輪胎性能的終極回歸：安全輪胎的發展

杜云峰

(山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300)

隨著汽車行業的飛速發展，對輪胎性能的要求不斷提高，已經不僅限于高速、均動、耐久、強度等基礎指標。受歐洲標簽法影響，近年來在滾阻、濕滑、噪音三項指標上得到持續關注和長足發展，輪胎產品變得越來越完美，輪胎產業發展到了一個各種技術百花齊放的成熟期，各種突破性的新概念、新技術不斷出現，產品品類越來越豐富、技術越來越完善。熱潮涌動之中我們也應保持理性的冷靜，應該清醒地認識到輪胎的安全性能仍然是最根本性的要求，尤其是當今車輛速度越提越高、載重越來越大的情況下，在保障安全的基礎上去提升其他使用性能才有實際意義，輪胎安全技術已經重新成為輪胎技術發展的一條主線。通過經驗積累和新材料的發展，安全輪胎產品目前已經脈絡清晰、品類豐富，逐漸形成一個獨立的系列。這里我們試著對其進行描述和分類。

按照結構功能特征，安全輪胎可初步分為充氣安全輪胎和非充氣安全輪胎，其中前者有4個大類10種型式，后者有4類，下面予以分述，其中充氣安全輪胎以半鋼為例。

1 基礎型安全輪胎

半鋼充氣輪胎的主流標準結構為：單絲纏繞鋼絲圈+三角膠，單層內襯+過渡層，雙層子午線聚酯骨架胎體，雙層鋼絲帶束層+尼龍冠帶條，外加胎面、胎側子口膠和其他填充膠片等，如圖1所示。相比傳統輪胎而言，這本身就是一種安全輪胎結構。之前傳統結構大多采用多絲纏繞鋼絲圈、單層或雙層尼龍骨架胎體（甚至是斜交結構）、無冠帶條，相比而言，單絲鋼絲圈的單位強度要高于多絲，子午結構比斜交結構更耐久更高速，聚酯胎體比尼龍胎體的尺寸穩定性更好。所以從這個意義上講，我們把這種主流輪胎定義為基礎型安全輪胎。

圖1 基礎型安全輪胎

2 增強型安全輪胎

在一些特殊車型和場合，為了提高輪胎強度，需要在基本型安全輪胎的基礎上再進行強化，這樣形成的輪胎我們稱之為增強型安全輪胎。可分為兩種增強方向。

2.1 結構增強型

主要是指胎體或帶束的層數增加，常見的是增加至3層胎體和3層帶束層。這種輪胎主要用于輕卡系列。比較極端的一個例子是航空子午胎，甚至會增加到10層之多。

另外，對胎體纖維和帶束鋼簾布進行增粗增密也是10種結構增強方式。由于在生產中需要增加骨架材料品種，造成生產復雜，所以一般都采用前面第一種增強方法。

2.2 材料增強型

主要是指采用更高強度的新材料來替代普通的聚酯纖維做胎體骨架，如高強度聚酯纖維、芳綸、聚酯和芳綸混紡等。這些材料的強度和穩定性比普通聚酯纖維有優勢，已經開始得到應用。也有的干脆直接用鋼絲簾線做胎體骨架，基本上算是全鋼輪胎了，但胎重增加、舒適性變差，還僅限于部分跨界的輕型載重胎上有應用。在胎圈鋼絲和帶束鋼絲方面近年來也有新的高強度品種出現，能夠增強輪胎強度。

另外一種材料增強方式來自于膠料性能的提升。近年來得到推廣的一次法低溫煉膠技術能夠提高膠料的流動性，從而在壓延過程中能夠增強膠料與胎體纖維的滲透結合，使輪胎更不容易脫層，從而使輪胎的安全性能得到提升。

3 保全型安全輪胎

基礎型和增強型安全輪胎還只是強度的提高，但輪胎畢竟是一個橡膠組合件，在不合理使用或是遇到外部強力損傷后仍然會產生破壞失效。如何使輪胎在遭遇不可避免的破壞后仍然能保障車輛人員的安全呢？這種傷后保全功能成為安全輪胎的一個重要課題方向。目前已發展出如下類型。

3.1 防塌型

又叫缺氣保用胎、零壓輪胎，俗稱防爆胎。這類輪胎在破損漏氣后，仍然能靠特殊的支撐結構保證輪胎不會“一塌到底”，而只是有限的下沉，從而可以使車輛以80 km/h的速度繼續行駛80 km以上，從而保障車輛不會失控，為維修爭取了時間，這是典型的傷后保全措施。

這類輪胎又分為自體支撐型（見圖2）和組合支撐型（見圖3）兩種型式，兩種型式同樣防爆，但又各有特點。

自體支撐型的特征是在基礎型輪胎的胎側部位胎體內壁嵌入兩條斷面呈月牙狀的支撐膠。由于支撐膠的抗彎折能力較強，所以輪胎缺氣時，支撐膠能夠起到承載作用，使輪胎不會塌掉，而能繼續行駛。同時，這種輪胎由于胎側較厚，所以耐側部損傷的能力也比較強。但這種輪胎的缺點也很明顯，它的緩沖性能變差，犧牲了輪胎的部分舒適性，對車輛的懸掛減震提出了適配要求。同時由于支撐膠的重量較大，使輪胎的油耗有些增加。

圖2 全方位三防安全輪胎

圖3 組合支撐型安全輪胎

組合支撐型的特征是在普通輪胎的輪輞上同步安裝一個環狀支撐體，該支撐體位于輪胎內腔中，外直徑與輪胎內腔直徑之間有一段距離，輪胎正常行駛時靠空氣內壓起支撐作用，內腔不會碰到支撐體，從而使輪胎的緩沖性能保持正常輪胎水準。在輪胎缺氣失壓后，胎頂下塌，支撐體就會發揮作用，通過在內腔中對胎頂的支撐來保持輪胎不繼續塌到底，從而保持繼續行駛，這個過程中支撐體相當于一條不會缺氣的內胎。

組合支撐型在具有正常緩沖和缺氣保用的雙重特點之外，還有一個突出的優勢，那就是防沖擊性能。在遇到路面突出物等路障時，輪胎沖擊變形遇到內支撐體后，就由支撐體來承受過量的沖擊力，輪胎由于不再繼續過度壓縮，就避免了普通輪胎在受沖擊時由于過度壓縮變形而致的簾線斷裂脫層、鼓包、子口損傷等損壞。從這個角度講，組合支撐型輪胎不但保護了車輛，也保護了輪胎本身，它比自體支撐型更加安全。在支撐體的材料方面，可以根據不同用途采用實心或空心橡膠、發泡橡膠等，尤其是近來出現的輕質聚氨酯高強度發泡材料，在保證支撐強度的前提下還非常輕質。這種輕質強力支撐材料的出現，解決了此前組合支撐型輪胎耗油、高速平衡性不好的問題，也使該型輪胎比自體化支撐型更省油、更舒適。

綜合來看，由于新材料技術的進步，組合支撐型輪胎有效兼顧了普通輪胎的舒適性和自體支撐型防爆胎的安全性，同時增加了優秀的防沖擊性能和低油耗性能，是一款性能優良的安全輪胎，有很好的應用前景。唯一的缺陷是裝配復雜一些，多了一個異體的支撐環體，安裝時需要使用專用平輪輞。

3.2 防扎型

這也是一種傷后保全型輪胎，其主要特征是在普通輪胎的冠部內壁涂覆有一層記憶橡膠涂層（見圖2所示）。這層記憶橡膠有很強的形狀記憶恢復功能，在胎面受到釘子等銳物刺穿時，記憶涂層由于形狀恢復功能的原因，會迅速包覆在釘子等銳物上，從而使胎內的空氣不會泄漏，從而保證輪胎繼續使用，達到安全的目的。

這種安全輪胎的核心技術是涂覆層的性能，既要保證包覆異物不漏氣，又要保證涂層薄且均勻不影響輪胎動平衡，同時有良好的溫度適應性（當前市面宣傳的大多是-35～+120℃）。由于配方千差萬別，防扎技術當前在輪胎差異化市場上競爭比較雜亂。

3.3 防靜電型

這是另一種保全型輪胎，它保全的不是輪胎本身，而是汽車，其主要特征是胎面具有導電性，能夠將輪胎和汽車產生的靜電入地導除。隨著輪胎和汽車產業的發展，導電功能正變得越來越重要，這是由于近代輪胎在追求低滾阻、耐濕滑等綜合性能的過程中，采用了在胎面配方中加入大量白炭黑的方法，這導致胎面的電阻明顯變大，達到1013Ω，成為電的絕緣體，使輪胎和汽車產生的靜電無法及時導入地下，從而產生一系列問題，比如，開關車門時靜電麻手的不適、汽車的自燃、行車電腦的死機和誤動作，甚至發生過由于汽車靜電打火導致加油站起火的事故。在當今汽車尤其是電動汽車發展迅速的今天，電磁器件越來越多，靜電的產生和影響后果也越來越嚴重，防靜電問題已經變得不可忽視。而最有效的、也幾乎是唯一的防靜電措施，就是輪胎導電，所以防靜電型安全輪胎在人們的各種探索中應運而生。

經過多年發展，防靜電輪胎產生了煙囪導電型（見圖2所示）和全幅導電型兩種型式。

煙囪導電型是在胎面中間嵌入一條寬約1.5 mm的導電橡膠，從斷面上看象一條貫穿胎面的導電煙囪，從而達到將胎體靜電導出至接地表面的目的，所以稱為“煙囪法”。這種方法是早期形成的，對生產工藝和設備要求比較復雜，而且導電面積有限。

全幅導電型是近年來隨著新材料技術的進步而出現的一種新型防靜電輪胎，它的特點是整個胎面都導電，而不再僅僅是一窄條煙囪導電膠。這種技術在輪胎結構上不做改變，改變的只是胎面的配方，方法是在配方中加入少量的碳納米管、石墨烯、改性橡膠等材料中的一種，或者是兩兩組合，可以實現胎面電阻值的大幅度下降，達到108Ω以下，成為電的良導體，從而使普通輪胎成為防靜電輪胎，當前比較成熟、能夠量產的主要是碳納米管防靜電輪胎，其成本增加不多，而石墨烯和改性橡膠尚存在成本等方面的量產障礙。

3.4 多防型

以上所述的防塌、防扎、防靜電三種功能的技術兼容性很好，可以視需求進行兩兩組合和三項一體組合，形成3種雙防輪胎和1種三防輪胎（見表1），功能更加豐富，更加安全，其中三防輪胎也被稱為全方位安全輪胎，是安全輪胎技術的集大成者，可以說是當今最安全的充氣輪胎。

表1 多防型安全輪胎組合

4 預警型安全輪胎

前面講的是傷后保全型安全輪胎，相應的也就有傷前預警型，這是隨著檢測技術和網絡技術的發展而應運而生的，尤其是進入信息化時代后，在互聯網技術的支持下輪胎預警和使用管理技術得到快速發展。從現狀和前景看，預警型安全輪胎大致可分為三種型式。

4.1 檢測預警型

在線監測溫度、壓力等輪胎數據，在汽車儀表臺上進行相關數值顯示，一旦高于或低于設定安全值，能夠以聲光等形式進行即時報警提示。當前較為成熟的結構方式是在輪輞上安裝傳感器和信號變送器，通過無線技術將數據傳送到汽車儀表上，這種方式的輪胎其實還是普通輪胎。

還有一種方式則是在輪胎上直接安裝傳感芯片，然后通過RFID等技術進行信息存儲和無線傳送，達到檢測報警的目的，這種方式的輪胎是真正的檢測報警型安全輪胎，這種輪胎技術的關鍵是芯片的開發，目前在行業內已經開始嘗試。主要方法是在現有RFID存儲芯片的基礎上探討增加檢測功能。

4.2 分析預警型

在汽車上安裝數據分析處理器及相應的數據標準模型，對芯片采集來的數據進行對比和累積效應的分析，并做出定量的安全評價，用以指導輪胎的使用，提前做好換胎準備。在溫度、壓力基礎上還可檢測加速度、應變等，可以對數據進行連續跟蹤記錄，并自動繪制歷史曲線。這種輪胎+處理器的方式已經成為智能輪胎的模式，是時下正發力攻關的技術。

4.3 管理預警型

這其實是一種網絡型智能輪胎模式，即在輪胎+處理器的基礎上，再+網絡大數據平臺，通過平臺可以實現輪胎從設計到使用的全生命周期的監控，各種影響因素自動綜合評價輪胎的安全性，隨時給出指導意見，甚至控制汽車的使用。這是真正的智能輪胎，是在大數據時代下開發的方向。

5 其他非充氣類型

前面就充氣式安全輪胎進行了簡單的描述和分類，共有4個大類10種型式。除此之外，還有如下幾類非充氣輪胎也在特定領域得到應用，由于沒有漏氣爆破之虞，所以也可歸入安全輪胎范疇。主要品種如下。

5.1 實心輪胎

這是一種較傳統的低速安全輪胎，大都由橡膠模壓或注射在輪輞上構成，一般是單一材料構成整體，結構上是實心，有時也會設計一些孔洞以減少材料使用量和增加緩沖，如圖4。

總體上實心輪胎較重，承載能力較強，主要在低速下使用，舒適性較充氣輪胎差，僅用于工程用車、場地操作車、自行車、人力車等。

圖4 實心輪胎

5.2 填充輪胎

這可以說是另一種型式的實心輪胎，是在類似普通充氣輪胎的內腔進行發泡或其他填充后形成，以發泡體（或其他纖維體）代替空氣進行支撐。這種型式的特點是舒適性接近充氣輪胎但不需要充氣，外腔結構上要求不象充氣輪胎那樣苛刻，且不存在爆胎之虞，但承載力、傳熱性、溫度適應性等不足，可在一些低速輕載常溫的場合使用。如圖5所示。

圖5 填充輪胎

5.3 免充氣空心輪胎

這種免充氣空心輪胎如圖6所示，在實心橡膠中設計了許多封閉的氣腔，充分利用了封閉空氣的支撐和緩沖作用，可以理解為在實心胎的基礎上結合了一些充氣輪胎的優點，是一種單一材料構成的特殊實體輪胎，具有實心輪胎的安全性，可廣泛應用于輕載低速場合。

圖6 免充氣空心輪胎

5.4 免充氣幅式輪胎

這是一種以彈性輪幅代替充氣胎體進行緩沖支撐的安全輪胎，不需要充氣，也不象免充氣空心輪胎那樣有氣腔，性能上兼顧實心胎的安全和充氣胎的輕巧舒適，如圖7所示。輪幅材料一般以復合材料為主，個別也有金屬的。結構上有蜂窩狀輪幅，也有撐片狀輪幅，等等。這種輪胎近年來出現了許多種型式，但大都限于中低速使用，很少能突破100 km/h，隨著材料技術的發展，這種型式現在受到越來越多的關注。

圖7 免充氣輻式輪胎