐氖褂脴?biāo)準(zhǔn)，以及是否有可能取得認(rèn)證證書。

只有將上述幾項(xiàng)條件進(jìn)行充分分析研究之后，認(rèn)為能在可行性和可回報性的基礎(chǔ)上全面達(dá)到上述要求，才可著手制訂輪胎具體的設(shè)計(jì)計(jì)劃，并立即會同生產(chǎn)技術(shù)部門、試驗(yàn)部門、材料采購部門、產(chǎn)品銷售部門聯(lián)手協(xié)調(diào)，開始著手設(shè)計(jì)的具體工作。

3.2 乘用輪胎設(shè)計(jì)依據(jù)

乘用輪胎系國際化的通用型產(chǎn)品，要求規(guī)格尺寸、重要參數(shù)必須同國際接軌，有互換性。因此，對輪胎的設(shè)計(jì)除了滿足國內(nèi)市場的要求之外，還要符合國際的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

（1）標(biāo)準(zhǔn)：輪胎方面的中國GВ國家標(biāo)準(zhǔn)、НGВ行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國際ISО標(biāo)準(zhǔn)。

（2）規(guī)范：中國ССС輪胎規(guī)范手冊，美國ТRА輪胎規(guī)范手冊，歐盟ЕТRТО輪胎規(guī)范手冊，日本JАТМА輪胎規(guī)范手冊。

（3）樣本：有關(guān)生產(chǎn)廠家的汽車性能樣本，國內(nèi)外同類輪胎及同輪胎相關(guān)的樣本。

（4）協(xié)議、合同：上級部門下達(dá)的設(shè)計(jì)計(jì)劃、性能指標(biāo)規(guī)定或同客戶簽署的協(xié)議、合同文件。

3.3 乘用輪胎基本參數(shù)確定

乘用輪胎的基本參數(shù)包括負(fù)荷、氣壓、斷面寬度、外緣尺寸、滾動半徑以及強(qiáng)度和安全系數(shù)，都是依據(jù)選定輪輞使用條件、要求壽命和材料的特性等來計(jì)算的。對上述參數(shù)，目前主要還是以計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行最后確定。

3.3.1 負(fù)荷與氣壓

（1）海爾實(shí)驗(yàn)近似公式

它是在上世紀(jì)30年代后期，由美國的海爾通過對輪胎的多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)而提出的輪胎負(fù)荷與氣壓計(jì)算的近似公式，并以此決定輪胎的結(jié)構(gòu)。

式中：W為負(fù)荷（kg）；P為氣壓（kg/сm2）；DR為輪輞直徑（сm）；Sd為輪胎寬度（сm）。其中，Sd和輪輞寬度W1的關(guān)系式為：

海爾公式因只適用于斜交結(jié)構(gòu)的乘用輪胎，且對負(fù)荷與氣壓的增加以及負(fù)荷與輪輞寬度的認(rèn)知存在誤區(qū)，現(xiàn)已很少采用。

（2）ТRА負(fù)荷氣壓公式

至上世紀(jì)50年代，美國輪胎輪輞協(xié)會（ТR?。┨岢隽素?fù)荷氣壓計(jì)算的推薦公式，被稱為ТRА公式，實(shí)際上是對海爾公式的修正。其對輪胎的通用計(jì)算式為：

式中：W為負(fù)荷（lb，1 lb=0.453 kg）；P為氣壓（lb/in2，1 lb/in2=6.89 kРа）；Sd為輪胎寬度（in,1 in=2.54 сm）；DR為輪輞直徑（in）；A、K為系數(shù)。

對乘用輪胎來說，K=0.465，A=0.90～0.95。

此后，ТRА公式得到歐、日等許多國家和地區(qū)的認(rèn)同，并將其改為公制。

中國：

日本：

式中：W為負(fù)荷（kg）；P為氣壓[kРа（中國）或kg/сm2（日本）]；Sd為輪胎斷面寬度[сm（中國）或mm（日本）]；DR為輪輞直徑[сm（中國）或mm（日本）]；K為負(fù)荷系數(shù)，視車型、速度、使用條件而異，一般經(jīng)濟(jì)型轎車輪胎選用1.65～1.75（中國）和1.20～1.30（日本）。

近些年來，隨著乘用輪胎子午化和扁平化的發(fā)展，特別是扁平化由82-70系列、60-40系列進(jìn)一步低到30-20系列，因此，對系數(shù)A又進(jìn)行了調(diào)整，系數(shù)K也相應(yīng)加大到1.75～1.85（中國）或1.35～1.45（日本）。

（3）鄭正仁負(fù)荷氣壓公式

上世紀(jì)70年代，我國北京橡膠工業(yè)研究院鄭正仁教授級工程師，經(jīng)過多次分析驗(yàn)算，對ТRА輪胎負(fù)荷計(jì)算式又進(jìn)一步作了修正，演變?yōu)椋?/p>

式中：Q為負(fù)荷（kg）；P為氣壓（kРа）；BТ為輪胎斷面（сm）；DТ為輪胎外直徑（сm）；K為負(fù)荷系數(shù)，X、Y、Z為指數(shù)常數(shù)。

用于轎車子午線輪胎時，公式則演變?yōu)椋?/p>

系數(shù)K視輪胎扁平比大小，在0.036 50～0.005 05范圍內(nèi)。例如：

88系列 K=0.494 0

80系列 K=0.046 5

70系列 K=0.042 5

60系列 K=0.040 2

50系列 K=0.039 5

3.3.2 負(fù)荷與寬度及下沉量

上世紀(jì)50年代，在美國提出了ТRА計(jì)算公式之后，前蘇聯(lián)輪胎工業(yè)科學(xué)研究院彼捷爾曼工程師也提出了負(fù)荷寬度的輪胎計(jì)算公式：

他認(rèn)為輪胎幾何學(xué)的變形，在同一氣壓和同一下沉量的情況下，負(fù)荷（Q）與輪胎斷面寬度（B）的自乘成正比，K為負(fù)荷系數(shù)。

此外，利用負(fù)荷、氣壓和下沉量的相互關(guān)系，還可以解析輪胎的其他尺寸參數(shù)，如可修正得到：

Q/GB2以變形f/B和P/G表示，其他變數(shù)則以C1G、BC2和P0/G值表示。彼捷爾曼公式是以載重輪胎為對象研究發(fā)表的，用于乘用輪胎則是部分適用，還有不少有待商榷之處。

3.3.3 爆破強(qiáng)度與安全率

對乘用輪胎的爆破強(qiáng)度及安全倍數(shù)的計(jì)算，一般皆是將輪胎視為壓力容器的方法來進(jìn)行。輪胎的爆破壓力，通常按下式算出：

式中：P為氣壓（kРа）；S為安全率，對乘用輪胎一般選用10～13倍，特殊的可達(dá)15倍以上。

3.4 乘用輪胎輪廓形狀設(shè)計(jì)

乘用輪胎的外形尺寸在國際標(biāo)準(zhǔn)中皆已完全固定下來，設(shè)計(jì)時必須嚴(yán)格遵守。但在結(jié)構(gòu)和性能方面，生產(chǎn)企業(yè)可以充分發(fā)揮自主能量，設(shè)計(jì)出具有自己風(fēng)格和特性的輪胎。目前，世界上已創(chuàng)立了不少有關(guān)這一方面的理論、專利和技術(shù)訣竅。

3.4.1 輪胎自然形狀

（1）斜交輪胎的自然形狀

乘用輪胎在充氣狀態(tài)下的形狀，向來以霍而博茨的自然形狀平衡理論式加以表示。由于其計(jì)算結(jié)果同實(shí)際狀況頗為相似，故多年來一直被廣泛采用。詳見公式（12）和圖8。

利用公式（12）計(jì)算的形狀，主要決定于胎冠中心的簾線角度α0，同簾線的力學(xué)性能毫無關(guān)系。因此，這只能適用于斜交輪胎，胎側(cè)與胎冠的剛性不能隨意調(diào)整。增強(qiáng)簾線維持輪胎的強(qiáng)度，簾線張力以公式（13）表示。

式中：n為單位寬度上的簾線根數(shù)，w為簾線層數(shù)，t為張力（表示胎冠中心部位的最大值）。依此，根據(jù)安全率的要求決定簾線參數(shù)、單位寬度上的簾線根數(shù)和簾線層數(shù)。

圖8 輪胎形狀理論

圖9 子午胎的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要素

（2）子午線輪胎的自然形狀

子午線輪胎的簾線排列狀況同斜交胎截然不同，呈放射形展開狀，即呈α0=90°的形狀，俗稱子午線的方向。在胎冠部箍以剛性高的帶束層，以限制子午線的形狀變化。但胎側(cè)的形狀可以隨意改變和調(diào)整，即胎側(cè)和胎冠的剛性皆可自由調(diào)節(jié)，因而對其可以分別設(shè)計(jì)。由于子午胎簾線排列角度為90°，故公式（12）和（13）可以簡化為（14）和（15）。

在公式（15）中，如以簾線的破壞強(qiáng)力為t0，則可由式（11）導(dǎo)出輪胎爆破強(qiáng)度和安全率，詳見公式（16）和（17）。

3.4.2 輪胎外徑、斷面寬、靜負(fù)荷半徑

輪胎外徑、斷面寬在ISО（國際標(biāo)準(zhǔn)）中均有明確的規(guī)定，可是在實(shí)際執(zhí)行時還必須滿足輪胎使用地區(qū)（或國家）制訂的各種標(biāo)準(zhǔn)條件。例如，在美國除ТRА規(guī)范外，還有FМVSS 139；歐盟除ЕТRТО規(guī)范外，也有ЕСЕ Nо.30；日本除JАТМА規(guī)范外，更重要的是JIS標(biāo)準(zhǔn)。在我國也是同樣，輪胎要完全符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中規(guī)定的要求和內(nèi)容。在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)，根據(jù)生產(chǎn)時可能出現(xiàn)的不均一偏差程度，選擇自定的上、中、下限的數(shù)值。只有這樣，才能滿足汽車對輪胎的制約條件，保證輪胎主要尺寸和性能達(dá)到互換性的要求。

現(xiàn)今，統(tǒng)一規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸項(xiàng)目主要為外直徑和斷面寬度，并以統(tǒng)一規(guī)定的稱呼和規(guī)格予以顯示。例如，乘用輪胎215/60 R 16 95Н。即，輪胎斷面寬為215 mm（公稱尺寸），扁平比為60系列（公稱尺寸），R表示結(jié)構(gòu)為子午線，輪輞直徑為16 in，輪胎負(fù)荷指數(shù)L1值為95，相當(dāng)于690 kg，滾動速度等級為Н，亦即最高滾動速度可達(dá)210 km/h。為此，在設(shè)計(jì)方案上具體尺寸為：斷面寬221 mm，外直徑664 mm，靜負(fù)荷半徑304 mm（參考），使用輪輞寬度為6.50英寸。靜負(fù)荷半徑下輪胎氣壓及對應(yīng)的負(fù)荷能力為：氣壓200 kРа時，負(fù)荷能力為620 kg（下同），210 kРа（640 kg）；220 kРа(655 kg)；230 kРа（675 kg）；240 kРа（690 kg）。這樣，把氣壓負(fù)荷劃分為5檔。FМVS5要求標(biāo)明推薦的及最大允許氣壓負(fù)荷和結(jié)構(gòu)材質(zhì)，ЕСЕ需注明滿足標(biāo)準(zhǔn)的證明及認(rèn)可編號。

3.4.3 輪胎胎面寬度、胎冠弧度、胎側(cè)弧度

胎面寬度對輪胎性能的影響很大。一般來講，隨著胎面寬度的增加，接地面積會相應(yīng)增大，從而使操控穩(wěn)定性和輪胎使用壽命會有一定的提高。然而，胎面寬度對輪胎外觀也會產(chǎn)生很大的影響。因此，有的汽車對超扁平的輪胎（40～20系列）多有限制。

一般說來，胎冠（R）隨著其弧度的增大，也會造成接地面積增大，使操控穩(wěn)定性得到提高。同時，因帶束層端部變形的減小，從而使輪胎省燃料性能得到改善和提高。然而，胎冠弧度增大會對偏磨耗性能產(chǎn)生較大影響，所以為使其同路面接觸的踏地面內(nèi)的接地壓分布均勻，大多把它設(shè)計(jì)成2個以上胎冠R的復(fù)合曲線輪廓。

胎側(cè)R1和R2是為調(diào)節(jié)胎體與帶束層張力分布的一種設(shè)計(jì)手段。一般來講，隨著胎側(cè)R的增大，可使操控性能得到提高。近些年來，由于電腦的普及應(yīng)用，現(xiàn)已大量使用電腦計(jì)算胎體和帶束層中的張力分布，并可根據(jù)性能目標(biāo)要求很容易地設(shè)計(jì)出操控穩(wěn)定性意向好的形狀，振動舒適性意向高的外形，從而實(shí)現(xiàn)使胎側(cè)呈最佳形狀的目的（詳見圖10）。

圖10 輪胎斷面形狀名稱

圖11 輪胎胎圈形狀

3.4.4 輪胎胎圈形狀

對于胎圈形狀的設(shè)定，要考慮兩大因素。一方面要同輪輞相匹配，易于裝卸；另一方面還要保證輪胎在滾動時，尤其是在回避緊急危險的小半徑轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)的情況下，輪胎不得在輪輞上移位、脫落。輪胎與輪輞的配合須松緊適度，形成一體化的組合整件。

乘用輪胎選用的輪輞為深槽式，一般分為深槽輪輞（DС）、深槽寬輪輞（WDС）和15°傾斜深槽輪輞（15°WDС）三種形狀（詳見圖12）。

圖12 深槽輪輞種類

輪輞規(guī)格的表示方法同輪胎不同，它是以輪輞寬度和輪輞的輪廓形狀來決定的（詳見表7）。以前乘用輪胎常用DС輪輞，而后大都改為WDС輪輞。如今，由于輪胎結(jié)構(gòu)已全部實(shí)現(xiàn)子午化、無內(nèi)胎化和扁平化，因此，輪輞也全部采用適合于無內(nèi)胎化和扁平化的15°傾斜寬深槽輪輞。對胎底與輪輞底座接觸的部分，除保證嚴(yán)格的公差之外，輪胎還要具有兩個不同的角度，以保接觸的牢固性和氣密性，其形狀如圖13如示。

表7 輪輞主要尺寸

圖13 乘用輪胎胎腳傾斜角度

不同轎車輪胎及與之相匹配的輪輞和主要尺寸參數(shù)，詳見表8。

近年來，為使輪胎胎圈部能在輪輞的圓周上達(dá)到均一吻合的目的，已開始將胎圈部的背面制成凹陷的形狀，使之進(jìn)一步提高汽車的直進(jìn)穩(wěn)定性和改善乘坐的振動舒適性。

3.4.5 輪胎胎側(cè)標(biāo)識

輪胎胎側(cè)外表面的標(biāo)識設(shè)計(jì)也十分重要，它有3個作用。一，標(biāo)注輪胎的特點(diǎn)、使用說明以及注意事項(xiàng)；二，增加輪胎的美觀和藝術(shù)性；三，增多各部位的大小排氣線，防止輪胎產(chǎn)生外觀缺陷（重皮、裂口、缺肉）。

表8 輪胎與輪輞匹配及主要尺寸參數(shù)

規(guī)定統(tǒng)一標(biāo)識的內(nèi)容有，輪胎稱呼、尺寸規(guī)格、生產(chǎn)廠家名稱、品牌、商品名、產(chǎn)地、制造日期（年、周）、生產(chǎn)批次、序號等。從結(jié)構(gòu)材料上分，有半鋼、全鋼、無內(nèi)胎（ТL），聚酯和尼龍纖維五種。另外，還有出廠合格標(biāo)印、符合國家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)志、國家指定認(rèn)證機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)號碼。出口輪胎還要有目的地國家標(biāo)準(zhǔn)的市場準(zhǔn)入證號，如美國DОТ、歐盟ЕСЕ的指定代號。最近，又新增了節(jié)能環(huán)保的輪胎綠色標(biāo)識。

至于輪胎性能，美國的FМVSS也作了如下若干規(guī)定：

① 磨損限定標(biāo)記，即具有可由肉眼觀察即能判定的磨耗程度所限定的胎面溝內(nèi)的突起物，或胎側(cè)肩部的最低磨耗線。

② 尺寸允許范圍，包括氣壓負(fù)荷大小。

③ 輪胎強(qiáng)度，即輪胎在突起障礙物上穿越時的穿刺試驗(yàn)強(qiáng)度，規(guī)定輪胎所必須具有的最小破壞能。

④ 脫圈，即輪胎從輪輞上脫落，規(guī)定試驗(yàn)時的最小抵抗性。

⑤ 耐久性，即采用轉(zhuǎn)鼓輪胎試驗(yàn)機(jī)確認(rèn)在規(guī)定速度下，分區(qū)段增加負(fù)荷，有無故障的發(fā)生。

⑥ 高速耐久性，即用輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)確認(rèn)在規(guī)定負(fù)荷下，速度分區(qū)段上升，有無故障的出現(xiàn)。

⑦ 低氣壓高速耐久性，即在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)上，給輪胎賦予低的氣壓，以規(guī)定的負(fù)荷和速度滾動時，有無故障產(chǎn)生。

ЕСЕ和JАТМА對上述性能項(xiàng)目，只規(guī)定①的磨損限定和⑥的高速耐久性。

還有的在胎側(cè)與胎圈的中間，設(shè)置一突起的凸棱塊，以防止輪胎在刮碰其他物體時直接損傷胎側(cè)，影響簾線的性能。有的在胎冠上標(biāo)有五顏六色的各種順向標(biāo)志線，它從一個側(cè)面向客戶顯示輪胎是否已裝用過，胎冠的位置是否在中心，輪胎制造中的合?？谑欠裾_，防止生產(chǎn)時間和批次不同以及相似規(guī)格輪胎被弄混的標(biāo)識。這些內(nèi)容對形狀設(shè)計(jì)也頗為有用。

近年來，由于輪胎胎側(cè)標(biāo)識的項(xiàng)目和內(nèi)容越來越多，標(biāo)識位置、字體大小和表示形式都不固定，使標(biāo)識出現(xiàn)了異常混亂和復(fù)雜的現(xiàn)象，已影響到輪胎表面的整潔、美觀。不僅給輪胎經(jīng)營者和用戶選胎造成了很大困難，而且更給生產(chǎn)制造部門帶來了許多麻煩。造成模具制造費(fèi)用提高，生產(chǎn)使用次數(shù)減少，清模次數(shù)增多。同時，更換生產(chǎn)年月和批次等標(biāo)識時還要中斷生產(chǎn)運(yùn)行流程。因而，現(xiàn)今持相反意見的人逐漸增加，又出現(xiàn)簡單化的傾向。他們認(rèn)為，除必須強(qiáng)調(diào)標(biāo)識的項(xiàng)目外，其他內(nèi)容應(yīng)放在輪胎附帶的說明書內(nèi)。根據(jù)輪胎的特點(diǎn)，在生產(chǎn)使用方面，目前要強(qiáng)制的標(biāo)識至少有下面幾項(xiàng)：

①商品名和特性，結(jié)構(gòu)和材料，如RАDIАL、ТUВЕLЕSS、RАYОN、NYLОN、РОLYЕSТЕR等。

② 輪胎規(guī)格和稱呼，如245/40R 17 83W。

③ 用途：如冬季用、雪地或МТS，運(yùn)輸用、特制增強(qiáng)或ХL等。

④ 認(rèn)證代號：DОТ、ЕСЕ、ССС等。

3.5 乘用輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)于輪胎結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算，應(yīng)按照壓力容器的要求，對胎體、帶束層和胎圈部破壞后，必須選取能保證“安全”的數(shù)值。以乘用輪胎為例，充氣壓對比的安全率（破壞壓/充氣壓力）應(yīng)在5～6倍以上。然而，實(shí)際上作為商品使用的乘用輪胎的使用條件是不固定的。不僅載荷和速度不同，而且性能目標(biāo)項(xiàng)目也不完全一樣，與此同時還有銷售使用地區(qū)環(huán)境上的差異（氣候、路面、車型、新舊程度、使用方法）。因此，對輪胎胎體部要進(jìn)行成倍的增強(qiáng)（增加層數(shù)，采用高強(qiáng)度簾線等），帶束層和胎圈部也要隨之以增強(qiáng)層加以強(qiáng)化。特別是為避免爆胎現(xiàn)象的出現(xiàn)，乘用輪胎的整體安全系數(shù)現(xiàn)已普遍升至10～13倍，有特殊要求的已達(dá)15倍以上。輪胎中各部位的結(jié)構(gòu)都應(yīng)以此為準(zhǔn)，加以配置和設(shè)定。

3.5.1 胎體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

乘用輪胎結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度完全是靠簾線來保證的。目前，可用于輪胎簾線的纖維材料已近10種之多，大體上可分為化學(xué)纖維的粘膠強(qiáng)力人造絲，合成纖維中的尼龍、聚酯、芳綸以及無機(jī)非金屬范疇的玻璃纖維、碳纖維和金屬的高碳鋼絲等。它們作為輪胎簾線單絲的性能詳見表9。

從簾線單絲的綜合性能上考慮，目前乘用輪胎主要使用有機(jī)化纖簾線。普通經(jīng)濟(jì)型轎車輪胎簾線采用尼龍，豪華型的則采用尼龍66和聚酯，超豪華型輪胎簾線則采用人造絲和聚酯РЕN。高性能和超高性能輪胎簾線以聚酯、尼龍66和人造絲為主流。鋼絲簾線雖有更高的強(qiáng)力，在輪胎發(fā)展的初期也曾使用過，但由于存在跳動和舒適性不佳等原因而一直未能持續(xù)使用。芳綸簾線具有同鋼絲相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，但疲勞強(qiáng)度不如其他化纖簾線，加之其價格等經(jīng)濟(jì)方面的因素，迄今仍未能大量使用。同樣，玻璃纖維和碳纖維簾線也多由于上述的某些原因，現(xiàn)已無人使用。

乘用輪胎的骨架結(jié)構(gòu)一般為1～3層，因而化纖簾線的單根強(qiáng)力指標(biāo)多選200N左右的品種。簾線由2股線捻成，并且要注意控制斷裂伸長、彈性模量、熱收縮率、靜蠕變和耐疲勞性等性能參數(shù)。乘用輪胎胎體常用化纖簾線的規(guī)格和性能，詳見表10。

表9 各種輪胎簾線單絲的性能

表10 乘用子午胎常用化纖簾線（胎體部分）性能指標(biāo)

半個多世紀(jì)以來，乘用子午胎用骨架材料經(jīng)過人造絲、尼龍6、聚酯、尼龍66和聚酯РЕN的幾個發(fā)展歷程，現(xiàn)已進(jìn)入到多元化的時代，由此輪胎的實(shí)際使用壽命和耐久性延長了2～3倍。人造絲從一發(fā)展到二、三、四超，強(qiáng)度比棉纖維提高了1～3倍。尼龍強(qiáng)度比人造絲又提高了1倍，不僅重量減輕，而且耐久性大幅提高，改性的尼龍66比尼龍6的彈性模量和熱穩(wěn)定性又有了改善和提高。聚酯的強(qiáng)度雖然不如尼龍，但前者熱穩(wěn)定性好、彈性模量高，且解決了尼龍輪胎扁點(diǎn)的缺陷，使輪胎均一性能得到很大程度的改善，使用改性的聚酯РЕN又使之進(jìn)一步提高。一度幾乎被淘汰的人造絲，由于其熱粘性好和具有很高的彈性模量，在困擾其發(fā)展的環(huán)保、資源和價格問題相繼得到解決之后，現(xiàn)又重新被用到高性能和超高性能輪胎上，特別是250 km/h規(guī)格以上的高速乘用輪胎。

目前，三大化纖簾線以各自不同的特點(diǎn)，在相互共存中各自得到發(fā)展。為了適應(yīng)乘用輪胎的輕量化（單層化）、高強(qiáng)度化和高速化發(fā)展的趨勢，簾線的強(qiáng)力已由原來的200N系列提高到300N。例如，聚酯1100 dtех/3、1670 dtех/2到1440 dtех/3；尼龍61400 dtех/2，1870 dtех/2到2100 dtех/2；人造絲由1840 dtех/2到1840 dtех/3。近年來，更出現(xiàn)了聚酯或尼龍同芳綸合捻的復(fù)合簾線。例如，1100 dtех/2強(qiáng)力已能達(dá)到340 N，比聚酯1670 dtех/3還高10%以上。至于芳綸1670 dtех/2和1670 dtех/3，其強(qiáng)力則為普通聚酯和尼龍的2到3倍，僅用1層即可完全滿足胎體強(qiáng)度的要求，即便是加強(qiáng)型輪胎也綽綽有余。預(yù)計(jì)不久的將來，聚酯РЕN、碳纖維、芳綸復(fù)合簾線有可能部分取代現(xiàn)有三大化纖，成為乘用子午胎簾線的新寵。

胎體簾線張力可用有限元法計(jì)算求得，圖14為185/70 SR 14輪胎充氣及負(fù)荷狀態(tài)下，胎體張力的變化情況。

從圖14可以看出，輪胎充氣時，簾線的張力在旁側(cè)部幾乎是一致的，呈現(xiàn)接近自然的形狀；而在冠部由于帶束層承受著充氣壓力，因而簾線層內(nèi)的張力變小了。負(fù)荷狀態(tài)下輪胎變形時，胎側(cè)部的曲率半徑減小；胎圈部的胎側(cè)曲率方向則相反，它沿著輪輞方向彎曲變形。因此，承受負(fù)荷的輪胎，視同薄膜的側(cè)部張力t同曲率半徑r的比例一定，簾線張力也小，與承受負(fù)荷的氣球 呈同樣的狀態(tài)。另一方面，在胎圈部靠近輪輞之處，由于胎壁厚的緣故，在彎曲外側(cè)的簾線張力增大。因此，就胎體用的簾線而言，最為重要的性能指標(biāo)除了強(qiáng)力之外，首先是耐彎曲性和耐多次彎曲的疲勞性，加之變形過程中的尺寸保持性。各種簾線的優(yōu)劣對比情況如下：

強(qiáng)度 芳綸＞尼龍＞聚酯＞人造絲

耐彎曲疲勞性 尼龍＞聚酯＞人造絲＞芳綸

尺寸保持性 芳綸＞人造絲＞聚酯＞尼龍

價格低廉 尼龍＞聚酯＞人造絲＞芳綸

圖14 乘用子午胎185/70SR 14胎體簾線張力變化情況

3.5.2 帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）帶束層張力

輪胎帶束層的強(qiáng)力變化，遠(yuǎn)比胎體復(fù)雜得多。輪胎充氣之后，其外形會發(fā)生輕微的膨脹，外徑也隨之增大，因而在帶束層的冠部中心出現(xiàn)最大的張力，兩端側(cè)面則略微減小，見圖15所示例中的點(diǎn)線。

其次，輪胎踏面部不僅在周圍方向帶有曲率，而且在為使胎面被均勻磨耗而制成弧形的斷面方向上也同樣持有曲率。因此，如圖16所示，將兩者合在一起的帶束層也持有雙重曲率的形狀。

帶束層雖然剛性非常高，但仍有彈性，故而在兩端部附近的肩部要伸張，并因中心部被壓縮而產(chǎn)生肩部伸張緩慢這一變形。在負(fù)荷狀態(tài)下可見到如圖15上所示的點(diǎn)線張力。

在肩部彎曲處，如受到橫向力作用時，則帶束層在接觸地面的橫向上也會發(fā)生變位，面內(nèi)產(chǎn)生曲率變形，即曲率向外側(cè)伸張；而在內(nèi)側(cè)則出現(xiàn)壓縮變形，如圖15所示的實(shí)線張力。因?yàn)楹熅€承受的張力把這些力加和在一起，所以肩部彎曲處的張力將變得相當(dāng)大。不過，由于簾線尾端部并不承擔(dān)張力，因而出現(xiàn)帶束層端部附近張力低下的情況（見圖15）。

圖15 帶束層簾線分布情況

圖16 帶束層形狀與展平狀態(tài)時的伸縮狀態(tài)

（2）帶束層組成和配置變形

乘用子午胎的帶束層一般由2層斜交簾線平行構(gòu)成，簾線圓周方向呈10～20°角度相互交叉排列，疊合在一起，其圓周方向的拉伸變形的形式詳見圖17所示。

方向相反的2層帶束層如圖17中（а）（b）所示，簾線角度不變并向點(diǎn)線處伸張。2層相疊的（с）在中心線上的簾線交點(diǎn)處不移動，只是在端點(diǎn)處有少許移動。從（d）的橫斷面來看，帶束層中的橡膠發(fā)生了剪切變形。因此，當(dāng)輪胎膨脹時，帶束層也一起隨之伸張，并且隨著氣壓的增高而增大，這樣，層間橡膠的剪切變形更大，尤其是帶束端頭之處尤為明顯。每當(dāng)輪胎滾動一周，就要反復(fù)發(fā)生一次動變形，從而成為疲勞破壞的原由。所以說，帶束層的配置十分重要。

圖17 帶束層變形與層間剪切變形

帶束層的結(jié)構(gòu)配置是根據(jù)輪胎所要求的安全率和商品的目標(biāo)性能來確定的。2層帶束簾線的排列角度和寬度各異的，帶束層的總寬度（簾線交錯層寬）通常設(shè)定為胎面接地寬的90%～105%。對于高性能、超高性能輪胎以及加強(qiáng)型（ХL）乘用輪胎，在設(shè)計(jì)上還要添加1到2層增強(qiáng)簾線，使之分布于帶束層之上或端部兩側(cè)，其角度略大于帶束簾線，一般在8～13°之間。帶有增強(qiáng)層的帶束層結(jié)構(gòu)配置的代表性實(shí)例可見圖18所示。

近年來，超扁平型、超高速度區(qū)段使用的乘用輪胎，為了加強(qiáng)帶束層對胎體的箍緊力量，采用零度角的帶束增強(qiáng)層日益增多。它們大多系由單根簾線纏繞而成的無接頭帶條，強(qiáng)度分布十分均勻。有的為半增強(qiáng)式，有的為全增強(qiáng)式。

圖18 增強(qiáng)型帶束層結(jié)構(gòu)配置

（3）帶束層材質(zhì)

乘用輪胎的帶束層材料，早年全部為3層鋼簾線，稱為全鋼絲子午胎。而后變更為化纖簾線，主要以聚酯和尼龍為主，因此，又稱之為全纖維子午胎。上世紀(jì)70年代之后，為增強(qiáng)對胎體箍緊的效果，已逐步改為2層鋼簾線+纖維增強(qiáng)層，使乘用輪胎成為半鋼子午胎的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)輪胎大小和強(qiáng)度要求，主流是使用單捻強(qiáng)力為400～800N的鋼簾線，如2（0.30）、3(0.3)、5（0.3）、2+1（0.25～0.30）、2+2（0.25～0.30）等。高性能輪胎則用強(qiáng)力更大，柔軟性更高的層捻簾線，如3×3（0.15）、3×4(0.15)、2（0.18）+8(0.16)、3（0.20）+6(0.38)、3×7（0.20）等。材質(zhì)以前為NТ（標(biāo)準(zhǔn)）型的，現(xiàn)已大多改為НТ（高強(qiáng)力）型；對運(yùn)動型以及有特殊要求的輪胎還使用НI（高沖擊）和НЕ（高伸長）型鋼簾線。乘用輪胎帶束層常用的簾線結(jié)構(gòu)、強(qiáng)力及類型，詳見表10。

表11 乘用輪胎帶束層用鋼簾線結(jié)構(gòu)、強(qiáng)力及類型

（續(xù)前表）

為減輕輪胎重量，強(qiáng)度同鋼絲相當(dāng)、而重量只有其1/5的芳綸簾線，隨著產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大和價格的大幅下降，而今已成了取代鋼絲的替代品，使用量正在逐步增大。芳綸簾線與鋼簾線的性能對比見表11。

表12 芳綸簾線與鋼簾線性能之對比（帶束層用）

上世紀(jì)60～70年代玻璃纖維作為纖維子午胎的帶束層曾經(jīng)大量使用過，但因耐疲勞性和粘著性不好，現(xiàn)已退出歷史舞臺。而同樣屬于無機(jī)纖維系列的碳纖維，則將成為很有希望的高性能骨架材料。至于帶束層上的增強(qiáng)層，目前多為尼龍或芳綸簾線，可以胎體用的化纖簾線取代。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，主要使用強(qiáng)力低一級的粗度小的簾線，例如尼龍930 dtех/2(137 N)，芳綸1100 dtех/2(340 N)。

3.5.3 胎圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胎圈部的結(jié)構(gòu)，幾乎處于同帶束層同等重要的地位，它由鋼圈、三角填充橡膠，被胎體連結(jié)鋼圈反包的簾線以及增強(qiáng)簾線所組成，成為子午胎又一個可承受張力變化的部件。當(dāng)輪胎充氣時，胎體簾線所承受的張力，一方面向胎側(cè)上部的帶束層方向伸張，另一方面又折向胎側(cè)下端的胎圈部施壓。這樣，靠近輪輞的簾線層間的橡膠便產(chǎn)生剪切伸張和移位變形。在增加負(fù)荷時，胎圈部分會倒向輪輞，在胎圈三角填充膠處發(fā)生逆向變形，其張力作用情況，可詳見圖19。

乘用子午胎胎圈填充部中心部分的剪切變形可見圖20所示，它是隨著輪胎的滾動而變化的。為保持胎圈部的高剛性作用，填充部要設(shè)計(jì)成比胎側(cè)中部厚約1倍以上的厚度。所以，這一部分的動剪切變形對輪胎滾動阻力會產(chǎn)生很大影響。圖20中θ=±180°的值，相當(dāng)于充氣時的變形，同載重輪胎一樣，氣壓越高，其值也越大。這種剪切變形由于橡膠與簾線的剛性不同的階差，而經(jīng)常集中在簾線的端部，因而形成產(chǎn)生故障的根源，其集中形態(tài)可用計(jì)算機(jī)計(jì)算出其負(fù)荷狀態(tài)下的結(jié)果，并繪制出同一變形的等高線圖。

圖19 胎圈部的形變及剪切應(yīng)力變形

圖20 乘用子午胎胎圈填充部的剪切變形

胎圈用鋼絲一般由20根左右、1 mm粗度鋼絲粘接在一起構(gòu)成。它同鋼簾線一樣，主要材質(zhì)為NТ或НТ級高碳鋼，拉拔鋼絲表面應(yīng)有鍍鋅層以增加同橡膠的粘著性，附著量為0.40～0.80 g/kg。鋼絲粗度和強(qiáng)力（括弧內(nèi)的數(shù)值）分為0.80 mm（920 N）、0.95 mm（1320 N）、1.00 mm（1432 N）到1.20 mm（2000 N），伸長率不小于5%，扭轉(zhuǎn)次數(shù)在25次以上。將多根鋼絲（16～36根）以纏繞方式制成圓形鋼圈，或用壓出方法排列成為方形鋼圈。它的上面有2種不同剛性、由三角填充膠組成的填充層，根據(jù)輪胎的規(guī)格設(shè)定它的高度，頂端位置應(yīng)在輪輞邊緣之上、輪胎水平軸中心線以下。對于高速滾動的高性能輪胎來說，為了能控制胎側(cè)部出現(xiàn)的駐波，確保子午胎的高速耐久性，同時還要提升操控的響應(yīng)性，以及轉(zhuǎn)向時的極限操控穩(wěn)定性。此外，還需增設(shè)可強(qiáng)化胎圈的增強(qiáng)層，使之置于鋼絲圈和三角填充膠條的內(nèi)外側(cè)，以提高胎側(cè)整體部位的剛性。為此，從胎圈到胎側(cè)部的過渡曲線一定要保持平穩(wěn)，防止階差不均，形成應(yīng)力集中。這是高性能和超高性能輪胎設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)之一，其實(shí)施例可詳見圖21所示。

圖21 乘用子午胎胎圈部結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)方式

胎圈增強(qiáng)層的簾線大多與帶束增強(qiáng)層相同，也可以同胎體、帶束簾線共用。另外，胎圈的增強(qiáng)層還可同輪輞直接接觸。處于胎底部的子口增強(qiáng)膠片和子口增強(qiáng)膠布，前者為剛性大的耐磨橡膠，后者為尼龍細(xì)帆布或尼龍簾線膠布。它們的作用性質(zhì)雖同前面所述的增強(qiáng)層有所不同，但對于防止胎圈子口部位與輪輞接觸處的移動磨損至關(guān)重要，不可忽視。此外，胎體簾線對圍繞鋼圈和三角填充膠形成的大三角區(qū)的包覆結(jié)構(gòu)，也是影響胎圈性能的重要因素。視乘用子午胎要求的性質(zhì)，這種包覆結(jié)構(gòu)一般可分為：①高上包式；②上下包式；③全包式三種形式，詳見圖22。

圖22 胎體簾線在胎圈部位的上包形式

實(shí)際上，主要以高上包式為主流[（а）（b）]，對于注重剛性階差少、要求剛性平衡的，也可采用（с）和（d）的上下包式和全包式結(jié)構(gòu)。但不管那種結(jié)構(gòu)，簾線端點(diǎn)都要相互錯開，均勻一致，并且高過胎圈的三角填充區(qū)的頂端。

3.5.4 胎面花紋設(shè)計(jì)

（1）胎面及花紋功能

對乘用輪胎來說，其接地面積一般只有約200 сm2，要求接觸地面部分的胎面膠要耐磨耗、不滑動、變形小，如為無花紋的光面輪胎，胎面膠發(fā)生從接地外側(cè)中心變形的收縮力，從而制止滑移和變形并保持很強(qiáng)的抗磨損性能。正因如此，像某些工程輪胎、賽車輪胎迄今仍使用無花紋的光面輪胎，甚至高速沖擊（250～400 km/h）的飛機(jī)輪胎也僅有幾條排水導(dǎo)向的順向溝槽?？墒?，對于汽車輪胎說來，由于橡膠的抗?jié)窕阅芎懿?，在雨雪天、泥濘路和非鋪裝道上行駛時，在驅(qū)動和剎車狀態(tài)下，輪胎要發(fā)生打滑現(xiàn)象。胎面花紋即可有效解決這一問題。

乘用輪胎胎面膠表面刻制的花紋，在橡膠收縮變形時能使溝槽縮小，花紋塊向收縮吸收的方向變形，以達(dá)輪胎抗?jié)窕哪康?。?shí)際上，這種動變是很復(fù)雜的，由此而產(chǎn)生的滯后損失總和要變成為輪胎的滯后損失摩擦力，它比單一橡膠試片的摩擦力要高出很多。因此，賽車在晴天雖可用無花紋的光面輪胎，而一到雨天必須換上帶溝槽的花紋輪胎。乘用輪胎更不必說，由于一年四季無論晴雨汽車都要在路上行駛，而且速度很快，要求輪胎能順暢排水，所以只有花紋輪胎才能解決行駛的濕滑現(xiàn)象。輪胎花紋的設(shè)計(jì)樣式、美感程度、加工精度不僅對配套車型的檔次極為重要，同時也同市場銷售的輪胎品級價格直接聯(lián)系在一起。從這個意義上來講，胎面花紋已是一種工業(yè)和藝術(shù)的結(jié)合的產(chǎn)物。

目前，胎面花紋的開發(fā)設(shè)計(jì)已開始形成有專門部門和從事花紋設(shè)計(jì)的專家共同從事此項(xiàng)工作。一是先在專業(yè)部門預(yù)先制出多種多樣的備用輪胎花紋形式樣板；二是利用電腦測試其性能進(jìn)行優(yōu)選；三是交由輪胎企業(yè)的技術(shù)專家再制出花紋板貼在典型輪胎上，開始進(jìn)行實(shí)地性能測試；四是對性能結(jié)果和圖形送至銷售部門，向各地客戶征詢意見；五是綜合各部門、各地區(qū)、各類專業(yè)人員以及群眾的反饋結(jié)果組織修改完善之后，再正式以工業(yè)等藝術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)；六是加工制造模具，試制輪胎，而后再進(jìn)行一系列性能測定，直至交給客戶試用。此項(xiàng)設(shè)計(jì)在我國多歸入輪胎模具設(shè)計(jì)范疇。

（2）輪胎花紋類型

乘用輪胎的花紋是以瀝青混凝土路面為對象，針對各種天氣狀況下提高抗?jié)窕詾橹?，大體上可為順向、順向與橫向結(jié)合、塊狀、斜形、仿生足跡和不對稱等六類形態(tài)。最普遍的為前3種類型。順向花紋亦稱晴日花紋，胎面上布有3～4條順向?qū)捇潘畬?dǎo)向溝槽，周圍設(shè)置多樣的細(xì)縫刀槽。順向與橫向結(jié)合花紋又稱晴雨花紋，除順向花紋的溝槽之外，在胎面兩側(cè)還帶有淺基的疏水溝槽，呈定向不等距排列并配以多種細(xì)縫刀槽。塊狀花紋又有大塊與小塊之分，稱為雨雪花紋、雪地花紋、水浮花紋等，常形成相互分開隔離的各種形狀的花塊，并配以不定向的細(xì)縫刀槽，它們的外觀形態(tài)詳見圖23。

圖23 乘用輪胎花紋類型

（3）花紋設(shè)計(jì)要領(lǐng)

乘用輪胎花紋的第一要務(wù)是排除水濕路面上的雨水。因此，溝槽越深，排除的水量也越大，制動（剎車）力也越好。反之，則是排水困難，摩擦力下降，輪胎容易打滑。另外，隨著車速的加快，水的黏性增大，排出水的困難也增大。而在雨雪天，汽車一半以上的事故是來自輪胎打滑，所以對輪胎胎面膠上的溝槽深度設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。溝槽深度與速度和制動距離的關(guān)系詳見圖24。

這里，順向花紋是從周方向?qū)⑤喬ド系乃葡蚝蠓?，而在斷面方向還有橫向花紋將水排掉。因此，對它的角度設(shè)置要考慮在輪胎轉(zhuǎn)動時，如何達(dá)到最大的排水性。其中呈鋸齒狀的花紋能隔離邊緣處與路面接觸的水膜。而在花紋之間鑲?cè)氲募?xì)縫線（又稱刀槽），除可隔離來自路面的水膜之外，同時還可使花塊容易變形，起到使橡膠呈現(xiàn)滯后損失的作用（提高抓著力）。雖然花紋的面積和溝槽越深，輪胎的排水性能越好，但輪胎的磨耗壽命、干路面上的牽引力要變壞。另外，花紋溝槽的角度還應(yīng)不宜侵入和夾住石塊，且要易于清理和自行排掉。

圖24 乘用輪胎花紋溝深與剎車距離的關(guān)系

此外，花紋溝面積比率的增大會使輪胎雪路面上性能和水浮性能大大優(yōu)化，但又會導(dǎo)致花紋噪聲增加，靜音性能惡化。因此，在輪胎設(shè)計(jì)上，如何處理好花紋與磨耗、噪聲、掉塊的關(guān)系，權(quán)衡利弊，使之保持相互之間的平衡，或是采取其他方法補(bǔ)救，已是考驗(yàn)輪胎花紋設(shè)計(jì)者技巧的試金石。

（4）輪胎平滑路面上的噪音對策

一般來講，平滑路面的花紋溝面積比率要低，尤其是在同輪胎進(jìn)行方向交叉的肋溝要少。同時，如圖25所示，對帶有[·]印的肋溝不能同時接地，以使噪音達(dá)到最小程度。還有在考慮輪胎接地端形狀的同時，要配置好肋溝在輪胎周方向上的位置。通常，乘用輪胎是按2～5種不同長度花紋組合，組成為30～80組分布在輪胎的一個周方向上。它可用電腦設(shè)計(jì)出特定頻率不產(chǎn)生噪音的花紋組合配置方式，詳見圖25。

（5）輪胎水浮對策

對要求水浮性能的輪胎花紋，要使花紋溝面積增大，尤其是輪胎行進(jìn)方向的直溝要粗大，同時還應(yīng)使用電腦預(yù)測接地面內(nèi)的水的流動狀態(tài)。對高性能和超高性能輪胎應(yīng)設(shè)計(jì)排水效率好的方向性花紋，包括不對稱花紋。

圖25 肋溝最適參差配置位置

（6）輪胎防偏磨耗對策

解決輪胎偏磨耗的問題，要使接地面的整體及各個花塊的剛性不均一性盡可能地減小。尤其是胎肩花塊，由于容易在肋溝前后發(fā)生周方向階差，所以要下功夫使肋溝的溝壁達(dá)到適宜化的要求。

（7）輪胎雪上行駛對策

雪地輪胎的花紋溝面積比率要非常高，細(xì)縫刀槽的密度也要大。為考慮輪胎在濕干兩種路面上的行駛性能，花塊的剛性一定要大，達(dá)到最適的狀態(tài)，提高輪胎冰雪路面上的性能。

（8）輪胎花紋整體優(yōu)化對策

輪胎花紋設(shè)計(jì)不能單從抗?jié)窕蜖恳Ψ矫嬷?，同時還要考慮必須同胎面的主要設(shè)計(jì)尺寸，包括接地寬、彎曲變形、溝深和溝底厚度等相適應(yīng)，不然將會出現(xiàn)溝部裂口等一系列缺陷，影響輪胎性能。其優(yōu)選范圍為：

●胎面寬與輪胎斷面寬的比值，b/В=0.65～0.80；

●胎面弧高與輪胎斷面寬的比值，h/В=4～8；

●胎面溝底厚度為溝深的30%～50%；

●胎面花紋溝深，一般乘用輪胎為9～11 mm，小型為7～9 mm，大型為10～12 mm，運(yùn)動車和雪地輪胎相應(yīng)增加30%～40%；

●胎面花紋溝寬，一般為溝深的30%～80%，窄的可以小到0.5～2.0 mm，雪地輪胎的溝寬最大可達(dá)150%～300%；

●胎面花紋角度，傾斜度為0.5°～0.6°，雪地輪胎擴(kuò)大到15°～30°；

●花紋底溝弧度，要設(shè)計(jì)成保證不裂口、不龜裂的圓弧形。

總之，花紋的深度要同胎面各部的設(shè)計(jì)相互一致，達(dá)到平衡協(xié)調(diào)的效果。尤其應(yīng)注意的是，胎面及其花紋還對輪胎滾動阻力產(chǎn)生很大影響，因此，常對胎面要設(shè)計(jì)成2個以上的弧度。詳見圖26。

圖26 輪胎結(jié)構(gòu)對滾動阻力的影響程度

3.6 乘用輪胎材料設(shè)計(jì)

乘用輪胎是由以骨架為主的金屬、纖維材料和橡膠材料所構(gòu)成的高彈性滾動體。橡膠材料不僅構(gòu)成了柔性部分的胎面、胎側(cè)和內(nèi)襯層，對輪胎的性能壽命起著決定性的作用。

乘用輪胎各部位由于作用性能的不同，不僅要采取不同的配合，而且還要使用不同特性的橡膠，才能滿足輪胎的各種不同技術(shù)要求。因而，需選用10種以上不同種類的橡膠配方以適應(yīng)輪胎不同部件對橡膠的要求。

由于乘用輪胎系由多種不同橡膠與骨架材料組成的一個整體。如何解決橡膠與骨架材料的緊密黏著性，不同橡膠之間的相互共硫化性，輪胎各橡膠部件的剛?cè)岱植肌ㄉ鞈?yīng)力及硬度的匹配，輪胎整體最佳硫化時間及硫化平坦曲線的選定，也是輪胎材料設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

乘用輪胎用的橡膠部件一般皆在10種以上，其中，有不少部件還需由幾種不同橡膠配方和膠料復(fù)合而成。橡膠部件在輪胎上的分布配置情況詳見圖27。

3.6.1 胎面膠

胎面膠是唯一接觸地面的橡膠部件，其作用為將施加到輪胎上的驅(qū)動力、制動力、轉(zhuǎn)向力等各種的力傳遞至路面上。它要求胎面膠必須具有良好的耐磨耗性、耐裂口和掉塊性、抗?jié)窕砸约暗蜕鸁岷透呱嵝缘?。近年，提出了環(huán)保節(jié)能的低滾動阻力性和無噪聲性要求。這些性能，有的常常會出現(xiàn)相互矛盾的現(xiàn)象，為此，使之達(dá)到綜合平衡尤為重要。它對于乘用輪胎的運(yùn)動性能和使用壽命會產(chǎn)生很大影響，目前尚無法設(shè)計(jì)出完全滿足所有性能要求的橡膠配合材料。

圖27 輪胎各橡膠部件分布配置狀況

現(xiàn)今最主要的措施，就是根據(jù)輪胎的性能目標(biāo)分而治之，開發(fā)出各種性能不同的胎面膠。例如，抗磨耐久型的，高速低生熱型的，環(huán)保節(jié)能型的，以及兼顧各方的通用型等。對于大型豪華型的輪胎而言，還由幾塊不同膠料復(fù)合形成多功能胎面膠，如以胎冠膠+胎基膠+胎肩膠組成的三方四塊或四方五塊胎面膠。最常見的為二方三塊復(fù)合擠出的胎面膠。

胎面膠用的橡膠材料主要是以Е-SВR和充油Е-SВR為主，視需要可少量分別并用ВR（Ni-ВR、Со-ВR、Nd-ВR）、NR、IR以及反式NR、IR等合成和天然橡膠。近年，改用S-SВR，充油S-SВR和乙烯基ВR的現(xiàn)象日漸增多，甚至在高端乘用輪胎中已開始形成主流。對于行駛速度達(dá)到200 km/h和250 km/h的高性能和超高性能輪胎的胎面膠，要選用耐熱性好并在干濕路面上蠕變性高的橡膠配方。冬用和全天候乘用輪胎胎面，應(yīng)選擇耐寒性好，在低溫環(huán)境下仍能同路面充分接觸密著并能保持彈性的橡膠配方。

在胎面橡膠配方中添加的補(bǔ)強(qiáng)填充材料對橡膠材料性能的影響極大，且十分重要。該補(bǔ)強(qiáng)填充材料通常為НАF、ISАF、SАF一類的耐磨耗型炭黑，大多采取2～3種并用的方式以平衡各種性能。近年來，隨著集低滾動阻力、抗?jié)窕サ亓偷驮肼曈谝惑w的綠色節(jié)能環(huán)保輪胎的興起，白炭黑的應(yīng)用取得了突破性的發(fā)展，其用量直線上升，已占到炭黑量的一半以上，在有些豪華型輪胎中兩者的比例甚至已達(dá)到1:1的程度。它成功地解決了以前單一使用炭黑而產(chǎn)生的長期難以克服的“魔鬼三角”關(guān)系，達(dá)到了三者的兼顧平衡?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了一種炭黑與白炭黑物理復(fù)合和化學(xué)結(jié)合的復(fù)合填料，它是低滾動阻力及低滯后損失的新型炭黑，使胎面膠性能獲得了前所未有的改善。

3.6.2 胎側(cè)橡膠

胎側(cè)橡膠與胎面橡膠一樣都是包覆在輪胎外表面上的，不同的是前者位于輪胎胎側(cè)，處于完全外露的狀態(tài)。其主要作用是從外面保護(hù)輪胎免遭外來物的剮碰損傷，以及抑制外傷的擴(kuò)大發(fā)展。同時，它還要具有經(jīng)受多次反復(fù)彎曲變形的耐疲勞性和耐久性。尤其是在極端惡劣氣候環(huán)境下和陽光暴曬下，要具有極佳的耐天候老化、耐氧化和耐臭氧老化性。此外，還應(yīng)抵御雨水、酸堿化學(xué)藥品以及脂肪等油類的侵蝕。因此，高拉伸性、耐彎曲疲勞性和耐天候老化性是配合的重點(diǎn)。

胎側(cè)橡膠在配合上的特點(diǎn)是以“并用”的形式增強(qiáng)效果，通常采用SВR與ВR各50份并用，以防止胎側(cè)產(chǎn)生機(jī)械疲勞裂口。炭黑采用補(bǔ)強(qiáng)與半補(bǔ)強(qiáng)型各30份并用，在增強(qiáng)柔軟度的基礎(chǔ)上提高胎側(cè)的力學(xué)強(qiáng)度（如拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度）。硫化助劑采用低硫磺（1.5份）及兩種以上具有遲效性的促進(jìn)劑高量（1.5～2.0份）配合的方式，延長硫化平坦曲線的寬度，保持胎側(cè)平滑美觀、字體標(biāo)識清楚并防止外觀產(chǎn)生缺陷。防老劑則采用化學(xué)的抗氧劑和抗臭氧劑并用（各1.5份）、物理防老劑石蠟（1.0份）兩者相結(jié)合的形式，最大限度地改善防護(hù)效果。

3.6.3 帶束層橡膠

帶束層由鋼絲簾線組成，帶束層橡膠的作用是把多根鋼絲簾線均勻地固定在一起，要求有很好的粘著性。同時，由于它處于輪胎最里部的中心位置，承受的應(yīng)力最大，其兩端會反復(fù)受到剪切變形，內(nèi)部溫度可達(dá)90～110 ℃，因此，帶束層橡膠還要具有很好的耐熱性和抗熱疲勞變形性。它的關(guān)鍵是胎面與胎體保持高度粘合且不能產(chǎn)生形變，尤其是兩端的斷層階梯部位，是最薄弱的環(huán)節(jié)，最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。又因?yàn)殇摻z簾線斷裂處裸露著未鍍銅的切斷面，往往在使用過程中會出現(xiàn)由熱和變形產(chǎn)生的脫層，為此，還應(yīng)貼合粘著性和緩沖性更好的帶束緩沖橡膠。

帶束層橡膠最好采用NR，亦可采用少量SВR、ВR并用的方式。為保持高度的粘著性，除了要求鋼絲簾線必須有良好的黃銅（Сu與Zn之比為60:30）鍍層之外，橡膠配方應(yīng)采用高硫磺（4～5份）與遲效促進(jìn)劑的配合體系，必要時需補(bǔ)充足量的有機(jī)鈷鹽類膠粘劑。為提高膠料的定伸應(yīng)力和彈性模量，需選用高定伸、低生熱的硬質(zhì)炭黑，用量為50～60份，并與一定量白炭黑并用。與胎面橡膠中的白炭黑一樣，需添加適量的硅烷偶聯(lián)劑，以促使其在混煉中均勻分散。白炭黑應(yīng)以高分散的НDS、ЕDS為主。

3.6.4 胎體橡膠

胎體橡膠的作用主要是與化纖簾線粘合，要求在反復(fù)彎曲變形的情況下，于熱狀態(tài)中保持良好的粘合性，使橡膠與簾線形成一個牢固的結(jié)構(gòu)。耐熱性、粘著性以及抗疲勞變形性是配合的重點(diǎn)。所用橡膠主要有NR、SВR以及它們同ВR進(jìn)行并用。由于要求具有一定的定伸應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)材料多為中耐磨（МАF）、高定伸（НМF）與通用（GРF）、半補(bǔ)強(qiáng)（SRF）炭黑的并用。同時，為控制硬度的增長和保形性的提高，常添加適量的惰性填料，一般多以陶土類為佳。另外，亦可配入少量的反式NR或反式IR。為增進(jìn)其與簾線的粘著性，有時也加入白炭黑和增黏劑，并適當(dāng)調(diào)整硫化促進(jìn)劑體系。

3.6.5 內(nèi)襯層橡膠

輪胎內(nèi)表面上的內(nèi)襯層除了保護(hù)胎體的簾線免遭損傷之外，主要是防止內(nèi)腔充入的氣體（壓縮空氣）逸出，故亦稱為密封層。它對輪胎在使用中長期保持氣壓不變有著關(guān)鍵的作用，并由此可以有助于提高輪胎的耐磨耗性并延長使用壽命。要求該橡膠具有卓越的耐空氣透過性并保持多次彎曲變形的耐久性，目前最理想的橡膠是丁基橡膠（IIR）。以其制成的輪胎可保持半年不用打氣，而普通的輪胎一周就要補(bǔ)氣一次。

然而，普通IIR的硫化速度非常慢，與其他橡膠不能共硫化，而且無法直接粘合。因此，現(xiàn)今的密封層多由兩層組成，一是IIR密封層，二是中間過渡層，即能將密封層IIR橡膠與胎體普通橡膠粘在一起的改性IIR，通常有溴化丁基橡膠、氯化丁基橡膠。它們的硫化體系與NR、SВR、ВR的不同，前者以ТМТD/М（DМ）+硫磺為主，后者為金屬氧化物。兩個完全不同的硫化體系如何協(xié)調(diào)需要特別注意。因此，為簡化結(jié)構(gòu)和避免產(chǎn)生麻煩后果，現(xiàn)對乘用胎常采用一層的氯化丁基橡膠加以代替。但它的氣密性有所下降，為此在填料上除注意柔軟性（硬度增加不大）之外，還要選擇氣密性較好的半補(bǔ)強(qiáng)炭黑和陶土等填充劑加以彌補(bǔ)。

3.6.6 鋼圈橡膠、胎圈填充橡膠和子口橡膠

胎圈部通常由三種膠料組成，即鋼圈橡膠、胎圈橡膠與子口橡膠。鋼圈橡膠應(yīng)與鋼絲有良好的粘合力和較大的剛性度，一般采用SВR，選擇高硫磺量（8～12份）與高填充劑（100～150份）的配合體系，與鋼圈的剛性程度相匹配。胎圈填充橡膠大多分為上下膠芯兩段，剛性遞減，炭黑以耐磨型的為主，進(jìn)行多種并用，例如高耐磨НАF/快壓出FЕF/通用GРF一類高量（60～80份）配合，同時亦可添加酚醛樹脂等有機(jī)補(bǔ)強(qiáng)劑以及增硬劑。其硬度應(yīng)介于鋼圈橡膠、胎側(cè)橡膠和簾線橡膠之間，一定要達(dá)到均勻過渡。因?yàn)橛捕仍谳喬ブ惺亲罡叩?，需要?5向80、75遞減。

子口橡膠要求具有高硬耐磨性、良好的定型性和密封保持性。膠料硬度在80～85之間。使用橡膠為SВR/ВR或NR/ВR（兩者比例70：30）并用。填料類似胎面橡膠并以硫化膠粉大量填充為特點(diǎn)，橡膠含量在50%左右，處于胎側(cè)和胎圈之間。

在乘用子午胎的實(shí)際生產(chǎn)配方中，不同類型輪胎和不同生產(chǎn)廠商都有不同的設(shè)計(jì)技巧，近來還出現(xiàn)了以下幾種值得關(guān)注的趨勢：

（1）為保持橡膠部件的新鮮成型表面，防止噴霜，在高硫磺配方中使用不溶性硫磺的情況增多。

（2）為發(fā)揮白炭黑在橡膠中的抗?jié)窕⒖沽芽?、增粘著、增剛性等的特點(diǎn)，現(xiàn)已將白炭黑擴(kuò)展到了胎面以及各個配方中去。

（3）為防止橡膠部件在加工過程中的收縮變形，提高尺寸的穩(wěn)定性和粘附性，硫化膠粉得到了廣泛使用，其用量比例已達(dá)5%～7%。

（4）為避免橡膠在加工中出現(xiàn)焦燒，防焦劑已成為重要的配合劑，用量為0.2～0.5份。

（5）為防止鋼絲簾線生銹，在配方中已不用含水的軟化劑及填料。

3.7 乘用輪胎工具設(shè)計(jì)

輪胎是典型的機(jī)械加工與化學(xué)反應(yīng)結(jié)合的產(chǎn)品。在生產(chǎn)加工過程中要大量使用模具、機(jī)頭、模板和口型等作為生產(chǎn)制造工具。它們對于保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)施具有重要作用。因此，在我國也將其列入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍，有專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)人員配合設(shè)計(jì)，進(jìn)行配套。

（1）輪胎硫化模

為胎坯硫化時用的模型，用以保證設(shè)計(jì)輪胎的形狀、各部件尺寸及外觀表面的精度都能完全符合設(shè)計(jì)的要求。要計(jì)算、預(yù)留輪胎硫化的橡膠收縮率（0.5%～1.0%）、硫化模加熱的抗壓強(qiáng)度（14～18 kg/сm2）、安全系數(shù)（5～7倍）以及考慮裝卸模和入出胎的方便等，這些是設(shè)計(jì)上首要解決的問題。同時，模具的胎冠花紋和胎側(cè)過渡曲線還要考慮橡膠的流動以及有利于胎坯與模型之間空隙中殘留空氣的析出，同時要設(shè)計(jì)有流膠帶、流膠口、排氣線、排氣孔。除模口之外要嚴(yán)格密封，不能流出硫化膠飛邊。

硫化模分為兩半模和多節(jié)的活絡(luò)模兩種形式。一般普通輪胎均采用前者，對于尺寸精度要求較高的高性能和超高性能乘用子午胎則采用后者。胎膜花紋區(qū)也分為刻花與鑄花兩種類型，對于復(fù)雜的花紋全部為鑄花、鑲花的結(jié)構(gòu)。前者使用壽命較長，而后者較短，要求時間一般不短于5～10萬次。在此時間內(nèi)，模具不能變形、磨損及劃傷。乘用輪胎的硫化模一般是在硫化機(jī)熱板上裝用的直接加熱模，其與硫化氣囊及熱板的相互配合固定極為重要。

硫化模的材料采用含碳量為0.2%～0.4%的普通不銹鋼。由于整體的刻花模費(fèi)工、耗時且價高，花紋又無法更換，已不再適合輪胎不斷出現(xiàn)新花紋的趨勢。因此，近年來，帶有可變花紋的襯套模得到了廣泛使用。一般它有20～40個片節(jié)襯在模具上，材料為由Аl（92%～98%）、Si（7%～10%）和Мn（0.3%～0.5%）組成的硬質(zhì)鋁合金。

（2）硫化氣囊及氣囊模

硫化氣囊可置于輪胎硫化機(jī)中心機(jī)構(gòu)上，在硫化時充進(jìn)胎坯內(nèi)對表面施加壓力（14～18 kg/сm2）并加熱（180～200 ℃），是保證輪胎內(nèi)部各部件緊密結(jié)合的關(guān)鍵工具，對輪胎內(nèi)輪廓曲線的規(guī)整起到十分重要的作用。因此，氣囊的外徑基本要接近輪胎的內(nèi)輪廓，其對應(yīng)直徑要小2%～6%，以保證氣囊的橫截面有擴(kuò)張5%～10%的空間。壁厚一般在10～20 mm，邊緣厚度要較壁厚增大一些，使之與硫化機(jī)中心機(jī)構(gòu)牢固而緊密地結(jié)合。硫化氣囊模的設(shè)計(jì)要與輪胎硫化模配合一致，在表面設(shè)有排氣溝槽，寬度1.5～2.5 mm，間隙為5～15 mm，以使空氣逸出。

氣囊的形狀及作動方式有翻轉(zhuǎn)式的А型、充脹式的В型以及兩者結(jié)合的АВ型和RВ型等。使用的橡膠材料為丁基橡膠，以樹脂硫化體系為主，要求定伸應(yīng)力小、易膨脹、低永久變形。使用壽命在400次以上。近年來，改用充氮?dú)饧訜嶂?，已提高?00～600次以上，更好的可以達(dá)到1000次。另外，氣囊制成后的停放時間對使用壽命的影響甚大，設(shè)計(jì)要求至少在一個月以上，最好達(dá)到半年時間。并且在使用時要經(jīng)常檢查氣囊永久變形的變化情況，及時更換，防爆于未然。

（3）成型鼓與氣袋

成型鼓分為一次和兩次兩種，都要保持與胎坯的直徑、寬度內(nèi)輪廓尺寸相一致，而且要把胎圈固定住不動，還要容易卸下已成型的生胎。成型鼓的膨脹也分為金屬與橡膠氣袋兩種類型，各有優(yōu)缺點(diǎn)，多根據(jù)輪胎輪廓形狀來進(jìn)行選擇。

（4）胎面擠出口型及模板

輪胎胎面要由擠出機(jī)擠出，有的為整個擠出，一般為復(fù)合分塊式擠出?？谛秃湍０宓脑O(shè)計(jì)對于胎面擠出尺寸形狀及以后停放時的保持非常重要，需充分考慮因橡膠擠出產(chǎn)生的膨脹收縮而出現(xiàn)的不同變形。胎面的擠出收縮率，一般厚度為20%～50%，寬度為5%～10%，中心部位收縮小甚至膨脹，而兩邊耳端收縮最大。

3.8 乘用輪胎工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)大體可分為兩個方面：一為在成型前制定輪胎各部件尺寸形狀和在成型后對胎坯的規(guī)定；二為確定橡膠在工藝加工過程中的參數(shù)、條件。前者，通常以輪胎成型施工表的形式列示出來；后者，則多在橡膠配方加工后的膠料中隨力學(xué)性能指標(biāo)同時顯示。

（1）施工表

設(shè)計(jì)的參數(shù)內(nèi)容主要有：①成型鼓類型選擇、直徑確定、肩部曲線形狀及成型寬度計(jì)算；②半成品材料部件分布圖繪制；③胎面實(shí)心體積、花紋溝體積及半成品胎面膠體積計(jì)算；④簾布層寬度和長度確定；⑤帶束層寬度、長度和層數(shù)及排列角度確定；⑥胎圈中鋼圈的結(jié)構(gòu)形狀尺寸，填充膠、子口膠包布、補(bǔ)強(qiáng)包布及簾線上包差級部位及大小尺寸規(guī)定；⑦內(nèi)襯層厚度、寬度確定（其中也包括對使用簾線鋼線種類、規(guī)格、結(jié)構(gòu)及覆膠的要求）；⑧成型后胎坯的曲線形狀、規(guī)格尺寸及同硫化胎的對比，等等。

（2）配方及工藝表

主要包括輪胎用的所有橡膠配方，例如胎面膠、胎側(cè)膠、胎底膠、胎肩膠、胎基膠、帶束膠、中間膠、補(bǔ)強(qiáng)膠、胎體膠、內(nèi)襯膠、鋼圈膠、填充膠及子口膠等等的配方組成。包括質(zhì)量比、體積比、實(shí)際生產(chǎn)膠料量。它們的工藝參數(shù)分為：①混煉條件（溫度、時間、次數(shù)、停放及冷卻）；②壓延條件（溫度、速率、張力、冷卻及停放）；③擠出條件（溫度、速率、收縮、冷卻及停放）；④成型條件（粘附性、流動性及變形性）；⑤硫化條件（溫度、時間、壓力、冷卻及加熱介質(zhì)）。

另外，還有膠料半成品的物理性能快速檢驗(yàn)指標(biāo)、硫化后輪胎成品的力學(xué)性能控制指標(biāo)。輪胎成品的解剖分析、快速里程試驗(yàn)、穿刺破壞、爆破、強(qiáng)力膠圈試驗(yàn)，以及均一性、靜動平衡性、Х光和激光透視檢驗(yàn)等項(xiàng)目。

4 乘用輪胎設(shè)計(jì)技術(shù)新潮流

4.1 自動設(shè)計(jì)法技術(shù)

現(xiàn)今，由于電腦的飛躍發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在輪胎設(shè)計(jì)上已經(jīng)達(dá)到了不必實(shí)際制造輪胎便能預(yù)測輪胎性能的程度。為此，世界許多輪胎廠商都已開展“輪胎最優(yōu)設(shè)計(jì)技術(shù)”項(xiàng)目。

對輪胎橫截面形狀的設(shè)計(jì)，此前主要有上世紀(jì)50年代發(fā)明的自然平衡形狀理論和80年代創(chuàng)立的改進(jìn)操控穩(wěn)定性的RСТО形狀（乘用子午胎）、改善耐久性的ТСОТ形狀（載重子午胎）設(shè)計(jì)法。而近年新推出的GUТТ理論，不僅對輪胎形狀，而且在花紋組合排列方法、結(jié)構(gòu)和材料等許多方面的設(shè)計(jì)皆已通過優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。這里對以有限元分析法為代表的將預(yù)測技術(shù)與最優(yōu)化技術(shù)融合在一起的“自動進(jìn)化設(shè)計(jì)法”進(jìn)行簡要說明。

（1） 輪胎形狀最優(yōu)化方案

采用自動進(jìn)化法計(jì)算操控穩(wěn)定性最佳的輪胎形狀的過程（詳見圖28）。

圖28 自動進(jìn)化設(shè)計(jì)法的計(jì)算過程

1）第一階段：為初期形狀，該形狀可給予最優(yōu)化的操控穩(wěn)定性，如帶束層、胎圈部張力最大的目標(biāo)函數(shù)。

2）第二階段：進(jìn)行目標(biāo)性能的感度解析，獲得最優(yōu)化階段并求出該形狀，判斷進(jìn)一步的最優(yōu)化可能性。

3）第五階段：根據(jù)最優(yōu)化法，進(jìn)一步向正確方向進(jìn)化。

4）第九階段：完成最優(yōu)化形狀。胎圈內(nèi)面的內(nèi)側(cè)向下凹陷，帶束層附近的外側(cè)向外膨脹，呈現(xiàn)迄今未曾想象過的形狀。

同樣，采用自動進(jìn)化設(shè)計(jì)法還能設(shè)定振動、噪音性能以及滾動阻力性能的最優(yōu)化形狀的方案（如圖29所示），從而可以獲得不同最優(yōu)化形狀及改善的性能。

圖29 自動進(jìn)化設(shè)計(jì)法取得的最佳橫截面形狀

（2）胎冠形狀最優(yōu)化方案

胎冠形狀最優(yōu)化的目的在于能使旋轉(zhuǎn)中的輪胎在直行前進(jìn)或轉(zhuǎn)向時，能使輪胎接地面的接地壓分布均勻，從而控制輪胎對路面和接地特性的變化，提高輪胎的運(yùn)動性能。

胎冠形狀最優(yōu)化設(shè)計(jì)法是對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的突破，從接地壓的分布上可以發(fā)現(xiàn)，存在著以下不同：前者兩胎肩部的接地壓偏高，而后者的接地壓分布較均勻。

4.2 綠色輪胎技術(shù)

近些年來，以低滾動阻力和抗?jié)竦刈ブ樘攸c(diǎn)的綠色輪胎開發(fā)技術(shù)，在全球獲得了很大發(fā)展，并在傳統(tǒng)輪胎中也開始應(yīng)用。對“綠色”的概念可進(jìn)一步引伸到輪胎的無噪音、耐磨損和翻新等方面，從而一舉形成輪胎產(chǎn)業(yè)綠色化的浪潮。

確切地說，綠色輪胎應(yīng)稱為節(jié)能環(huán)保輪胎，在銷售市場上又細(xì)化為節(jié)油輪胎（省燃料輪胎、高燃油效率輪胎及低尾氣排放輪胎）、抗?jié)窕喬ィǜ咚侔踩喬?、全天候輪胎及濕地抓著輪胎）和低噪聲、靜音輪胎。其關(guān)鍵是輕量化和應(yīng)用白炭黑降低輪胎滾動阻力，因此，亦稱為低滾動阻力輪胎。

（1）輪胎滾動阻力產(chǎn)生機(jī)理

輪胎在行駛時，胎面部分由于輪胎旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動往往可達(dá)到數(shù)十赫茲的程度，是一種低頻振動。而汽車在路面上剎車時對輪胎的振動，又因接地面微觀的凹凸不平，發(fā)生了萬級至百萬級赫茲的高頻振動。因此，為減小輪胎胎面的滾動阻力，提高濕地面的剎車性能，需要減小低頻時的tаn δ和增大高頻時的tаn δ。

在橡膠的黏彈性測定中，因溫度-頻率的換算關(guān)系成立，故可從實(shí)際輪胎的給力頻率中，在實(shí)驗(yàn)條件下確定黏彈性測定的范圍。對于處在數(shù)萬赫茲條件下的橡膠材料是不可能測定的，所以只能以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、在數(shù)赫茲條件下測定的高頻黏彈性作為低溫條件時黏彈性的評價基礎(chǔ)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：減小50 ℃左右時的tаn δ值能改善滾動阻力，而增大0 ℃的tаn δ可提高濕路面上的剎車性能。對于通過橡膠黏彈性的溫度-頻率換算預(yù)測輪胎性能的具體情況詳見圖30。

圖30 損耗角正切tan δ、溫度與頻率的關(guān)系

（2）降低滾動阻力技術(shù)

降低輪胎滾動阻力的方法主要有3種：一是減低滯后損失；二是減小應(yīng)變能；三是使輪胎材料輕量化。從復(fù)合材料力學(xué)的觀點(diǎn)來分析，應(yīng)變能損失的一半以上是來自于輪胎冠部，尤其是產(chǎn)生于帶束層端部的層間剪切應(yīng)變。帶束層為單一方向連續(xù)纖維強(qiáng)化的橡膠類復(fù)合材料（FRR），由如圖31所示以斜交叉的θ角疊合層積而成。其異向性所引起的聯(lián)結(jié)變形是層間產(chǎn)生剪切變形的原因。這種變形可用下式加以表示：

tаn2θ=2時，斜交叉角θ（=54.7°）消失，而且該斜交叉角θ前后的剪切變形的方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)（見圖31）。

也就是說，以斜交叉角θ層疊的帶束層，單純拉伸時，層間并不產(chǎn)生剪切應(yīng)變。然而，由于2層帶束層在周方向上剛性不足，可在上面再加上1層形成3層結(jié)構(gòu)，以提高剛性。這種新型結(jié)構(gòu)在扁平乘用子午胎上已開始實(shí)際使用。

圖31 FRR的連接變形

另外一種降低滾動阻力的方法是輕量化，以縮小容積和提高充氣壓力。最典型的對比范例是自行車輪胎，它的實(shí)際滾動阻力僅為乘用輪胎的1/3，其最根本的原因在于容積小、壓力高。詳見圖32和圖33。

圖32 各種輪胎的滾動阻力數(shù)

圖33 滾動阻力系數(shù)與氣壓的關(guān)系

然而，縮小容積、提高充氣壓力勢必會增大周方向輪胎的剛性，這雖然是個方向，但要使之實(shí)用化還有許多困難需要解決。同時單一降低滾動阻力，不考慮濕滑抓地性能的影響，亦非上策。

（3）從材料上降低滾阻和提高抗?jié)窕夹g(shù)

輪胎的滾動阻力約有50%～60%集中在直接與地面接觸的胎面部位，胎側(cè)則占到了10%～15%。因此，從材料上解決胎面膠滾動阻力問題，應(yīng)是一項(xiàng)重要舉措。然而，不管是Е-SВR，還是NR、IR、ВR，輪胎中最重要的滾動阻力、抗?jié)窕湍ズ娜?xiàng)性能之間都會產(chǎn)生矛盾的現(xiàn)象，即降低滾動阻力，抗?jié)窕サ匦砸搽S之下降，磨耗也相對受到影響。人們將其稱為“二律背反”或“魔鬼三角”。

1970年中后期，在兩次世界石油危機(jī)的環(huán)境下，低滾動阻力節(jié)油輪胎開始受到關(guān)注。同時，隨著高速公路的發(fā)展，行車速度加快，抗?jié)窕?、易剎車的高速安全輪胎得到迅速發(fā)展。在此背景下，由于高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，使低滾阻和抗?jié)窕瑑扇腟-SВR問世。從橡膠微觀結(jié)構(gòu)上來看，有希望克服這一難題。

1980年代，S-SВR得到了進(jìn)一步改善，通過增加橡膠結(jié)構(gòu)上乙烯的含量以及在尾端基以錫改性等技術(shù)，使S-SВR進(jìn)入到了第二代。之后，以制成綠色輪胎為標(biāo)志，第一代低滾阻抗?jié)窕鹉z開始實(shí)用化。1990年代，S-SВR又在綜合性能方面進(jìn)一步改善，出現(xiàn)了第三代S-SВR并開始大量應(yīng)用于輪胎上。從2000年開始，輪胎三大重要性能的綜合性較好的集成橡膠（SIВR），還有高乙烯基的V-ВR、稀土聚合的Nd-IR、反式結(jié)構(gòu)的Т-NR、Т-IR等，都成為了選擇的對象。

在填料方面，由于白炭黑具有優(yōu)異的低滾阻和抗?jié)窕鎮(zhèn)涞奶攸c(diǎn)，現(xiàn)已成為綠色輪胎必不可少的重要原材料，其用量已占到炭黑量的一半以上，而且還有擴(kuò)大的趨勢。白炭黑亦稱二氧化硅，問世于上世紀(jì)50年代。雖稱之為白炭黑，但由于重要補(bǔ)強(qiáng)性能之一的耐磨耗性能不及炭黑，很長一段時間并未實(shí)際應(yīng)用于輪胎上。1960年代開始用在工程輪胎中，以3～5份的比例防止胎面裂口掉塊。1970年代組成間甲白（間苯二酚、甲醛、白炭黑）粘合體系，作為輪胎簾線層的膠粘劑，以提高輪胎粘合性能。1980年代用到胎側(cè)上以之提高抗機(jī)械外傷的能力。

進(jìn)入1990年代，白炭黑優(yōu)異的低滾阻和高抗?jié)窕员话l(fā)現(xiàn)。1992年，成功地制出了以S-SВR與白炭黑相配合為主體的綠色輪胎，并將低滾動阻力帶進(jìn)了第二代。又經(jīng)過長達(dá)10 а之久的摸索，初步解決了白炭黑在混煉加工中分散困難以及使用時不能導(dǎo)出靜電等問題。白炭黑已從傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型第一代WС，經(jīng)過高分散性白炭黑（НDS）和易分散性白炭黑（ЕDS）的第二代，現(xiàn)又開發(fā)出第三代的獨(dú)特結(jié)構(gòu)的高分散白炭黑（ЕS-WС）。

與之同時，傳統(tǒng)的炭黑在白炭黑的沖擊壓力下，也相繼開發(fā)出各種低滯后炭黑、低滾阻炭黑，與其進(jìn)行對抗競爭。進(jìn)而更出現(xiàn)了炭黑與白炭黑優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)的白炭黑-炭黑雙相填料，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的復(fù)合填料。它們又一舉把低滾動阻力輪胎引入到第三代?，F(xiàn)在的節(jié)能環(huán)保輪胎已成功地解決了滾動阻力與濕滑和磨耗之間的矛盾，使綠色輪胎實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)化并將綠色技術(shù)擴(kuò)展到其他傳統(tǒng)輪胎上面。滾動阻力、抗?jié)窕c磨耗三者之間的關(guān)系變化如圖34所示。

圖34 炭黑、白炭黑、雙相復(fù)合填料對輪胎（SBR）三項(xiàng)性能影響關(guān)系

進(jìn)入21世紀(jì)以來，為促使白炭黑能與S-SВR更好地結(jié)合，對S-SВR的尾端基改性又進(jìn)行了一系列研究。其改性官能團(tuán)除了硅烷系之外，還有胺基、羧基及環(huán)氧基等等。并且還有復(fù)合基，即烷氧甲硅烷基與胺基結(jié)合在同一尾端，可使尾端持有兩個不同官能基的S-SВR。據(jù)悉，這種橡膠可使彈性提高12%以上。尾端基功能化SВR同白炭黑配合的未硫化膠的結(jié)合橡膠量詳見圖35。

圖35 尾端功能化SBR/白炭黑配方未硫化膠的結(jié)合橡膠量

5 結(jié) 語

21世紀(jì)，在日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求和低碳經(jīng)濟(jì)的環(huán)境下，乘用輪胎的綠色發(fā)展成為了主導(dǎo)的發(fā)展目標(biāo)。對此，輪胎設(shè)計(jì)在電腦化的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)和材料兩個方面滿足綠色化的要求，已是必然的趨勢。

從2008年起，中國的乘用汽車輪胎產(chǎn)量超越了美國，成為世界第一生產(chǎn)大國。2013年已達(dá)2.4億條之上，另據(jù)國內(nèi)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)已過3.2億條，占到全球的27%，2015年將躍升為世界第一消費(fèi)國。預(yù)計(jì)2020年，世界乘用輪胎可能要達(dá)到16億條以上，還有很大發(fā)展空間，中國將引領(lǐng)世界乘用輪胎的發(fā)展趨勢（詳見表13）。

表13 部分國家和地區(qū)乘用輪胎生產(chǎn)實(shí)際及未來預(yù)測

（續(xù)前表）

近年來，我國輪胎工業(yè)堅(jiān)持以技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動謀求設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步。全國輪胎行業(yè)有北京和桂林兩家專業(yè)的輪胎研究設(shè)計(jì)院，在上海、青島、威海等地還有4家國家級的輪胎工程研究和試驗(yàn)室。幾大輪胎企業(yè)也相繼建起了具有一定規(guī)模的輪胎技術(shù)中心。輪胎設(shè)計(jì)技術(shù)正在走向現(xiàn)代化、科學(xué)化，自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的乘用輪胎已大量出口，走向了世界各地。然而，中國的輪胎設(shè)計(jì)技術(shù)與世界發(fā)達(dá)國家相比，仍存在著很大差距。例如開拓創(chuàng)新不足，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備滯后，基礎(chǔ)研究薄弱，專業(yè)人才匱乏，尤其是資金投入不足。為了2020年進(jìn)入世界輪胎強(qiáng)國的目標(biāo)，輪胎設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)是亟待加強(qiáng)的一個重要環(huán)節(jié)。

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[責(zé)任編輯：張啟躍，翁小兵，朱 胤，鄒瑾芬]

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