轮胎设计与制造工艺创新的发展方向

1、. 轮胎设计与制造工艺创新的发展方向摘要：本文以车轮起源、轮胎技术现状及汽车发展对轮胎的要求为依据，简要阐明了轮胎功能演变过程，介绍了轮胎的本质性功能与辅助性功能要求的缘由与结构实现方法；基于目前主流的子午线轮胎所担负的主要功能，剖析了轮胎功能多目标优化与结构的矛盾，提出了解决这些矛盾的一些可行思路，并结合国内外研究动态，探讨了轮胎设计与制造工艺创新的发展方向。关键词：轮胎、结构设计、制造工艺、汽车、飞机、节能减排1.前言轮胎的起源可以追溯到文明发祥的最早时期。古人在生产实践中认识到滚动比滑动省力的自然规律并开始利用滚木搬运重物。同时，战争更促进了车轮设计与制造工艺的创新发展。考古证据表明，早

2、在公元前3000年以前，古埃及、印度和巴比伦等地就出现了带有石轮、木轮和陶轮的运输工具和古代战车。甲骨文的“車”字，就是以圆形的车轮为主要象形特征而创造出来的。至公元前1250年，我国就有了辐条车轮的文字记载，西安出土的铜车马充分说明我国秦朝时期的车轮技术已发展到了相当高的水平。然而，在经过了漫长的数千年之后，在1835年，美国人古德伊尔偶然发现了橡胶的硫化方法和高弹特性，并将其包裹到车轮上，起到保护轮缘和减少车轮振动的作用，提高了车辆的乘坐舒适性。从此，人们对于车轮创新的关注点更多地聚焦到缓冲减震的问题上，并且很快取得了突破性进展：1845年，苏格兰的土木工程师汤普森申请了改善车辆的车轮的专

3、利：“车轮的内胎，是用弹性硫化橡胶或者杜仲胶制成的一层膜覆以胶布制成管状，再套上几层筒状胎皮而成，最后用螺钉固定在车轮上。” 从此，车轮被称为轮胎。1888年，苏格兰的邓禄普改进了充气轮胎的设计与制造工艺，并放弃原来的兽医职业与企业合作建立了轮胎制造厂，形成充气轮胎的规模化生产并在汽车和自行车行业推广应用。1906年3月3日，法国制造的布伊阿1型飞机的首次试飞，开创了航空轮胎的历史新纪元。在上个世纪的两次世界大战中，由于汽车、火炮和飞机所使用轮胎的制造受制于天然资源的供应，橡胶被视为重要的战略物资,导致各国竞相发展合成橡胶，推动了自二战以来现代高分子材料科学与技术的快速发展，先后发明了多种合成

4、橡胶。同时，在轮胎设计与制造工艺方面也不断发展完善，但是，堪称重大创新的跨越式技术进步只有两次：一次是1946年法国米其林公司发明的子午线轮胎；另一次是1980年中后期以日本普利司通公司为代表的基于有限元分析技术的轮胎优化设计。这两次重大技术创新都催生了全球轮胎行业的新霸主。随着现代汽车和航空工业的迅猛发展，对轮胎性能的要求也在不断提高。例如，在机动性方面，要求尽可能高的抓地牵引性能，抗湿滑和刹车制动性能，行驶稳定与转弯操控性能；在安全性方面，要求尽可能高的疲劳耐久性能，磨耗性能与防爆安全性能；在舒适性方面，要求尽可能好的减震降噪性能；在节能环保性方面，要求尽可能低的滚动阻力，加工制造能耗以及

5、优异的材料环保与循环利用性能，等等。这些复杂多样的性能要求已使当今轮胎出现本质功能与辅助功能交织、多目标优化难以兼顾的矛盾，陷入了所谓“魔术三角”等破茧无门的困境。因此，笔者认为轮胎设计与制造工艺创新的发展方向就是要研究解决这些矛盾，综合运用机械、力学、材料学、摩擦学、声学、传热学等多学科知识，发展新型轮胎的结构设计与制造工艺。具体而言，就是要正本清源，理清并强化轮胎的本质性功能，尽可能转移矛盾对立的部分辅助性功能。2.轮胎的主要功能1）节能运动性能轮胎的节能运动性能主要受制于其结构力学特征。首先，根据力学的杠杆原理，使物体连续翻转实现滚动所需要的力和能量，取决于翻转力臂e。如图1所示，从正四

6、边形，到正八边形，再到正n边形，翻转力臂依次减小，滚动能耗逐渐降低，当n为无穷大，即成为圆形时，翻转力臂趋近零，因而滚动能耗也趋近于零。图1 翻转力臂示意图其次，根据动力学原理，物体转动的能耗与转动惯量成正比，转动惯量越小，加速与减速所需的能耗也越小。转动惯量J则取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置，如图2中公式所示。因此，轮胎的转动惯量取决于轮胎材料的质量大小及其分布，如图3所示，木质车轮比石头车轮省力。此外，相同的材料，不同的结构设计，其转动惯量不同，运动能耗也不同，比如辐条式车轮比同样重量的实心车结构车轮更节能。图2 物体的转动惯量示意图图3 木质车轮和石质车轮2）越障通过性能轮胎除在

7、平坦路面上行驶以外，还要具有跨越一定高度障碍物的通过性能。对于刚性车轮，其越障通过性能与直径成正比，如图4所示，而对于柔性轮胎，其通过性能不仅取决于轮胎直径，还要受到胎面变形包容性及摩擦力的影响。定性而言，同样外径的柔性轮胎要比刚性车轮通过性能好。3）负载牵引性能古代的车轮由于采用人力或畜力牵引，没有牵引性能的要求。自从动力汽车和自行车出现后，车轮有了主动与从动之分。对于主动轮胎，在上述两个功能之外还增加了负载牵引性能要求。从机械传动的角度看，轮胎在路面上滚动时，其负载牵引性能的理想状态应当像齿轮在齿条上滚动那样，可达到接近100%的动能传递，如图5。但是，由于胎面与路面的啮合传动难以实现，通

8、常是通过较大的接触面积来实现摩擦扭转传动。4）刹车制动性能对于正常行驶的轮胎而言，刹车性能与牵引性能的要求基本一致。但是，为了应对突发情况所采取的紧急刹车，要通过轮胎与路面的滑动摩擦来实现快速制动。因此，现在的高速轮胎都要求刹车距离越短越好。但是，为了人身安全，还需要保持一定的刹车缓冲距离，否则会造成人体颅内脑组织等惯性挤压破裂的严重后果。5）减振舒适性能自从橡胶车轮问世以来，人们对于轮胎减震舒适性的要求越来越高，特别是充气轮胎发明后，减振缓冲更成为轮胎性能的重要标志。子午线轮胎取代斜交轮胎的原因之一，也是由于胎侧柔性好，乘坐舒适性提高。6）失效安全性能安全性是任何产品的基本要求，但轮胎作为一

9、种典型的易损零部件，磨损、疲劳等正常失效无法避免，刺扎或过热爆胎等非正常失效也时有发生。为了生命财产的安全，对轮胎在失效情况下仍能保障人身安全，减少车辆损伤的要求十分迫切。轮胎除了上述六项主要功能之外，根据不同的使用场合，还有低噪声、重载、防滑、抗冲击、耐高低温、防弹等多方面的性能要求。由此可见，轮胎原本只是实现省力节能运动功能的机械零部件，在近百年来的发展过程中，人们却将对于车辆的系统性功能要求，强加给了轮胎。目前，轮胎已被人们期望成为具有三头六臂的天神，需要应对来自四面八方的挑战。但是，这种多目标优化与轮胎结构之间的矛盾问题也越来越突出！3.轮胎功能的多目标优化与结构的矛盾自然科学的一条基

10、本规律是：结构决定功能。从宏观到微观的多尺度物质世界都遵循这一客观规律。构成轮胎的宏观机械结构直接决定着轮胎的力学机械性能，而构成轮胎材料的微观分子结构则决定着材料的物理化学性能，并通过宏观结构间接影响到轮胎的综合性能。目前主流轮胎的宏观结构是一种子午线交叉排列的骨架材料与柔性橡胶材料复合而成的充气式类圆筒体结构，而此前流行的斜交轮胎，尽管其材料与子午胎基本相同，但结构上却为充气式类圆环体。斜交轮胎的圆环体结构与路面接触模型的极限状态是一个点（如图6），而子午线轮胎圆筒体结构与路面接触模型的极限状态则是一条线（如图7），正是由于这一结构性差异，决定了功能性的优劣：当轮胎在相同载荷下行驶时，斜交

11、轮胎由于轴向接触区域窄，受压变形沿周向扩展较多，造成其翻转力臂要比子午线轮胎长，滚动阻力较大；而且斜交轮胎与路面接触压力局部峰值要比子午线轮胎大，磨耗寿命较短。由此可见，宏观结构对于轮胎性能的影响是十分显著的。图6 斜交轮胎的圆环体结构与路面的接触模型此外，微观结构对于材料性质的影响也十分显著。以气密层材料为例，由于充气轮胎的保压性能直接影响到轮胎的受力变形，进而影响翻转力臂，决定着滚动阻力的大小。因此，丁基胶以其良好的保压气密性能取代了天然胶。丁基胶气密性能的优异是源于其微观分子结构的排列紧密性。目前，已有DVA动态硫化合金替代卤化丁基胶的趋势。其基本原理是，将高气密性的尼龙PA等微片共混于

12、橡胶基体材料中，获得高气体阻隔性的内衬层材料。笔者也发明了采用纳米叠层复合的新型内衬层材料SEIIR“赛丁基” （如图8），获得了气体阻隔性能比卤化丁基胶更高的结果：样胎高速试验表明，采用“赛丁基”材料制造的轿车轮胎，与同样规格的卤化丁基胶内衬层轮胎对比，保压能力提高12%，高速试验等级由210km/h,提高到230km/h。由此可见，材料的微观结构对轮胎性能的影响也是非常明显的。但是，汽车工业发展对于轮胎各种性能的要求都在不断提高，各项性能之间又相互牵制。在现有子午线轮胎结构模式下，要进一步追求多种性能的全面提高，其难度越来越大，存在着轮胎功能的多目标优化与结构之间日益突出的尖锐矛盾。举例如

13、下：矛盾之一：节能运动性与自身结构力学的矛盾如前所述，车轮的本质功能是实现省力节能高效运动的目的。从静力学角度出发，省力节能的关键是要保持理想的刚性真圆度。但是，要保持稳定可靠的真圆形状，取决于材料选用和结构设计。不同材料的密度、强度和刚度不同，在自重和负载下变形也不同：材料密度大、强度高、刚性真圆度保持能力强，滚动能耗低；但从动力学角度考虑，密度高、质量大的轮胎自身转动惯量大，加减速能耗高，这就造成轮胎自身结构力学的矛盾。矛盾之二：节能运动性与越障通过性的矛盾从轮胎的节能运动性角度考虑，轮胎直径越小，转动惯量越低，加减速能耗越小；但从越障通过性角度考虑，对于刚性轮胎而言，直径越大越好；对于同

14、样直径的柔性轮胎，其柔性越大则变形包容通过能力越强；但柔性越大，载荷下变形也越大，翻转力臂和滚动能耗相应增大。这就造成了轮胎节能运动性与越障通过性之间难以调和的矛盾。矛盾之三：节能运动性与刹车制动性的矛盾同样，节能运动性要求轮胎在运动中保持最佳的刚性圆柱度。轮胎圆柱度越高，接地面积越小，滚动能耗越低。但是，从刹车制动性角度考虑，则在胎面与路面摩擦系数相同的条件下要求轮胎接地面积越大越好，这在轮胎结构刚性与柔性之间构成一对矛盾。矛盾之四：节能运动性与负载牵引性的矛盾节能运动性与负载牵引性之间的矛盾，从表面看和上述节能运动性与刹车制动性之间的矛盾在原理上基本相同，但适用场合存在差异：负载牵引性要求

15、主要针对主动轮胎，而对从动轮胎没有要求。矛盾之五：节能运动性与减振舒适性的矛盾为了追求轮胎节能运动这一本质功能的优化，从结构设计上要保障具有最佳的刚性圆柱度。随着充气橡胶轮胎的发展，人们对于轮胎减振舒适性的要求日益提高。充气轮胎在振动状态下通过非线性弹性变形和阻尼迟滞效应来满足减振性要求。而轮胎变形必然会破坏其理想的圆柱滚动特征，翻转力臂变长，滚动阻力和能耗增大。节能运动的刚性真圆度要求和减振舒适的柔性变形要求是轮胎结构设计的一对矛盾。矛盾之六：节能运动性、减振舒适性与失效安全性的矛盾近年兴起的失效安全轮胎基本上采取两种结构设计方案：一是加厚胎侧，二是设置内部支撑体。这两种结构形式的安全轮胎，

16、附加材料都要参与轮胎转动，增大了转动惯量，影响节能运动性能，加厚胎侧的结构设计还降低了胎侧的柔性，会影响到减振舒适性。4.轮胎本质功能的加强与结构性矛盾的化解从上述分析可以看出轮胎已承载了太多的功能。在科学技术突飞猛进的近200年来，充气轮胎从简单的胶管缠绕到斜交轮胎再到当今的子午线轮胎，轮胎结构设计脱胎换骨的巨大变化不过两次。人们对于它的要求却已经超出其所能承受的范围，迫切需要发展新一代的轮胎。因此，有必要重新认识轮胎的本质功能和辅助功能，研究解决功能与结构的矛盾，尽可能地从使用场合整体考虑，转移部分制约本质功能的辅助性功能，并进一步强化其本质性功能，从而使轮胎实现破茧化蝶的飞跃。首先，应当

17、高度重视轮胎的节能运动这一本质功能性问题，跳出现有子午线结构轮胎的局限，采用先进制造技术手段和材料科技成果，着重解决结构力学自身的矛盾，提出实现节能运动本质功能的新型车轮。数千年的车轮发展历史表明，从石轮到实体木轮再到辐条型木轮，就是解决车轮自身结构力学矛盾的技术进步。近年来，法国和美国大力研究开发的高分子材料辐条型轮胎和蜂窝型轮胎，如图9、10所示，正是采用当代科学技术解决这一矛盾的实例。第二，节能运动性与越障通过性矛盾问题，也是轮胎的本质性矛盾之一。需要根据不同车辆或其它轮载运输工具的路况特性设定越障标准，确定合理的车轮直径规格。第三，节能运动性与负载牵引性矛盾问题，首先需要区分主动轮胎与

18、从动轮胎。对于从动轮胎，着重考虑正向运动时的操纵稳定性和省力节能问题，同时兼顾制动性能，例如在胎面花纹设计上可采用棘轮原理（如图11），正向运动顺滑而反向运动受阻；而对于主动轮胎，需要考虑牵引性能与节能运动性能的协调统一，使载荷、花纹设计、路面摩擦和接触面积达到较好的匹配。如前述图5所示，理想的牵引模式参照齿轮齿条传动原理，可实现节能运动与负载牵引效能的综合最大化。第四，节能运动性与刹车制动性矛盾问题。随着高速公路的普及，车辆行驶速度大幅度提高，为了缩短刹车距离，需要增大接地面积，增大能耗。即便如此，车辆在紧急制动时，强大的惯性力仅靠轮胎与路面的滑动摩擦来抵抗是徒劳无益的。这样不仅大幅度增加轮

19、胎磨损，而且难以有效制动，高速公路上连串追尾事故频发就是很好的例证。解决高速刹车制动性能需要给轮胎制定一个合理的适用范围，超出此范围之外的刹车制动功能应当由车辆自身来解决。如飞机在着陆时的减速方式，在高速滑行区段的减速由机翼上翘起的空气阻尼板承担（如图12）。因此，今后高速车辆设计也应当设置空气阻尼板，不能将减速重负无限地压在轮胎上。第五，节能运动性与减振舒适性，由于现有轮胎结构设计使刚性真圆的节能运动性能要求与柔性缓冲的减振性能要求之间存在难以调和的尖锐矛盾，加之减振功能并非车轮固有的性能要求，因此，应当将减振缓冲功能性要求大部分转由汽车悬架去承担。轮胎本身除牵引性和刹车制动性所要求的基本变

20、形缓冲量可分担部分减振任务之外，绝大部分可以由悬架配置的空气弹簧来实现（如图13）。目前，铁路机车采用高刚性金属车轮配合空气弹簧减振缓冲就是节能运动与减振性能分别承担的例子。一些高档轿车悬架系统也已引入了空气弹簧，为轮胎减负创造了有利条件。但是，由于受到传统思维方式的影响，轮胎设计还在过多地考虑减振舒适性。第六，节能运动性、减振舒适性与失效安全性。目前，交通事故已成为威胁人类生命安全的第一元凶，其中相当一部分是由于轮胎失效造成的。因此，安全性要求应当成为轮胎设计的首要考虑因素。目前基于充气轮胎的两种安全结构设计都没有大面积推广，今后，基于新材料的大轮辋非充气轮胎可望成为这一矛盾的更好解决方案。

21、5.轮胎设计与制造工艺创新的发展方向从上述轮胎功能与结构之间的矛盾及其可能的解决方案可以预见，轮胎工业需要一次重大的技术革命，才能从根本上解决这些矛盾，以适应汽车工业快速发展的要求。但是，轮胎发展的历史也表明，即使是公认综合性能优异的子午线轮胎，从1946年至今60余年的大力推动，还没有完全取代落后的斜交轮胎。今后轮胎领域的技术发展虽然会加快，但也不能指望与汽车工业更新换代的发展速度相提并论。因此，轮胎设计与制造工艺创新研发总体上可以分为两个层面：一个层面是基于现有子午线结构的改良型结构创新设计与基于现代先进技术的制造工艺创新。另一个层面是基于对子午线轮胎完全否定的结构设计与制造工艺创新发展。

22、下面从一些技术研究动态出发，初步探讨轮胎工业未来技术发展走向，以期起到抛砖引玉的作用。1）基于子午线结构的轮胎设计与制造工艺创新发展子午线轮胎的结构设计和材料的创新。近年来，随着节能环保呼声的日益提高，低滚动阻力的节能环保绿色轮胎成为各大轮胎公司宣传的热点。其中，比较强调材料创新的贡献，如引入白炭黑，减少内摩擦生热；内衬层高气密材料的研究开发也是当今轮胎行业技术竞争的焦点之一，动态硫化合金DVA是美国埃克森美孚公司开发的新一代气密材料，目前仍处于垄断阶段，仅向少数轮胎企业提供，我国自主研发的“赛丁基”技术可望突破这一技术壁垒。在结构设计方面，从轮胎节能运动本质特性可知，轮胎在负载下变形引起的翻

23、转力臂的变化是影响滚动阻力的决定性因素。为了兼顾牵引性和刹车制动性，宽胎面圆柱体形轮胎在负载下翻转力臂要比窄胎面短，滚动阻力小。大轮辋直径除了有利于保持轮胎整体刚性圆柱度之外，在出现瘪气甚至爆胎情况下的车辆安全性也较高。因此，子午线轮胎结构优化的趋势是向超低断面扁平化方向发展。同时，在子午线轮胎骨架材料配置方面，胎体帘布和带束层材料及帘线角设计等借助有限元分析技术也有进一步优化以满足不同性能要求的发展空间。在钢丝圈的结构设计方面，从多边形断面到圆形断面配合三角胶实现胎体帘布反包的传统路线还没有太多的改进，笔者带领团队进行的一项研究表明，采用碳纤维缠绕成水滴形断面的胎圈可以大幅度提高轮胎的承载能

24、力。采用新的制造工艺实现胎体帘线的整体缠绕，可以大幅度提高轮胎的承载能力和综合性能。此外，采用轮胎材料的创新研究成果，并结合功能性的胎面花纹设计，可以满足轮胎的环境及路面适应性要求，还可提高操控稳定性、负载牵引性能和减振降噪性能等。因此，根据轮胎的使用要求，在胎面材料选用和花纹设计等方面有着较大的创新发展潜力。子午线轮胎制造工艺的创新是提高轮胎制造质量的关键，全球各大轮胎公司已为此展开了激烈的竞争，技术封锁更是十分严密。在过去的十余年中，我国轮胎制造业基本实现了子午化改造，由于国内汽车工业发展的强力拉动，轮胎企业普遍得益于规模化和劳动力密集型产业的竞争优势，取得了黄金十年的高速发展。但是，轮胎制造工艺的国内外差距还十分悬殊。今后，轮胎制造工艺从炼胶、胎坯成型到硫化定型的各个工艺环节，在节能