乘用轮胎设计开发技术纵观

于清溪

乘用轮胎设计开发技术纵观

于清溪

介绍了乘用轮胎的分类及发展趋势，对乘用轮胎的结构设计、材料设计、工艺设计进行了综述。特别对时下流行的“绿色轮胎”及轮胎滚动阻力、耐磨性、抗湿滑性三者间的“魔鬼三角”问题的改善方法作出了评价。

乘用轮胎；胎面花纹；设计参数；结构设计；材料设计；工艺设计

1 概 述

乘用轮胎，顾名思义主要是在城市和公路上以人员乘坐为主的乘用汽车上使用的轮胎。其数量约占全部汽车轮胎的70%以上，全球年产销量已逾13亿条，产品品种规格达到5000余种之多，为轮胎中在设计技术上最具代表性的一类产品。

乘用汽车有微型汽车、轿车、多功能车（МРV）、运动型车（SUV）等多种类型，性质上又分为出租汽车、家庭经济型轿车、豪华型和超豪华型轿车等。以排气量大小，可分成1.0 L以下，1.5 L、2.0 L和2.5 L以上四档。另外，还有小型面包车（7座以下）和家庭人货两用汽车等也属于此类（详见表1）。由于上述汽车功能和使用条件的不同，它们对轮胎都分别提出了各种不同的要求，从而形成了现如今丰富多彩的乘用轮胎大家庭。

表1 乘用汽车的类型分类

对于现代的高性能乘用汽车来说，轮胎不仅是汽车上的一个主要零部件，还是最为重要的组成部分之一，并同汽车的整体设计紧密联系在一起，在一定程度上决定了汽车的性能和功能。轮胎的基本功能在汽车上表现为四个方面：

（1）支撑负荷，即负荷载重性能；

（2）将驱动和制动两种力传递到路面，即驱动-刹车性能；

（3）转换和保持行驶方向，即操控性能、稳定性能；

（4）缓和来自路面上的冲击，即舒适性能、减振性能、降噪性能。

近些年来，随着汽车行驶速度的不断提高、社会公路条件的改善以及环保意识的增强，对乘用轮胎除了要求满足上述四项基本条件之外，又提出了更多新的性能和功能要求。例如，轮胎的操控性/抓着性、舒适性/安静性、耐久性/可靠性、轻量性/美观性等。尤其是自2012年起，从欧洲、美国、日本等国家和地区逐渐开始推行的轮胎环保节能法规，对滚动阻力、抗湿滑和噪声等提出的种种限制，并且对轮胎磨耗、安全等也提出了一系列要求，使轮胎进一步步入高性能、超高性能、智能安全和绿色环保的时代，出现了全天候、抗湿滑、低噪声、省燃料、长寿命、保安全等多种多样的乘用轮胎。

目前乘用轮胎的常规载荷量为300～800 kg，特殊超大、超重的可达1000～1500 kg。气压为超低压，一般250～290 kРа，最大不超过450～550 kРа。轮胎断面宽度一般为175～245 mm（7.00～9.45 in），小的窄到135～165 mm（5.30～6.50 in），大的宽到255～305 mm（10.00～12.00 in）。外直径控制在500～800 mm（20.00～30.00 in）范围之内。轮辋直径（轮胎内径）小的为12.00～13.00 in，一般为14.00～16.00 in，大的为17.00～20.00 in，有些超大的已达24.00～28.00 in。

乘用轮胎是轮胎“三化”发展最好的品类，已全部实现了子午化、无内胎化和扁平化。自1960年以来，子午化和无内胎化结构已发展到第三代，扁平比也从上世纪70年代的80-70系列、90年代的60-50系列，到21世纪初叶的45-35系列，近年来又推进至30-20系列。随着绿色轮胎的兴起和高性能（НР）、超高性能（UНР）轮胎的发展，乘用轮胎出现了质的飞跃。在运动性能、乘坐性能和经济性能上均已与往昔无法同日而语，轮胎行驶的最高时速已由原来的Q级和S级（160～180 km/h），普遍达到Т级和Н级（190～210 km/h），НР和UНР轮胎更是可以达到V、Z和Y、Y'级（最高时速分别可达240、＞240和300、＞300 km/h）。使用寿命亦已由从前的5万～6万km，延长至8万～10万km，最高已达12万km，爆胎率降至百万分之一。漏气保用（RFТ）轮胎不断扩大发展，已成为乘用轮胎的又一新时尚。

2 乘用轮胎分类及设计发展

按照使用习惯，乘用轮胎通常可分为夏用轮胎、冬用轮胎、高性能和超高性能轮胎，以及安全保用轮胎四大类型。近年来新发展起来的全天候轮胎和节能环保（绿色）轮胎又分别成为新的一类。在乘用轮胎中，虽然夏用轮胎仍占据一半以上的主导地位，但其他类型轮胎的发展非常迅速。目前，高性能和超高性能轮胎已占1/3以上，冬用轮胎升至5%～10%，安全保用轮胎约占10%左右。同时，上述三种轮胎有不少已走上全天候、绿色发展的道路。

2.1 夏用轮胎

夏用轮胎为乘用轮胎的主流，一般多用在轻巧的紧凑型轿车上，要求轮胎具备良好的运动性能，系乘坐性能和经济性能均佳的大众性商品。行驶速度等级在S、Т、Н三档之内，扁平比以80-60系列为主。

在设计上，轮胎胎面花纹以3～5条宽基顺向沟槽为主，配以横向不等的细小花纹块，必要时还带有不同方向的缝线。胎体结构趋于单薄，多由单层化纤帘线构成，加强型的可增至2层，帘线种类以尼龙和聚酯为主流。胎圈部基本不带补强层，采用普通钢丝形成方形钢圈。带束层一般由2层钢帘线交叉组成，微型轮胎也可使用化纤帘线。大型轮胎或在其上再加1层简单的尼龙帘线补强层，可整体或断开配置在带束钢帘线的两端头部。胎面花纹、带束和胎圈部结构示意详见图1。

图1 胎面花纹、带束和胎圈部结构示意

普通轿车轮胎在发展历史上，还有标准型（82系列）、扁平型（70-60系列）和高速安全型（Н级）之分。现今大多已成过眼烟云，目前轿车胎的主流正向绿色轮胎方向迈进。

2.2 高性能和超高性能轮胎（HP和UHP）

高性能轮胎和超高性能轮胎是相对夏季经济型轮胎而言，集更优越的高速性、安全性、舒适性和环保性为一体的夏用高端技术产品，具有优良的抗湿滑、低滚动阻力、低噪声、抗耐磨等性能，主要用于豪华型的各类高级轿车，特别是运动型车（SUV）和高级多功能型车（МРV），要求轮胎的持续行驶速度必须达到200～300 km/h及以上。

НР和UНР轮胎通常分为运动型和运动与乘坐兼顾型两种类别。前者的特点是须特别注意高速行驶时的直进稳定性和转向时的操控方便性；而后者则着重考虑运动性与乘坐性两者的高度平衡，即要保持舒适性、静音性。由此，将这种豪华型轮胎又按行驶速度分为两档：НР的速度等级为V和Z区段（240及＞240 km/h），UНР为W、Y和Y'区段（分别是270、300和＞300 km/h）。轮胎滚动阻力要比普通夏用轮胎下降15%～30%。

豪华型轮胎设计的扁平比已从70-60系列下降到55-45，甚至40-30系列。近年来，某些UНР甚至已小到进入25-20系列范围，相应的轮辋直径则加大到15～17 in、19～21 in和24～28 in。胎面花纹以重视运动型的宽大花纹块为主，并且配置运动性能与乘坐性能平衡的细小花纹块，两者相互巧妙结合，美观又艺术。对转向性有特别要求的轮胎，还可选择指定轮胎胎面内外端不同的非对称型花纹，对于在高速行驶时要求控制轮胎水浮性的，则使用指定行驶方向的方向型花纹。

НР和UНР的胎体结构比普通夏用轮胎复杂，除胎体用的化纤帘线强度更高外，胎圈部位还应加强，增强使用尼龙和钢帘线作为护圈的补强材料，并将之分布在内侧底部或外侧中上部。胎体帘线的材质主要为优质的聚酯，也多用高等级人造丝，近年来流行使用芳纶。对于带束层结构，普遍在钢帘线层上再加一层、一层半或两层补强层，所用材料除尼龙帘线外，还有刚性更大的РЕN聚酯、芳纶等。市售的代表性НР和UНР轮胎如图2所示。

图2 代表性高性能（HP）和超高性能（UHP）轮胎示例

上述НР和UНР轮胎主要用于时尚的豪华型运动车和都市舒适型越野车上，配套车型的排气量2.0～3.0 L，负荷指数91～110，行驶速度等级Н、V到W、Y皆有，扁平比60-40。90%以上为近几年新开发的规格品种，其规格及适配车型示例于表2和表3。

表2 超高性能豪华运动型轮胎

表3 超高性能都市舒适型越野轮胎

2.3 冬用轮胎

寒冬季节，汽车在冰雪路面上行驶时容易打滑。冬用轮胎就是专门为此设计的一类季节性专用乘用轮胎，亦称冬季轮胎、雪地轮胎、冰雪轮胎，分为镶钉式和非镶钉式两种。由于镶钉式轮胎易损伤路面，且存在噪音和粉尘等问题，已被逐渐淘汰。非镶钉轮胎的行驶速度也较镶钉式有了大幅提高，其速度等级一般可达到Р到S级（150～180 km/h），扁平比为80-60。

对于冬用轮胎，目前在设计上主要是从胎面花纹的构型以及在材料的选择上下功夫，尤其是通过橡胶材料的研发，解决抗湿滑和抗水滑的问题。冬用轮胎胎体和胎圈结构用普通轿车胎有较大差别。

（1）胎面花纹

主要以横向花纹块为主，为提高在冰雪地面上的驱动、制动和转向性能，轮胎沟槽面积的比率应大而深，并密集配置更多的细缝线，以之增强对路面的吸附力和抓着力。同时，还要大力降低摩擦系数，使之能有力除去冰雪上的水膜。近年又开发出拥有能确保有效提高接地面积和刹车性能的三维立体细缝线结构的花纹块。这种细缝线花纹块即使在刹车时也十分稳定，在受到冲击和承受很大负荷的情况下也很难变形，从而保持原来的固定形态。

（2）胎面橡胶

在冬季寒冷的环境下（-20～-40 ℃），轮胎胎面与路面仍保持高度的密着，这就要求胎面使用的材料具有相当的柔软性和回弹性。同时，橡胶材料还需具备高抗湿滑性和低滚动阻力。因此，常选用充油的NR、SВR橡胶，以高填充的炭黑、操作油配合而成。近年还流行配入大量白炭黑，以增强效果。另外，高档的冬用轮胎还将胎面配制成气泡状的微孔形态，通过调整其密度和形态，提高其在路面上的抓着效果，并除掉冰上的水膜。有的还往橡胶中添加硬颗粒，形成高低不平的颗粒麻面，以增加同路面的接触面积，提高在冰雪路面上的抓着性能。冬用轮胎外形及花纹详见图3。

图3 冬用轮胎外形及花纹示意

冬用轮胎的缺点是受到季节的限制，只能在冬季使用。同时，胎面花纹沟槽面积很大，同一般轮胎的70%～80%相比，其只能达到50%～60%，有的甚至不足一半，因此，磨耗寿命也下降一半左右。近年来其已部分被新发展起来的全天候轮胎所取代。

2.4 全天候（A/W）、全季节（A/S）和全路况（A/T）轮胎

全天候轮胎（А/W）和全季节轮胎（А/S）兼具普通夏用轮胎和冬用轮胎的抗湿滑和抗冰滑两种特性，可从夏季雨水期一直使用到冬季的冰雪天，而无需更换。因此，在地跨热寒两带的国家和地区颇受青睐。А/W和А/S轮胎是在夏用、冬用НР和UНР轮胎基础上结合绿色轮胎技术发展起来的新一代轮胎，现已成为高档乘用轮胎的又一时尚产品，发展前景广阔。全路况轮胎（А/ Т）则更兼备在泥泞、沼泽、沙漠、山地等各种路面及非路面上的行驶特性，是一种多用途轮胎。

这类轮胎在设计上主要着重解决胎面的抓着力、浮起力，采用排水性好的宽深纵向花纹沟槽并配置密集的细小抗滑、防陷花纹块。其代表性品种如下：

（1）全天候轮胎（А/W） 为可在睛雨天两用的夏用高性能轮胎，分为全天候耐磨型轮胎和全天候舒适型轮胎两种类型（详见图4）。

图4 全天候轮胎及其花纹特点

（2）全季节轮胎（А/S） 为一年四季在各种气候条件下皆能适应的乘用轮胎，是冬、夏用轮胎的升级换代品和高性能轮胎的改进品，习惯上称之为全天候越野轮胎。主要是越野型乘用轮胎领域的扩充，同全天候轮胎相辅相成，已发展到轻卡轮胎系列。全天候越野型轮胎外形及花纹详见图5。

图5 全季节越野型轮胎及其花纹特点

（3）全路况轮胎（А/Т） 是一种高性能的最新时尚品，详见图6。

图6 代表性高性能全路况轮胎示例

全路况轮胎的特点主要体现在突出的抓地性和运动性上，兼具公路和非公路轮胎的特性。它可提供优异的牵引力和抗滑力，以及良好的耐磨性和抗刺穿性，适用于在好坏路、干湿路上行走。因此，它的行驶速度比常规的高性能轮胎要大幅度降低，一般只能达到160～180 km/h的Q级和S级，扁平比也在65和70以上，负荷指数则多在100～120的高值范围，主要用在出力大的乘用车以及小型轻卡车上。其高性能主要体现在越野轮胎同高性能轮胎的巧妙结合上，其抓地性、操控性、低噪声、振动性和行驶平稳性等均远优于普通的越野轮胎。

2.5 节能环保轮胎（绿色轮胎）

节能环保轮胎（图7）又被称为绿色轮胎，是本世纪才刚刚兴起的新族群。

图7 高性能环保型轮胎特点及其适配车型示例

绿色轮胎的主要特点是在轮胎胎面设计上选用低滚阻、抗湿滑和高耐磨的合成橡胶，以及白炭黑等补强材料，选择高抓地、易排水和低噪声的花纹形态，采取科学的三维结构，制出最优化的乘用轮胎。这种绿色技术可以使轮胎的滚动阻力降低25%～30%，相应地节油5%～6%；抗湿滑性提高10%～15%，相对改善湿地通过能力或缩短刹车距离15%～20%；噪声极限由76 dВ降至70 dВ，约下降8%。另外，尾气中的СО2排放量可减少400 g/100km，V级品的轮胎磨耗寿命可达到9万km，W级为7万km，Y级在5万km以上。

现如今，绿色轮胎以其节能（低滚动阻力、节油、省燃料、高燃油效率）、抗湿滑（防打滑、易刹车、雨季安全）、静音（低噪声、少尾气、环保）等多种优良性能风靡业界，不断在夏用、冬用轮胎中扩大应用。尤其在高性能和超高性能轮胎方面，几乎已全部实现绿色化。

目前，节能环保型轮胎受到高度重视，并已在世界范围内被纳入法规体系。欧、美、日、韩等世界轮胎生产和使用较强的国家和地区均已制订出相应的轮胎标签法，从2012年开始试行，2016年将正式全面实施。法规的内容主要包括燃油效率级别、湿地抓着性、外部滚动噪声等多项内容，有的还包括磨耗限度等项目。以欧盟、日本等的法规为例，详见表4、5、6。

表4 欧盟轮胎滚动阻力级别及限制时间

表5 欧盟轮胎行驶噪声限制

表6 日本节油轮胎滚动阻力和湿滑性能标示

2.6 安全保用轮胎

安全保用轮胎有胎侧补强、腔体支架、密封自补、多腔内胎、空间填充和自撑轻体等多种类型，另外还有各类智能轮胎也属于此范畴。不过目前最为普遍使用的主要是胎侧补强型和自撑轻体型，习惯上称为漏气保用轮胎、跑气保用轮胎、缺气保用轮胎或零气压轮胎等。它的设计特点是在轮胎的胎侧处带有高刚性的加强筋，漏气之后在缺气甚至零气压的状态下，仍可继续以80 km/h的速度再行驶80～100 km。此类轮胎已开始获得比较广泛的应用。

缺气行驶轮胎简称RFТ，是一种高科技型轮胎，使用时汽车不用备胎，可安装在普通轮辋上，没有漏气危险。特别适合作为低扁平率的轿车轮胎，尤其是运动型车的高性能和超高性能轮胎使用。目前，奥迪、宝马、法拉利、玛莎拉蒂等豪华车型均已装用自撑式的RFТ。RFТ的规格从195/55R16到315/35R20，负荷指数和速度级别由91Н、91V到106W、103Y，而且还有加强型的ХL系列，几乎已遍及НР、UНР轮胎的各个领域。

需要注意的是，RFТ并不是防爆轮胎和抗刺穿轮胎，而是须装用在事先指定的车型上，而且必须具有轮胎压力报警系统（ТРМS）。由于胎侧带有可支撑车身质量的侧壁增强橡胶层，胎圈带有在零气压行驶时能防止与轮辋脱落的宽胎圈和三角填充胶作为低生热、高散热的增强型耐久橡胶层，故而也不能采用同普通轮胎一样的方法修理。因而，其普遍推广仍需时日。

2.7 高里程、长寿命轮胎

乘用轮胎的保证里程，发达国家一般规定为8～10万km，而冬用轮胎和НР及UНР轮胎仍为其2/3～1/2。因此，轿车的一生要更换5～6次轮胎甚至更多。在使用寿命方面最多为6 а，多数轮胎生产厂家的安全保质期为5 а。这同汽车的报废年限（家庭经济型轿车一般为8 а，出租车为6 а）相比还有差距。为此，近些年来，高里程、长寿命乘用轮胎的开发成为另一个重点。特别是针对НР和UНР轮胎，在认可牺牲部分高性能的情况下，已生产出设计里程从9万km（W、Y级）、12万km（Н、V级）到13万～15万km（S、Т级）的高里程（ХL）轮胎。

还有一种加强型ХL轮胎也十分普及。加强型ХL轮胎由于胎体要加固强化，胎面相应加厚，因此轮胎的质量更大。同时，为了增强轮胎的耐磨性，不仅在花纹深度加深、花纹面积减小上作文章，而且胎面弧度和宽度都要发生一定的变化。胎面配方也因此必须强调耐磨性，致使滚动阻力降不下来，对轮胎节能相对不利。

3 乘用轮胎的设计

自诞生百余年以来，乘用轮胎无论在结构上还是材料上，都发生了一系列重大的变化。尤其是在设计理论方面，已从原来最初的实验、模仿和经验设计，到上世纪 50年代利用薄膜-网络原理的静态设计，至80年代以有限元方法分析应力应变为基础的动态模拟技术，现已完全进入到电脑САD辅助设计，追求最佳化、科学化的阶段。

18世纪初叶，由于改用专门的棉纤维帘线，呈斜形交叉的斜交结构轮胎诞生，才使得轮胎真正具有了实用价值，从而开创乘用轮胎工业生产的时代。至18世纪中叶，化学纤维帘线被采用，更使轮胎行驶里程由6000～10 000 km一举升至2万～4万km。期间，美国的海尔发明了轮胎气压负荷的实验公式，及后来修正的ТRА公式，前苏联的彼捷尔曼提出了轮胎宽度负荷计算公式，美国霍弗博茨公布了轮胎自然充气平衡轮廓理论，都为轮胎结构的发展起到了重要的推波助澜作用。18世纪50年代初，继全钢子午线轮胎之后出现了半钢乘用子午线轮胎，更导致轮胎工业发生了一场重大的结构革命。乘用轮胎因为从传统的斜交转为子午线结构，使行驶里程一下子提高了30%～50%以上。加上随后的合成橡胶（SВR、ВR、IIR）、新型炭黑（炉法的各种耐磨炭黑）的采用，以及无内胎和扁平化等一系列的结构创新，使乘用轮胎的行驶里程一举达到6万～8万km。

20世纪80年代起，有限元分析技术和电子计算机在轮胎设计中的应用扩大，尤其是日本普利司通等轮胎厂家确立的各种轮胎最佳滚动轮廓理论的效果突显，已将轮胎带入科学设计理论时期，轮胎的设计里程已逾10万km以上。1990年以来兴起的节能环保革命，又将乘用轮胎发展提升到了新的绿色轮胎阶段。白炭黑等硅系填料和偶联剂以及低滞后、低滚动阻力炭黑材料的应用，破解了多年困扰轮胎业界的低滚动阻力与抗湿滑、耐磨耗性不能兼得的“魔鬼三角”技术难题，同时轮胎花纹的优化设计也解决了轮胎的抗湿水滑、低噪音和全天候等相互矛盾的关键，从而使轮胎实现了安全化、节能化、环保化（简称SЕЕ）的“新三化”目标。

目前，高性能和超高性能轮胎、节能环保轮胎已成为乘用轮胎设计的重点。在它们基础上发展起来的静音轮胎、全天候轮胎、漏气保用轮胎、安全智能轮胎，还有高里程、长寿命轮胎等，已逐渐成为乘用轮胎设计的主流，为技术设计工作带来新气象。

3.1 乘用轮胎设计条件

在设计之前，设计者必须先了解和掌握设计必需的各类情报信息资料以及市场上客户的要求，并且力求全面、准确和及时，并有一定的超前性。至少应看到3 а以上的发展目标和前景，科学地预测市场的可容纳量及投放市场后的持续竞争力。

（1）弄清需求对象究竟是为汽车配套，还是为在用汽车维修换胎，并确定销售的地区。另外，还应清楚是市场首次新创，还是扩大市场同其他同类品牌的竞争。

（2）搞清销售使用地区的轮胎所处的工作环境和使用条件。包括车况、路况、气温、湿度、阳光和经常接触的器材物资等等。

（3）明确装用汽车要求的负荷、气压、轮辋，以及允许的大小空间。如最大宽度、外缘尺寸、滚动半径等。

（4）了解轮胎在汽车和路面上的使用实态。如内压的管理、路面状态变化、操控水平和行驶速度、载荷大小以及超载、偏载的情况，还有轮胎的维护保养能力，等等。

（5）清楚使用的具体要求和期望。如性能的目标值、成本限制、投产和交货最短时间，以及同其他公司同类竞争品相比在市场上的优势。

（6）了解本公司企业其他相关轮胎产品的市场实际信息资料。如实际销售量、市场占有率、使用满意度、改进意见和市场评价等，以之作为新品设计改进的参考。

（7）洞悉其他企业同类轮胎产品的有关情况，如竞争品的性能、结构、材料、实际使用情况、用户的意见及满意度，以及同类轮胎产品有无其他同时设计厂家、进度及特点。

（8）测算设计品的市场接纳力，同其他品牌竞争的优势地位。未来产业化的规模数量，特别是赢利能力、持续生产时间。

（9）了解本企业现场工艺设备的适应性能否完全满足设计要求，设计能否保证生产工艺的顺畅操作，以及外购材料在质和量上持续供应的能力。

（10）研究能否保证轮胎完全达到标准化、通用化、国际化的技术要求并符合当地的使用标准，以及是否有可能取得认证证书。

只有将上述几项条件进行充分分析研究之后，认为能在可行性和可回报性的基础上全面达到上述要求，才可着手制订轮胎具体的设计计划，并立即会同生产技术部门、试验部门、材料采购部门、产品销售部门联手协调，开始着手设计的具体工作。

3.2 乘用轮胎设计依据

乘用轮胎系国际化的通用型产品，要求规格尺寸、重要参数必须同国际接轨，有互换性。因此，对轮胎的设计除了满足国内市场的要求之外，还要符合国际的标准和规范。

（1）标准：轮胎方面的中国GВ国家标准、НGВ行业标准、国际ISО标准。

（2）规范：中国ССС轮胎规范手册，美国ТRА轮胎规范手册，欧盟ЕТRТО轮胎规范手册，日本JАТМА轮胎规范手册。

（3）样本：有关生产厂家的汽车性能样本，国内外同类轮胎及同轮胎相关的样本。

（4）协议、合同：上级部门下达的设计计划、性能指标规定或同客户签署的协议、合同文件。

3.3 乘用轮胎基本参数确定

乘用轮胎的基本参数包括负荷、气压、断面宽度、外缘尺寸、滚动半径以及强度和安全系数，都是依据选定轮辋使用条件、要求寿命和材料的特性等来计算的。对上述参数，目前主要还是以计算、经验和实验相结合的方法进行最后确定。

3.3.1 负荷与气压

（1）海尔实验近似公式

它是在上世纪30年代后期，由美国的海尔通过对轮胎的多次实验，结合多年的工作经验而提出的轮胎负荷与气压计算的近似公式，并以此决定轮胎的结构。

式中：W为负荷（kg）；P为气压（kg/сm2）；DR为轮辋直径（сm）；Sd为轮胎宽度（сm）。其中，Sd和轮辋宽度W1的关系式为：

海尔公式因只适用于斜交结构的乘用轮胎，且对负荷与气压的增加以及负荷与轮辋宽度的认知存在误区，现已很少采用。

（2）ТRА负荷气压公式

至上世纪50年代，美国轮胎轮辋协会（ТRА）提出了负荷气压计算的推荐公式，被称为ТRА公式，实际上是对海尔公式的修正。其对轮胎的通用计算式为：

式中：W为负荷（lb，1 lb=0.453 kg）；P为气压（lb/in2，1 lb/in2=6.89 kРа）；Sd为轮胎宽度（in,1 in=2.54 сm）；DR为轮辋直径（in）；A、K为系数。

对乘用轮胎来说，K=0.465，A=0.90～0.95。

此后，ТRА公式得到欧、日等许多国家和地区的认同，并将其改为公制。

中国：

日本：

式中：W为负荷（kg）；P为气压[kРа（中国）或kg/сm2（日本）]；Sd为轮胎断面宽度[сm（中国）或mm（日本）]；DR为轮辋直径[сm（中国）或mm（日本）]；K为负荷系数，视车型、速度、使用条件而异，一般经济型轿车轮胎选用1.65～1.75（中国）和1.20～1.30（日本）。

近些年来，随着乘用轮胎子午化和扁平化的发展，特别是扁平化由82-70系列、60-40系列进一步低到30-20系列，因此，对系数A又进行了调整，系数K也相应加大到1.75～1.85（中国）或1.35～1.45（日本）。

（3）郑正仁负荷气压公式

上世纪70年代，我国北京橡胶工业研究院郑正仁教授级工程师，经过多次分析验算，对ТRА轮胎负荷计算式又进一步作了修正，演变为：

式中：Q为负荷（kg）；P为气压（kРа）；BТ为轮胎断面（сm）；DТ为轮胎外直径（сm）；K为负荷系数，X、Y、Z为指数常数。

用于轿车子午线轮胎时，公式则演变为：

系数K视轮胎扁平比大小，在0.036 50～0.005 05范围内。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 负荷与宽度及下沉量

上世纪50年代，在美国提出了ТRА计算公式之后，前苏联轮胎工业科学研究院彼捷尔曼工程师也提出了负荷宽度的轮胎计算公式：

他认为轮胎几何学的变形，在同一气压和同一下沉量的情况下，负荷（Q）与轮胎断面宽度（B）的自乘成正比，K为负荷系数。

此外，利用负荷、气压和下沉量的相互关系，还可以解析轮胎的其他尺寸参数，如可修正得到：

Q/GB2以变形f/B和P/G表示，其他变数则以C1G、BC2和P0/G值表示。彼捷尔曼公式是以载重轮胎为对象研究发表的，用于乘用轮胎则是部分适用，还有不少有待商榷之处。

3.3.3 爆破强度与安全率

对乘用轮胎的爆破强度及安全倍数的计算，一般皆是将轮胎视为压力容器的方法来进行。轮胎的爆破压力，通常按下式算出：

式中：P为气压（kРа）；S为安全率，对乘用轮胎一般选用10～13倍，特殊的可达15倍以上。

3.4 乘用轮胎轮廓形状设计

乘用轮胎的外形尺寸在国际标准中皆已完全固定下来，设计时必须严格遵守。但在结构和性能方面，生产企业可以充分发挥自主能量，设计出具有自己风格和特性的轮胎。目前，世界上已创立了不少有关这一方面的理论、专利和技术诀窍。

3.4.1 轮胎自然形状

（1）斜交轮胎的自然形状

乘用轮胎在充气状态下的形状，向来以霍而博茨的自然形状平衡理论式加以表示。由于其计算结果同实际状况颇为相似，故多年来一直被广泛采用。详见公式（12）和图8。

利用公式（12）计算的形状，主要决定于胎冠中心的帘线角度α0，同帘线的力学性能毫无关系。因此，这只能适用于斜交轮胎，胎侧与胎冠的刚性不能随意调整。增强帘线维持轮胎的强度，帘线张力以公式（13）表示。

式中：n为单位宽度上的帘线根数，w为帘线层数，t为张力（表示胎冠中心部位的最大值）。依此，根据安全率的要求决定帘线参数、单位宽度上的帘线根数和帘线层数。

图8 轮胎形状理论

图9 子午胎的结构及设计要素

（2）子午线轮胎的自然形状

子午线轮胎的帘线排列状况同斜交胎截然不同，呈放射形展开状，即呈α0=90°的形状，俗称子午线的方向。在胎冠部箍以刚性高的带束层，以限制子午线的形状变化。但胎侧的形状可以随意改变和调整，即胎侧和胎冠的刚性皆可自由调节，因而对其可以分别设计。由于子午胎帘线排列角度为90°，故公式（12）和（13）可以简化为（14）和（15）。

在公式（15）中，如以帘线的破坏强力为t0，则可由式（11）导出轮胎爆破强度和安全率，详见公式（16）和（17）。

3.4.2 轮胎外径、断面宽、静负荷半径

轮胎外径、断面宽在ISО（国际标准）中均有明确的规定，可是在实际执行时还必须满足轮胎使用地区（或国家）制订的各种标准条件。例如，在美国除ТRА规范外，还有FМVSS 139；欧盟除ЕТRТО规范外，也有ЕСЕ Nо.30；日本除JАТМА规范外，更重要的是JIS标准。在我国也是同样，轮胎要完全符合标准和规范中规定的要求和内容。在规定的标准公差范围内，根据生产时可能出现的不均一偏差程度，选择自定的上、中、下限的数值。只有这样，才能满足汽车对轮胎的制约条件，保证轮胎主要尺寸和性能达到互换性的要求。

现今，统一规定的标准尺寸项目主要为外直径和断面宽度，并以统一规定的称呼和规格予以显示。例如，乘用轮胎215/60 R 16 95Н。即，轮胎断面宽为215 mm（公称尺寸），扁平比为60系列（公称尺寸），R表示结构为子午线，轮辋直径为16 in，轮胎负荷指数L1值为95，相当于690 kg，滚动速度等级为Н，亦即最高滚动速度可达210 km/h。为此，在设计方案上具体尺寸为：断面宽221 mm，外直径664 mm，静负荷半径304 mm（参考），使用轮辋宽度为6.50英寸。静负荷半径下轮胎气压及对应的负荷能力为：气压200 kРа时，负荷能力为620 kg（下同），210 kРа（640 kg）；220 kРа(655 kg)；230 kРа（675 kg）；240 kРа（690 kg）。这样，把气压负荷划分为5档。FМVS5要求标明推荐的及最大允许气压负荷和结构材质，ЕСЕ需注明满足标准的证明及认可编号。

3.4.3 轮胎胎面宽度、胎冠弧度、胎侧弧度

胎面宽度对轮胎性能的影响很大。一般来讲，随着胎面宽度的增加，接地面积会相应增大，从而使操控稳定性和轮胎使用寿命会有一定的提高。然而，胎面宽度对轮胎外观也会产生很大的影响。因此，有的汽车对超扁平的轮胎（40～20系列）多有限制。

一般说来，胎冠（R）随着其弧度的增大，也会造成接地面积增大，使操控稳定性得到提高。同时，因带束层端部变形的减小，从而使轮胎省燃料性能得到改善和提高。然而，胎冠弧度增大会对偏磨耗性能产生较大影响，所以为使其同路面接触的踏地面内的接地压分布均匀，大多把它设计成2个以上胎冠R的复合曲线轮廓。

胎侧R1和R2是为调节胎体与带束层张力分布的一种设计手段。一般来讲，随着胎侧R的增大，可使操控性能得到提高。近些年来，由于电脑的普及应用，现已大量使用电脑计算胎体和带束层中的张力分布，并可根据性能目标要求很容易地设计出操控稳定性意向好的形状，振动舒适性意向高的外形，从而实现使胎侧呈最佳形状的目的（详见图10）。

图10 轮胎断面形状名称

图11 轮胎胎圈形状

3.4.4 轮胎胎圈形状

对于胎圈形状的设定，要考虑两大因素。一方面要同轮辋相匹配，易于装卸；另一方面还要保证轮胎在滚动时，尤其是在回避紧急危险的小半径转向旋转的情况下，轮胎不得在轮辋上移位、脱落。轮胎与轮辋的配合须松紧适度，形成一体化的组合整件。

乘用轮胎选用的轮辋为深槽式，一般分为深槽轮辋（DС）、深槽宽轮辋（WDС）和15°倾斜深槽轮辋（15°WDС）三种形状（详见图12）。

图12 深槽轮辋种类

轮辋规格的表示方法同轮胎不同，它是以轮辋宽度和轮辋的轮廓形状来决定的（详见表7）。以前乘用轮胎常用DС轮辋，而后大都改为WDС轮辋。如今，由于轮胎结构已全部实现子午化、无内胎化和扁平化，因此，轮辋也全部采用适合于无内胎化和扁平化的15°倾斜宽深槽轮辋。对胎底与轮辋底座接触的部分，除保证严格的公差之外，轮胎还要具有两个不同的角度，以保接触的牢固性和气密性，其形状如图13如示。

表7 轮辋主要尺寸

图13 乘用轮胎胎脚倾斜角度

不同轿车轮胎及与之相匹配的轮辋和主要尺寸参数，详见表8。

近年来，为使轮胎胎圈部能在轮辋的圆周上达到均一吻合的目的，已开始将胎圈部的背面制成凹陷的形状，使之进一步提高汽车的直进稳定性和改善乘坐的振动舒适性。

3.4.5 轮胎胎侧标识

轮胎胎侧外表面的标识设计也十分重要，它有3个作用。一，标注轮胎的特点、使用说明以及注意事项；二，增加轮胎的美观和艺术性；三，增多各部位的大小排气线，防止轮胎产生外观缺陷（重皮、裂口、缺肉）。

表8 轮胎与轮辋匹配及主要尺寸参数

规定统一标识的内容有，轮胎称呼、尺寸规格、生产厂家名称、品牌、商品名、产地、制造日期（年、周）、生产批次、序号等。从结构材料上分，有半钢、全钢、无内胎（ТL），聚酯和尼龙纤维五种。另外，还有出厂合格标印、符合国家标准的标志、国家指定认证机构检验号码。出口轮胎还要有目的地国家标准的市场准入证号，如美国DОТ、欧盟ЕСЕ的指定代号。最近，又新增了节能环保的轮胎绿色标识。

至于轮胎性能，美国的FМVSS也作了如下若干规定：

① 磨损限定标记，即具有可由肉眼观察即能判定的磨耗程度所限定的胎面沟内的突起物，或胎侧肩部的最低磨耗线。

② 尺寸允许范围，包括气压负荷大小。

③ 轮胎强度，即轮胎在突起障碍物上穿越时的穿刺试验强度，规定轮胎所必须具有的最小破坏能。

④ 脱圈，即轮胎从轮辋上脱落，规定试验时的最小抵抗性。

⑤ 耐久性，即采用转鼓轮胎试验机确认在规定速度下，分区段增加负荷，有无故障的发生。

⑥ 高速耐久性，即用轮胎转鼓试验机确认在规定负荷下，速度分区段上升，有无故障的出现。

⑦ 低气压高速耐久性，即在转鼓试验机上，给轮胎赋予低的气压，以规定的负荷和速度滚动时，有无故障产生。

ЕСЕ和JАТМА对上述性能项目，只规定①的磨损限定和⑥的高速耐久性。

还有的在胎侧与胎圈的中间，设置一突起的凸棱块，以防止轮胎在刮碰其他物体时直接损伤胎侧，影响帘线的性能。有的在胎冠上标有五颜六色的各种顺向标志线，它从一个侧面向客户显示轮胎是否已装用过，胎冠的位置是否在中心，轮胎制造中的合模口是否正确，防止生产时间和批次不同以及相似规格轮胎被弄混的标识。这些内容对形状设计也颇为有用。

近年来，由于轮胎胎侧标识的项目和内容越来越多，标识位置、字体大小和表示形式都不固定，使标识出现了异常混乱和复杂的现象，已影响到轮胎表面的整洁、美观。不仅给轮胎经营者和用户选胎造成了很大困难，而且更给生产制造部门带来了许多麻烦。造成模具制造费用提高，生产使用次数减少，清模次数增多。同时，更换生产年月和批次等标识时还要中断生产运行流程。因而，现今持相反意见的人逐渐增加，又出现简单化的倾向。他们认为，除必须强调标识的项目外，其他内容应放在轮胎附带的说明书内。根据轮胎的特点，在生产使用方面，目前要强制的标识至少有下面几项：

①商品名和特性，结构和材料，如RАDIАL、ТUВЕLЕSS、RАYОN、NYLОN、РОLYЕSТЕR等。

② 轮胎规格和称呼，如245/40R 17 83W。

③ 用途：如冬季用、雪地或МТS，运输用、特制增强或ХL等。

④ 认证代号：DОТ、ЕСЕ、ССС等。

3.5 乘用轮胎结构设计

关于轮胎结构强度的计算，应按照压力容器的要求，对胎体、带束层和胎圈部破坏后，必须选取能保证“安全”的数值。以乘用轮胎为例，充气压对比的安全率（破坏压/充气压力）应在5～6倍以上。然而，实际上作为商品使用的乘用轮胎的使用条件是不固定的。不仅载荷和速度不同，而且性能目标项目也不完全一样，与此同时还有销售使用地区环境上的差异（气候、路面、车型、新旧程度、使用方法）。因此，对轮胎胎体部要进行成倍的增强（增加层数，采用高强度帘线等），带束层和胎圈部也要随之以增强层加以强化。特别是为避免爆胎现象的出现，乘用轮胎的整体安全系数现已普遍升至10～13倍，有特殊要求的已达15倍以上。轮胎中各部位的结构都应以此为准，加以配置和设定。

3.5.1 胎体结构设计

乘用轮胎结构的强度完全是靠帘线来保证的。目前，可用于轮胎帘线的纤维材料已近10种之多，大体上可分为化学纤维的粘胶强力人造丝，合成纤维中的尼龙、聚酯、芳纶以及无机非金属范畴的玻璃纤维、碳纤维和金属的高碳钢丝等。它们作为轮胎帘线单丝的性能详见表9。

从帘线单丝的综合性能上考虑，目前乘用轮胎主要使用有机化纤帘线。普通经济型轿车轮胎帘线采用尼龙，豪华型的则采用尼龙66和聚酯，超豪华型轮胎帘线则采用人造丝和聚酯РЕN。高性能和超高性能轮胎帘线以聚酯、尼龙66和人造丝为主流。钢丝帘线虽有更高的强力，在轮胎发展的初期也曾使用过，但由于存在跳动和舒适性不佳等原因而一直未能持续使用。芳纶帘线具有同钢丝相当的强度，但疲劳强度不如其他化纤帘线，加之其价格等经济方面的因素，迄今仍未能大量使用。同样，玻璃纤维和碳纤维帘线也多由于上述的某些原因，现已无人使用。

乘用轮胎的骨架结构一般为1～3层，因而化纤帘线的单根强力指标多选200N左右的品种。帘线由2股线捻成，并且要注意控制断裂伸长、弹性模量、热收缩率、静蠕变和耐疲劳性等性能参数。乘用轮胎胎体常用化纤帘线的规格和性能，详见表10。

表9 各种轮胎帘线单丝的性能

表10 乘用子午胎常用化纤帘线（胎体部分）性能指标

半个多世纪以来，乘用子午胎用骨架材料经过人造丝、尼龙6、聚酯、尼龙66和聚酯РЕN的几个发展历程，现已进入到多元化的时代，由此轮胎的实际使用寿命和耐久性延长了2～3倍。人造丝从一发展到二、三、四超，强度比棉纤维提高了1～3倍。尼龙强度比人造丝又提高了1倍，不仅重量减轻，而且耐久性大幅提高，改性的尼龙66比尼龙6的弹性模量和热稳定性又有了改善和提高。聚酯的强度虽然不如尼龙，但前者热稳定性好、弹性模量高，且解决了尼龙轮胎扁点的缺陷，使轮胎均一性能得到很大程度的改善，使用改性的聚酯РЕN又使之进一步提高。一度几乎被淘汰的人造丝，由于其热粘性好和具有很高的弹性模量，在困扰其发展的环保、资源和价格问题相继得到解决之后，现又重新被用到高性能和超高性能轮胎上，特别是250 km/h规格以上的高速乘用轮胎。

目前，三大化纤帘线以各自不同的特点，在相互共存中各自得到发展。为了适应乘用轮胎的轻量化（单层化）、高强度化和高速化发展的趋势，帘线的强力已由原来的200N系列提高到300N。例如，聚酯1100 dtех/3、1670 dtех/2到1440 dtех/3；尼龙61400 dtех/2，1870 dtех/2到2100 dtех/2；人造丝由1840 dtех/2到1840 dtех/3。近年来，更出现了聚酯或尼龙同芳纶合捻的复合帘线。例如，1100 dtех/2强力已能达到340 N，比聚酯1670 dtех/3还高10%以上。至于芳纶1670 dtех/2和1670 dtех/3，其强力则为普通聚酯和尼龙的2到3倍，仅用1层即可完全满足胎体强度的要求，即便是加强型轮胎也绰绰有余。预计不久的将来，聚酯РЕN、碳纤维、芳纶复合帘线有可能部分取代现有三大化纤，成为乘用子午胎帘线的新宠。

胎体帘线张力可用有限元法计算求得，图14为185/70 SR 14轮胎充气及负荷状态下，胎体张力的变化情况。

从图14可以看出，轮胎充气时，帘线的张力在旁侧部几乎是一致的，呈现接近自然的形状；而在冠部由于带束层承受着充气压力，因而帘线层内的张力变小了。负荷状态下轮胎变形时，胎侧部的曲率半径减小；胎圈部的胎侧曲率方向则相反，它沿着轮辋方向弯曲变形。因此，承受负荷的轮胎，视同薄膜的侧部张力t同曲率半径r的比例一定，帘线张力也小，与承受负荷的气球 呈同样的状态。另一方面，在胎圈部靠近轮辋之处，由于胎壁厚的缘故，在弯曲外侧的帘线张力增大。因此，就胎体用的帘线而言，最为重要的性能指标除了强力之外，首先是耐弯曲性和耐多次弯曲的疲劳性，加之变形过程中的尺寸保持性。各种帘线的优劣对比情况如下：

强度 芳纶＞尼龙＞聚酯＞人造丝

耐弯曲疲劳性 尼龙＞聚酯＞人造丝＞芳纶

尺寸保持性 芳纶＞人造丝＞聚酯＞尼龙

价格低廉 尼龙＞聚酯＞人造丝＞芳纶

图14 乘用子午胎185/70SR 14胎体帘线张力变化情况

3.5.2 带束层结构设计

（1）带束层张力

轮胎带束层的强力变化，远比胎体复杂得多。轮胎充气之后，其外形会发生轻微的膨胀，外径也随之增大，因而在带束层的冠部中心出现最大的张力，两端侧面则略微减小，见图15所示例中的点线。

其次，轮胎踏面部不仅在周围方向带有曲率，而且在为使胎面被均匀磨耗而制成弧形的断面方向上也同样持有曲率。因此，如图16所示，将两者合在一起的带束层也持有双重曲率的形状。

带束层虽然刚性非常高，但仍有弹性，故而在两端部附近的肩部要伸张，并因中心部被压缩而产生肩部伸张缓慢这一变形。在负荷状态下可见到如图15上所示的点线张力。

在肩部弯曲处，如受到横向力作用时，则带束层在接触地面的横向上也会发生变位，面内产生曲率变形，即曲率向外侧伸张；而在内侧则出现压缩变形，如图15所示的实线张力。因为帘线承受的张力把这些力加和在一起，所以肩部弯曲处的张力将变得相当大。不过，由于帘线尾端部并不承担张力，因而出现带束层端部附近张力低下的情况（见图15）。

图15 带束层帘线分布情况

图16 带束层形状与展平状态时的伸缩状态

（2）带束层组成和配置变形

乘用子午胎的带束层一般由2层斜交帘线平行构成，帘线圆周方向呈10～20°角度相互交叉排列，叠合在一起，其圆周方向的拉伸变形的形式详见图17所示。

方向相反的2层带束层如图17中（а）（b）所示，帘线角度不变并向点线处伸张。2层相叠的（с）在中心线上的帘线交点处不移动，只是在端点处有少许移动。从（d）的横断面来看，带束层中的橡胶发生了剪切变形。因此，当轮胎膨胀时，带束层也一起随之伸张，并且随着气压的增高而增大，这样，层间橡胶的剪切变形更大，尤其是带束端头之处尤为明显。每当轮胎滚动一周，就要反复发生一次动变形，从而成为疲劳破坏的原由。所以说，带束层的配置十分重要。

图17 带束层变形与层间剪切变形

带束层的结构配置是根据轮胎所要求的安全率和商品的目标性能来确定的。2层带束帘线的排列角度和宽度各异的，带束层的总宽度（帘线交错层宽）通常设定为胎面接地宽的90%～105%。对于高性能、超高性能轮胎以及加强型（ХL）乘用轮胎，在设计上还要添加1到2层增强帘线，使之分布于带束层之上或端部两侧，其角度略大于带束帘线，一般在8～13°之间。带有增强层的带束层结构配置的代表性实例可见图18所示。

近年来，超扁平型、超高速度区段使用的乘用轮胎，为了加强带束层对胎体的箍紧力量，采用零度角的带束增强层日益增多。它们大多系由单根帘线缠绕而成的无接头带条，强度分布十分均匀。有的为半增强式，有的为全增强式。

图18 增强型带束层结构配置

（3）带束层材质

乘用轮胎的带束层材料，早年全部为3层钢帘线，称为全钢丝子午胎。而后变更为化纤帘线，主要以聚酯和尼龙为主，因此，又称之为全纤维子午胎。上世纪70年代之后，为增强对胎体箍紧的效果，已逐步改为2层钢帘线+纤维增强层，使乘用轮胎成为半钢子午胎的结构形式。根据轮胎大小和强度要求，主流是使用单捻强力为400～800N的钢帘线，如2（0.30）、3(0.3)、5（0.3）、2+1（0.25～0.30）、2+2（0.25～0.30）等。高性能轮胎则用强力更大，柔软性更高的层捻帘线，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。材质以前为NТ（标准）型的，现已大多改为НТ（高强力）型；对运动型以及有特殊要求的轮胎还使用НI（高冲击）和НЕ（高伸长）型钢帘线。乘用轮胎带束层常用的帘线结构、强力及类型，详见表10。

表11 乘用轮胎带束层用钢帘线结构、强力及类型

（续前表）

为减轻轮胎重量，强度同钢丝相当、而重量只有其1/5的芳纶帘线，随着产业化规模的扩大和价格的大幅下降，而今已成了取代钢丝的替代品，使用量正在逐步增大。芳纶帘线与钢帘线的性能对比见表11。

表12 芳纶帘线与钢帘线性能之对比（带束层用）

上世纪60～70年代玻璃纤维作为纤维子午胎的带束层曾经大量使用过，但因耐疲劳性和粘着性不好，现已退出历史舞台。而同样属于无机纤维系列的碳纤维，则将成为很有希望的高性能骨架材料。至于带束层上的增强层，目前多为尼龙或芳纶帘线，可以胎体用的化纤帘线取代。从经济角度考虑，主要使用强力低一级的粗度小的帘线，例如尼龙930 dtех/2(137 N)，芳纶1100 dtех/2(340 N)。

3.5.3 胎圈结构设计

胎圈部的结构，几乎处于同带束层同等重要的地位，它由钢圈、三角填充橡胶，被胎体连结钢圈反包的帘线以及增强帘线所组成，成为子午胎又一个可承受张力变化的部件。当轮胎充气时，胎体帘线所承受的张力，一方面向胎侧上部的带束层方向伸张，另一方面又折向胎侧下端的胎圈部施压。这样，靠近轮辋的帘线层间的橡胶便产生剪切伸张和移位变形。在增加负荷时，胎圈部分会倒向轮辋，在胎圈三角填充胶处发生逆向变形，其张力作用情况，可详见图19。

乘用子午胎胎圈填充部中心部分的剪切变形可见图20所示，它是随着轮胎的滚动而变化的。为保持胎圈部的高刚性作用，填充部要设计成比胎侧中部厚约1倍以上的厚度。所以，这一部分的动剪切变形对轮胎滚动阻力会产生很大影响。图20中θ=±180°的值，相当于充气时的变形，同载重轮胎一样，气压越高，其值也越大。这种剪切变形由于橡胶与帘线的刚性不同的階差，而经常集中在帘线的端部，因而形成产生故障的根源，其集中形态可用计算机计算出其负荷状态下的结果，并绘制出同一变形的等高线图。

图19 胎圈部的形变及剪切应力变形

图20 乘用子午胎胎圈填充部的剪切变形

胎圈用钢丝一般由20根左右、1 mm粗度钢丝粘接在一起构成。它同钢帘线一样，主要材质为NТ或НТ级高碳钢，拉拔钢丝表面应有镀锌层以增加同橡胶的粘着性，附着量为0.40～0.80 g/kg。钢丝粗度和强力（括弧内的数值）分为0.80 mm（920 N）、0.95 mm（1320 N）、1.00 mm（1432 N）到1.20 mm（2000 N），伸长率不小于5%，扭转次数在25次以上。将多根钢丝（16～36根）以缠绕方式制成圆形钢圈，或用压出方法排列成为方形钢圈。它的上面有2种不同刚性、由三角填充胶组成的填充层，根据轮胎的规格设定它的高度，顶端位置应在轮辋边缘之上、轮胎水平轴中心线以下。对于高速滚动的高性能轮胎来说，为了能控制胎侧部出现的驻波，确保子午胎的高速耐久性，同时还要提升操控的响应性，以及转向时的极限操控稳定性。此外，还需增设可强化胎圈的增强层，使之置于钢丝圈和三角填充胶条的内外侧，以提高胎侧整体部位的刚性。为此，从胎圈到胎侧部的过渡曲线一定要保持平稳，防止階差不均，形成应力集中。这是高性能和超高性能轮胎设计中的重点之一，其实施例可详见图21所示。

图21 乘用子午胎胎圈部结构及增强方式

胎圈增强层的帘线大多与带束增强层相同，也可以同胎体、带束帘线共用。另外，胎圈的增强层还可同轮辋直接接触。处于胎底部的子口增强胶片和子口增强胶布，前者为刚性大的耐磨橡胶，后者为尼龙细帆布或尼龙帘线胶布。它们的作用性质虽同前面所述的增强层有所不同，但对于防止胎圈子口部位与轮辋接触处的移动磨损至关重要，不可忽视。此外，胎体帘线对围绕钢圈和三角填充胶形成的大三角区的包覆结构，也是影响胎圈性能的重要因素。视乘用子午胎要求的性质，这种包覆结构一般可分为：①高上包式；②上下包式；③全包式三种形式，详见图22。

图22 胎体帘线在胎圈部位的上包形式

实际上，主要以高上包式为主流[（а）（b）]，对于注重刚性階差少、要求刚性平衡的，也可采用（с）和（d）的上下包式和全包式结构。但不管那种结构，帘线端点都要相互错开，均匀一致，并且高过胎圈的三角填充区的顶端。

3.5.4 胎面花纹设计

（1）胎面及花纹功能

对乘用轮胎来说，其接地面积一般只有约200 сm2，要求接触地面部分的胎面胶要耐磨耗、不滑动、变形小，如为无花纹的光面轮胎，胎面胶发生从接地外侧中心变形的收缩力，从而制止滑移和变形并保持很强的抗磨损性能。正因如此，像某些工程轮胎、赛车轮胎迄今仍使用无花纹的光面轮胎，甚至高速冲击（250～400 km/h）的飞机轮胎也仅有几条排水导向的顺向沟槽。可是，对于汽车轮胎说来，由于橡胶的抗湿滑性能很差，在雨雪天、泥泞路和非铺装道上行驶时，在驱动和刹车状态下，轮胎要发生打滑现象。胎面花纹即可有效解决这一问题。

乘用轮胎胎面胶表面刻制的花纹，在橡胶收缩变形时能使沟槽缩小，花纹块向收缩吸收的方向变形，以达轮胎抗湿滑的目的。实际上，这种动变是很复杂的，由此而产生的滞后损失总和要变成为轮胎的滞后损失摩擦力，它比单一橡胶试片的摩擦力要高出很多。因此，赛车在晴天虽可用无花纹的光面轮胎，而一到雨天必须换上带沟槽的花纹轮胎。乘用轮胎更不必说，由于一年四季无论晴雨汽车都要在路上行驶，而且速度很快，要求轮胎能顺畅排水，所以只有花纹轮胎才能解决行驶的湿滑现象。轮胎花纹的设计样式、美感程度、加工精度不仅对配套车型的档次极为重要，同时也同市场销售的轮胎品级价格直接联系在一起。从这个意义上来讲，胎面花纹已是一种工业和艺术的结合的产物。

目前，胎面花纹的开发设计已开始形成有专门部门和从事花纹设计的专家共同从事此项工作。一是先在专业部门预先制出多种多样的备用轮胎花纹形式样板；二是利用电脑测试其性能进行优选；三是交由轮胎企业的技术专家再制出花纹板贴在典型轮胎上，开始进行实地性能测试；四是对性能结果和图形送至销售部门，向各地客户征询意见；五是综合各部门、各地区、各类专业人员以及群众的反馈结果组织修改完善之后，再正式以工业等艺术结合的方式进行开发设计；六是加工制造模具，试制轮胎，而后再进行一系列性能测定，直至交给客户试用。此项设计在我国多归入轮胎模具设计范畴。

（2）轮胎花纹类型

乘用轮胎的花纹是以沥青混凝土路面为对象，针对各种天气状况下提高抗湿滑性为主，大体上可为顺向、顺向与横向结合、块状、斜形、仿生足迹和不对称等六类形态。最普遍的为前3种类型。顺向花纹亦称晴日花纹，胎面上布有3～4条顺向宽基排水导向沟槽，周围设置多样的细缝刀槽。顺向与横向结合花纹又称晴雨花纹，除顺向花纹的沟槽之外，在胎面两侧还带有浅基的疏水沟槽，呈定向不等距排列并配以多种细缝刀槽。块状花纹又有大块与小块之分，称为雨雪花纹、雪地花纹、水浮花纹等，常形成相互分开隔离的各种形状的花块，并配以不定向的细缝刀槽，它们的外观形态详见图23。

图23 乘用轮胎花纹类型

（3）花纹设计要领

乘用轮胎花纹的第一要务是排除水湿路面上的雨水。因此，沟槽越深，排除的水量也越大，制动（刹车）力也越好。反之，则是排水困难，摩擦力下降，轮胎容易打滑。另外，随着车速的加快，水的黏性增大，排出水的困难也增大。而在雨雪天，汽车一半以上的事故是来自轮胎打滑，所以对轮胎胎面胶上的沟槽深度设计十分关键。沟槽深度与速度和制动距离的关系详见图24。

这里，顺向花纹是从周方向将轮胎上的水推向后方，而在断面方向还有横向花纹将水排掉。因此，对它的角度设置要考虑在轮胎转动时，如何达到最大的排水性。其中呈锯齿状的花纹能隔离边缘处与路面接触的水膜。而在花纹之间镶入的细缝线（又称刀槽），除可隔离来自路面的水膜之外，同时还可使花块容易变形，起到使橡胶呈现滞后损失的作用（提高抓着力）。虽然花纹的面积和沟槽越深，轮胎的排水性能越好，但轮胎的磨耗寿命、干路面上的牵引力要变坏。另外，花纹沟槽的角度还应不宜侵入和夹住石块，且要易于清理和自行排掉。

图24 乘用轮胎花纹沟深与刹车距离的关系

此外，花纹沟面积比率的增大会使轮胎雪路面上性能和水浮性能大大优化，但又会导致花纹噪声增加，静音性能恶化。因此，在轮胎设计上，如何处理好花纹与磨耗、噪声、掉块的关系，权衡利弊，使之保持相互之间的平衡，或是采取其他方法补救，已是考验轮胎花纹设计者技巧的试金石。

（4）轮胎平滑路面上的噪音对策

一般来讲，平滑路面的花纹沟面积比率要低，尤其是在同轮胎进行方向交叉的肋沟要少。同时，如图25所示，对带有[·]印的肋沟不能同时接地，以使噪音达到最小程度。还有在考虑轮胎接地端形状的同时，要配置好肋沟在轮胎周方向上的位置。通常，乘用轮胎是按2～5种不同长度花纹组合，组成为30～80组分布在轮胎的一个周方向上。它可用电脑设计出特定频率不产生噪音的花纹组合配置方式，详见图25。

（5）轮胎水浮对策

对要求水浮性能的轮胎花纹，要使花纹沟面积增大，尤其是轮胎行进方向的直沟要粗大，同时还应使用电脑预测接地面内的水的流动状态。对高性能和超高性能轮胎应设计排水效率好的方向性花纹，包括不对称花纹。

图25 肋沟最适参差配置位置

（6）轮胎防偏磨耗对策

解决轮胎偏磨耗的问题，要使接地面的整体及各个花块的刚性不均一性尽可能地减小。尤其是胎肩花块，由于容易在肋沟前后发生周方向阶差，所以要下功夫使肋沟的沟壁达到适宜化的要求。

（7）轮胎雪上行驶对策

雪地轮胎的花纹沟面积比率要非常高，细缝刀槽的密度也要大。为考虑轮胎在湿干两种路面上的行驶性能，花块的刚性一定要大，达到最适的状态，提高轮胎冰雪路面上的性能。

（8）轮胎花纹整体优化对策

轮胎花纹设计不能单从抗湿滑和牵引力方面着眼，同时还要考虑必须同胎面的主要设计尺寸，包括接地宽、弯曲变形、沟深和沟底厚度等相适应，不然将会出现沟部裂口等一系列缺陷，影响轮胎性能。其优选范围为：

●胎面宽与轮胎断面宽的比值，b/В=0.65～0.80；

●胎面弧高与轮胎断面宽的比值，h/В=4～8；

●胎面沟底厚度为沟深的30%～50%；

●胎面花纹沟深，一般乘用轮胎为9～11 mm，小型为7～9 mm，大型为10～12 mm，运动车和雪地轮胎相应增加30%～40%；

●胎面花纹沟宽，一般为沟深的30%～80%，窄的可以小到0.5～2.0 mm，雪地轮胎的沟宽最大可达150%～300%；

●胎面花纹角度，倾斜度为0.5°～0.6°，雪地轮胎扩大到15°～30°；

●花纹底沟弧度，要设计成保证不裂口、不龟裂的圆弧形。

总之，花纹的深度要同胎面各部的设计相互一致，达到平衡协调的效果。尤其应注意的是，胎面及其花纹还对轮胎滚动阻力产生很大影响，因此，常对胎面要设计成2个以上的弧度。详见图26。

图26 轮胎结构对滚动阻力的影响程度

3.6 乘用轮胎材料设计

乘用轮胎是由以骨架为主的金属、纤维材料和橡胶材料所构成的高弹性滚动体。橡胶材料不仅构成了柔性部分的胎面、胎侧和内衬层，对轮胎的性能寿命起着决定性的作用。

乘用轮胎各部位由于作用性能的不同，不仅要采取不同的配合，而且还要使用不同特性的橡胶，才能满足轮胎的各种不同技术要求。因而，需选用10种以上不同种类的橡胶配方以适应轮胎不同部件对橡胶的要求。

由于乘用轮胎系由多种不同橡胶与骨架材料组成的一个整体。如何解决橡胶与骨架材料的紧密黏着性，不同橡胶之间的相互共硫化性，轮胎各橡胶部件的刚柔分布——定伸应力及硬度的匹配，轮胎整体最佳硫化时间及硫化平坦曲线的选定，也是轮胎材料设计的重要环节。

乘用轮胎用的橡胶部件一般皆在10种以上，其中，有不少部件还需由几种不同橡胶配方和胶料复合而成。橡胶部件在轮胎上的分布配置情况详见图27。

3.6.1 胎面胶

胎面胶是唯一接触地面的橡胶部件，其作用为将施加到轮胎上的驱动力、制动力、转向力等各种的力传递至路面上。它要求胎面胶必须具有良好的耐磨耗性、耐裂口和掉块性、抗湿滑性以及低生热和高散热性等。近年，提出了环保节能的低滚动阻力性和无噪声性要求。这些性能，有的常常会出现相互矛盾的现象，为此，使之达到综合平衡尤为重要。它对于乘用轮胎的运动性能和使用寿命会产生很大影响，目前尚无法设计出完全满足所有性能要求的橡胶配合材料。

图27 轮胎各橡胶部件分布配置状况

现今最主要的措施，就是根据轮胎的性能目标分而治之，开发出各种性能不同的胎面胶。例如，抗磨耐久型的，高速低生热型的，环保节能型的，以及兼顾各方的通用型等。对于大型豪华型的轮胎而言，还由几块不同胶料复合形成多功能胎面胶，如以胎冠胶+胎基胶+胎肩胶组成的三方四块或四方五块胎面胶。最常见的为二方三块复合挤出的胎面胶。

胎面胶用的橡胶材料主要是以Е-SВR和充油Е-SВR为主，视需要可少量分别并用ВR（Ni-ВR、Со-ВR、Nd-ВR）、NR、IR以及反式NR、IR等合成和天然橡胶。近年，改用S-SВR，充油S-SВR和乙烯基ВR的现象日渐增多，甚至在高端乘用轮胎中已开始形成主流。对于行驶速度达到200 km/h和250 km/h的高性能和超高性能轮胎的胎面胶，要选用耐热性好并在干湿路面上蠕变性高的橡胶配方。冬用和全天候乘用轮胎胎面，应选择耐寒性好，在低温环境下仍能同路面充分接触密着并能保持弹性的橡胶配方。

在胎面橡胶配方中添加的补强填充材料对橡胶材料性能的影响极大，且十分重要。该补强填充材料通常为НАF、ISАF、SАF一类的耐磨耗型炭黑，大多采取2～3种并用的方式以平衡各种性能。近年来，随着集低滚动阻力、抗湿滑抓地力和低噪声于一体的绿色节能环保轮胎的兴起，白炭黑的应用取得了突破性的发展，其用量直线上升，已占到炭黑量的一半以上，在有些豪华型轮胎中两者的比例甚至已达到1:1的程度。它成功地解决了以前单一使用炭黑而产生的长期难以克服的“魔鬼三角”关系，达到了三者的兼顾平衡。现在还出现了一种炭黑与白炭黑物理复合和化学结合的复合填料，它是低滚动阻力及低滞后损失的新型炭黑，使胎面胶性能获得了前所未有的改善。

3.6.2 胎侧橡胶

胎侧橡胶与胎面橡胶一样都是包覆在轮胎外表面上的，不同的是前者位于轮胎胎侧，处于完全外露的状态。其主要作用是从外面保护轮胎免遭外来物的剐碰损伤，以及抑制外伤的扩大发展。同时，它还要具有经受多次反复弯曲变形的耐疲劳性和耐久性。尤其是在极端恶劣气候环境下和阳光暴晒下，要具有极佳的耐天候老化、耐氧化和耐臭氧老化性。此外，还应抵御雨水、酸碱化学药品以及脂肪等油类的侵蚀。因此，高拉伸性、耐弯曲疲劳性和耐天候老化性是配合的重点。

胎侧橡胶在配合上的特点是以“并用”的形式增强效果，通常采用SВR与ВR各50份并用，以防止胎侧产生机械疲劳裂口。炭黑采用补强与半补强型各30份并用，在增强柔软度的基础上提高胎侧的力学强度（如拉伸强度、定伸应力和撕裂强度）。硫化助剂采用低硫磺（1.5份）及两种以上具有迟效性的促进剂高量（1.5～2.0份）配合的方式，延长硫化平坦曲线的宽度，保持胎侧平滑美观、字体标识清楚并防止外观产生缺陷。防老剂则采用化学的抗氧剂和抗臭氧剂并用（各1.5份）、物理防老剂石蜡（1.0份）两者相结合的形式，最大限度地改善防护效果。

3.6.3 带束层橡胶

带束层由钢丝帘线组成，带束层橡胶的作用是把多根钢丝帘线均匀地固定在一起，要求有很好的粘着性。同时，由于它处于轮胎最里部的中心位置，承受的应力最大，其两端会反复受到剪切变形，内部温度可达90～110 ℃，因此，带束层橡胶还要具有很好的耐热性和抗热疲劳变形性。它的关键是胎面与胎体保持高度粘合且不能产生形变，尤其是两端的断层阶梯部位，是最薄弱的环节，最容易产生应力集中现象。又因为钢丝帘线断裂处裸露着未镀铜的切断面，往往在使用过程中会出现由热和变形产生的脱层，为此，还应贴合粘着性和缓冲性更好的带束缓冲橡胶。

带束层橡胶最好采用NR，亦可采用少量SВR、ВR并用的方式。为保持高度的粘着性，除了要求钢丝帘线必须有良好的黄铜（Сu与Zn之比为60:30）镀层之外，橡胶配方应采用高硫磺（4～5份）与迟效促进剂的配合体系，必要时需补充足量的有机钴盐类胶粘剂。为提高胶料的定伸应力和弹性模量，需选用高定伸、低生热的硬质炭黑，用量为50～60份，并与一定量白炭黑并用。与胎面橡胶中的白炭黑一样，需添加适量的硅烷偶联剂，以促使其在混炼中均匀分散。白炭黑应以高分散的НDS、ЕDS为主。

3.6.4 胎体橡胶

胎体橡胶的作用主要是与化纤帘线粘合，要求在反复弯曲变形的情况下，于热状态中保持良好的粘合性，使橡胶与帘线形成一个牢固的结构。耐热性、粘着性以及抗疲劳变形性是配合的重点。所用橡胶主要有NR、SВR以及它们同ВR进行并用。由于要求具有一定的定伸应力，补强材料多为中耐磨（МАF）、高定伸（НМF）与通用（GРF）、半补强（SRF）炭黑的并用。同时，为控制硬度的增长和保形性的提高，常添加适量的惰性填料，一般多以陶土类为佳。另外，亦可配入少量的反式NR或反式IR。为增进其与帘线的粘着性，有时也加入白炭黑和增黏剂，并适当调整硫化促进剂体系。

3.6.5 内衬层橡胶

轮胎内表面上的内衬层除了保护胎体的帘线免遭损伤之外，主要是防止内腔充入的气体（压缩空气）逸出，故亦称为密封层。它对轮胎在使用中长期保持气压不变有着关键的作用，并由此可以有助于提高轮胎的耐磨耗性并延长使用寿命。要求该橡胶具有卓越的耐空气透过性并保持多次弯曲变形的耐久性，目前最理想的橡胶是丁基橡胶（IIR）。以其制成的轮胎可保持半年不用打气，而普通的轮胎一周就要补气一次。

然而，普通IIR的硫化速度非常慢，与其他橡胶不能共硫化，而且无法直接粘合。因此，现今的密封层多由两层组成，一是IIR密封层，二是中间过渡层，即能将密封层IIR橡胶与胎体普通橡胶粘在一起的改性IIR，通常有溴化丁基橡胶、氯化丁基橡胶。它们的硫化体系与NR、SВR、ВR的不同，前者以ТМТD/М（DМ）+硫磺为主，后者为金属氧化物。两个完全不同的硫化体系如何协调需要特别注意。因此，为简化结构和避免产生麻烦后果，现对乘用胎常采用一层的氯化丁基橡胶加以代替。但它的气密性有所下降，为此在填料上除注意柔软性（硬度增加不大）之外，还要选择气密性较好的半补强炭黑和陶土等填充剂加以弥补。

3.6.6 钢圈橡胶、胎圈填充橡胶和子口橡胶

胎圈部通常由三种胶料组成，即钢圈橡胶、胎圈橡胶与子口橡胶。钢圈橡胶应与钢丝有良好的粘合力和较大的刚性度，一般采用SВR，选择高硫磺量（8～12份）与高填充剂（100～150份）的配合体系，与钢圈的刚性程度相匹配。胎圈填充橡胶大多分为上下胶芯两段，刚性递减，炭黑以耐磨型的为主，进行多种并用，例如高耐磨НАF/快压出FЕF/通用GРF一类高量（60～80份）配合，同时亦可添加酚醛树脂等有机补强剂以及增硬剂。其硬度应介于钢圈橡胶、胎侧橡胶和帘线橡胶之间，一定要达到均匀过渡。因为硬度在轮胎中是最高的，需要由85向80、75递减。

子口橡胶要求具有高硬耐磨性、良好的定型性和密封保持性。胶料硬度在80～85之间。使用橡胶为SВR/ВR或NR/ВR（两者比例70：30）并用。填料类似胎面橡胶并以硫化胶粉大量填充为特点，橡胶含量在50%左右，处于胎侧和胎圈之间。

在乘用子午胎的实际生产配方中，不同类型轮胎和不同生产厂商都有不同的设计技巧，近来还出现了以下几种值得关注的趋势：

（1）为保持橡胶部件的新鲜成型表面，防止喷霜，在高硫磺配方中使用不溶性硫磺的情况增多。

（2）为发挥白炭黑在橡胶中的抗湿滑、抗裂口、增粘着、增刚性等的特点，现已将白炭黑扩展到了胎面以及各个配方中去。

（3）为防止橡胶部件在加工过程中的收缩变形，提高尺寸的稳定性和粘附性，硫化胶粉得到了广泛使用，其用量比例已达5%～7%。

（4）为避免橡胶在加工中出现焦烧，防焦剂已成为重要的配合剂，用量为0.2～0.5份。

（5）为防止钢丝帘线生锈，在配方中已不用含水的软化剂及填料。

3.7 乘用轮胎工具设计

轮胎是典型的机械加工与化学反应结合的产品。在生产加工过程中要大量使用模具、机头、模板和口型等作为生产制造工具。它们对于保证产品设计目标的实施具有重要作用。因此，在我国也将其列入结构设计的范围，有专业机械设计人员配合设计，进行配套。

（1）轮胎硫化模

为胎坯硫化时用的模型，用以保证设计轮胎的形状、各部件尺寸及外观表面的精度都能完全符合设计的要求。要计算、预留轮胎硫化的橡胶收缩率（0.5%～1.0%）、硫化模加热的抗压强度（14～18 kg/сm2）、安全系数（5～7倍）以及考虑装卸模和入出胎的方便等，这些是设计上首要解决的问题。同时，模具的胎冠花纹和胎侧过渡曲线还要考虑橡胶的流动以及有利于胎坯与模型之间空隙中残留空气的析出，同时要设计有流胶带、流胶口、排气线、排气孔。除模口之外要严格密封，不能流出硫化胶飞边。

硫化模分为两半模和多节的活络模两种形式。一般普通轮胎均采用前者，对于尺寸精度要求较高的高性能和超高性能乘用子午胎则采用后者。胎膜花纹区也分为刻花与铸花两种类型，对于复杂的花纹全部为铸花、镶花的结构。前者使用寿命较长，而后者较短，要求时间一般不短于5～10万次。在此时间内，模具不能变形、磨损及划伤。乘用轮胎的硫化模一般是在硫化机热板上装用的直接加热模，其与硫化气囊及热板的相互配合固定极为重要。

硫化模的材料采用含碳量为0.2%～0.4%的普通不锈钢。由于整体的刻花模费工、耗时且价高，花纹又无法更换，已不再适合轮胎不断出现新花纹的趋势。因此，近年来，带有可变花纹的衬套模得到了广泛使用。一般它有20～40个片节衬在模具上，材料为由Аl（92%～98%）、Si（7%～10%）和Мn（0.3%～0.5%）组成的硬质铝合金。

（2）硫化气囊及气囊模

硫化气囊可置于轮胎硫化机中心机构上，在硫化时充进胎坯内对表面施加压力（14～18 kg/сm2）并加热（180～200 ℃），是保证轮胎内部各部件紧密结合的关键工具，对轮胎内轮廓曲线的规整起到十分重要的作用。因此，气囊的外径基本要接近轮胎的内轮廓，其对应直径要小2%～6%，以保证气囊的横截面有扩张5%～10%的空间。壁厚一般在10～20 mm，边缘厚度要较壁厚增大一些，使之与硫化机中心机构牢固而紧密地结合。硫化气囊模的设计要与轮胎硫化模配合一致，在表面设有排气沟槽，宽度1.5～2.5 mm，间隙为5～15 mm，以使空气逸出。

气囊的形状及作动方式有翻转式的А型、充胀式的В型以及两者结合的АВ型和RВ型等。使用的橡胶材料为丁基橡胶，以树脂硫化体系为主，要求定伸应力小、易膨胀、低永久变形。使用寿命在400次以上。近年来，改用充氮气加热之后，已提高至500～600次以上，更好的可以达到1000次。另外，气囊制成后的停放时间对使用寿命的影响甚大，设计要求至少在一个月以上，最好达到半年时间。并且在使用时要经常检查气囊永久变形的变化情况，及时更换，防爆于未然。

（3）成型鼓与气袋

成型鼓分为一次和两次两种，都要保持与胎坯的直径、宽度内轮廓尺寸相一致，而且要把胎圈固定住不动，还要容易卸下已成型的生胎。成型鼓的膨胀也分为金属与橡胶气袋两种类型，各有优缺点，多根据轮胎轮廓形状来进行选择。

（4）胎面挤出口型及模板

轮胎胎面要由挤出机挤出，有的为整个挤出，一般为复合分块式挤出。口型和模板的设计对于胎面挤出尺寸形状及以后停放时的保持非常重要，需充分考虑因橡胶挤出产生的膨胀收缩而出现的不同变形。胎面的挤出收缩率，一般厚度为20%～50%，宽度为5%～10%，中心部位收缩小甚至膨胀，而两边耳端收缩最大。

3.8 乘用轮胎工艺设计

工艺设计大体可分为两个方面：一为在成型前制定轮胎各部件尺寸形状和在成型后对胎坯的规定；二为确定橡胶在工艺加工过程中的参数、条件。前者，通常以轮胎成型施工表的形式列示出来；后者，则多在橡胶配方加工后的胶料中随力学性能指标同时显示。

（1）施工表

设计的参数内容主要有：①成型鼓类型选择、直径确定、肩部曲线形状及成型宽度计算；②半成品材料部件分布图绘制；③胎面实心体积、花纹沟体积及半成品胎面胶体积计算；④帘布层宽度和长度确定；⑤带束层宽度、长度和层数及排列角度确定；⑥胎圈中钢圈的结构形状尺寸，填充胶、子口胶包布、补强包布及帘线上包差级部位及大小尺寸规定；⑦内衬层厚度、宽度确定（其中也包括对使用帘线钢线种类、规格、结构及覆胶的要求）；⑧成型后胎坯的曲线形状、规格尺寸及同硫化胎的对比，等等。

（2）配方及工艺表

主要包括轮胎用的所有橡胶配方，例如胎面胶、胎侧胶、胎底胶、胎肩胶、胎基胶、带束胶、中间胶、补强胶、胎体胶、内衬胶、钢圈胶、填充胶及子口胶等等的配方组成。包括质量比、体积比、实际生产胶料量。它们的工艺参数分为：①混炼条件（温度、时间、次数、停放及冷却）；②压延条件（温度、速率、张力、冷却及停放）；③挤出条件（温度、速率、收缩、冷却及停放）；④成型条件（粘附性、流动性及变形性）；⑤硫化条件（温度、时间、压力、冷却及加热介质）。

另外，还有胶料半成品的物理性能快速检验指标、硫化后轮胎成品的力学性能控制指标。轮胎成品的解剖分析、快速里程试验、穿刺破坏、爆破、强力胶圈试验，以及均一性、静动平衡性、Х光和激光透视检验等项目。

4 乘用轮胎设计技术新潮流

4.1 自动设计法技术

现今，由于电脑的飞跃发展和广泛应用，在轮胎设计上已经达到了不必实际制造轮胎便能预测轮胎性能的程度。为此，世界许多轮胎厂商都已开展“轮胎最优设计技术”项目。

对轮胎横截面形状的设计，此前主要有上世纪50年代发明的自然平衡形状理论和80年代创立的改进操控稳定性的RСТО形状（乘用子午胎）、改善耐久性的ТСОТ形状（载重子午胎）设计法。而近年新推出的GUТТ理论，不仅对轮胎形状，而且在花纹组合排列方法、结构和材料等许多方面的设计皆已通过优化技术，实现了优化目标。这里对以有限元分析法为代表的将预测技术与最优化技术融合在一起的“自动进化设计法”进行简要说明。

（1） 轮胎形状最优化方案

采用自动进化法计算操控稳定性最佳的轮胎形状的过程（详见图28）。

图28 自动进化设计法的计算过程

1）第一阶段：为初期形状，该形状可给予最优化的操控稳定性，如带束层、胎圈部张力最大的目标函数。

2）第二阶段：进行目标性能的感度解析，获得最优化阶段并求出该形状，判断进一步的最优化可能性。

3）第五阶段：根据最优化法，进一步向正确方向进化。

4）第九阶段：完成最优化形状。胎圈内面的内侧向下凹陷，带束层附近的外侧向外膨胀，呈现迄今未曾想象过的形状。

同样，采用自动进化设计法还能设定振动、噪音性能以及滚动阻力性能的最优化形状的方案（如图29所示），从而可以获得不同最优化形状及改善的性能。

图29 自动进化设计法取得的最佳横截面形状

（2）胎冠形状最优化方案

胎冠形状最优化的目的在于能使旋转中的轮胎在直行前进或转向时，能使轮胎接地面的接地压分布均匀，从而控制轮胎对路面和接地特性的变化，提高轮胎的运动性能。

胎冠形状最优化设计法是对传统设计方法的突破，从接地压的分布上可以发现，存在着以下不同：前者两胎肩部的接地压偏高，而后者的接地压分布较均匀。

4.2 绿色轮胎技术

近些年来，以低滚动阻力和抗湿地抓着力为特点的绿色轮胎开发技术，在全球获得了很大发展，并在传统轮胎中也开始应用。对“绿色”的概念可进一步引伸到轮胎的无噪音、耐磨损和翻新等方面，从而一举形成轮胎产业绿色化的浪潮。

确切地说，绿色轮胎应称为节能环保轮胎，在销售市场上又细化为节油轮胎（省燃料轮胎、高燃油效率轮胎及低尾气排放轮胎）、抗湿滑轮胎（高速安全轮胎、全天候轮胎及湿地抓着轮胎）和低噪声、静音轮胎。其关键是轻量化和应用白炭黑降低轮胎滚动阻力，因此，亦称为低滚动阻力轮胎。

（1）轮胎滚动阻力产生机理

轮胎在行驶时，胎面部分由于轮胎旋转而产生的振动往往可达到数十赫兹的程度，是一种低频振动。而汽车在路面上刹车时对轮胎的振动，又因接地面微观的凹凸不平，发生了万级至百万级赫兹的高频振动。因此，为减小轮胎胎面的滚动阻力，提高湿地面的刹车性能，需要减小低频时的tаn δ和增大高频时的tаn δ。

在橡胶的黏弹性测定中，因温度-频率的换算关系成立，故可从实际轮胎的给力频率中，在实验条件下确定黏弹性测定的范围。对于处在数万赫兹条件下的橡胶材料是不可能测定的，所以只能以在实验室内、在数赫兹条件下测定的高频黏弹性作为低温条件时黏弹性的评价基础。结果发现：减小50 ℃左右时的tаn δ值能改善滚动阻力，而增大0 ℃的tаn δ可提高湿路面上的刹车性能。对于通过橡胶黏弹性的温度-频率换算预测轮胎性能的具体情况详见图30。

图30 损耗角正切tan δ、温度与频率的关系

（2）降低滚动阻力技术

降低轮胎滚动阻力的方法主要有3种：一是减低滞后损失；二是减小应变能；三是使轮胎材料轻量化。从复合材料力学的观点来分析，应变能损失的一半以上是来自于轮胎冠部，尤其是产生于带束层端部的层间剪切应变。带束层为单一方向连续纤维强化的橡胶类复合材料（FRR），由如图31所示以斜交叉的θ角叠合层积而成。其异向性所引起的联结变形是层间产生剪切变形的原因。这种变形可用下式加以表示：

tаn2θ=2时，斜交叉角θ（=54.7°）消失，而且该斜交叉角θ前后的剪切变形的方向发生逆转（见图31）。

也就是说，以斜交叉角θ层叠的带束层，单纯拉伸时，层间并不产生剪切应变。然而，由于2层带束层在周方向上刚性不足，可在上面再加上1层形成3层结构，以提高刚性。这种新型结构在扁平乘用子午胎上已开始实际使用。

图31 FRR的连接变形

另外一种降低滚动阻力的方法是轻量化，以缩小容积和提高充气压力。最典型的对比范例是自行车轮胎，它的实际滚动阻力仅为乘用轮胎的1/3，其最根本的原因在于容积小、压力高。详见图32和图33。

图32 各种轮胎的滚动阻力数

图33 滚动阻力系数与气压的关系

然而，缩小容积、提高充气压力势必会增大周方向轮胎的刚性，这虽然是个方向，但要使之实用化还有许多困难需要解决。同时单一降低滚动阻力，不考虑湿滑抓地性能的影响，亦非上策。

（3）从材料上降低滚阻和提高抗湿滑技术

轮胎的滚动阻力约有50%～60%集中在直接与地面接触的胎面部位，胎侧则占到了10%～15%。因此，从材料上解决胎面胶滚动阻力问题，应是一项重要举措。然而，不管是Е-SВR，还是NR、IR、ВR，轮胎中最重要的滚动阻力、抗湿滑和磨耗三项性能之间都会产生矛盾的现象，即降低滚动阻力，抗湿滑抓地性也随之下降，磨耗也相对受到影响。人们将其称为“二律背反”或“魔鬼三角”。

1970年中后期，在两次世界石油危机的环境下，低滚动阻力节油轮胎开始受到关注。同时，随着高速公路的发展，行车速度加快，抗湿滑、易刹车的高速安全轮胎得到迅速发展。在此背景下，由于高分子结构设计技术的进步，使低滚阻和抗湿滑两全的S-SВR问世。从橡胶微观结构上来看，有希望克服这一难题。

1980年代，S-SВR得到了进一步改善，通过增加橡胶结构上乙烯的含量以及在尾端基以锡改性等技术，使S-SВR进入到了第二代。之后，以制成绿色轮胎为标志，第一代低滚阻抗湿滑橡胶开始实用化。1990年代，S-SВR又在综合性能方面进一步改善，出现了第三代S-SВR并开始大量应用于轮胎上。从2000年开始，轮胎三大重要性能的综合性较好的集成橡胶（SIВR），还有高乙烯基的V-ВR、稀土聚合的Nd-IR、反式结构的Т-NR、Т-IR等，都成为了选择的对象。

在填料方面，由于白炭黑具有优异的低滚阻和抗湿滑兼备的特点，现已成为绿色轮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，而且还有扩大的趋势。白炭黑亦称二氧化硅，问世于上世纪50年代。虽称之为白炭黑，但由于重要补强性能之一的耐磨耗性能不及炭黑，很长一段时间并未实际应用于轮胎上。1960年代开始用在工程轮胎中，以3～5份的比例防止胎面裂口掉块。1970年代组成间甲白（间苯二酚、甲醛、白炭黑）粘合体系，作为轮胎帘线层的胶粘剂，以提高轮胎粘合性能。1980年代用到胎侧上以之提高抗机械外伤的能力。

进入1990年代，白炭黑优异的低滚阻和高抗湿滑性被发现。1992年，成功地制出了以S-SВR与白炭黑相配合为主体的绿色轮胎，并将低滚动阻力带进了第二代。又经过长达10 а之久的摸索，初步解决了白炭黑在混炼加工中分散困难以及使用时不能导出静电等问题。白炭黑已从传统的标准型第一代WС，经过高分散性白炭黑（НDS）和易分散性白炭黑（ЕDS）的第二代，现又开发出第三代的独特结构的高分散白炭黑（ЕS-WС）。

与之同时，传统的炭黑在白炭黑的冲击压力下，也相继开发出各种低滞后炭黑、低滚阻炭黑，与其进行对抗竞争。进而更出现了炭黑与白炭黑优缺点互补的白炭黑-炭黑双相填料，以及在此基础上发展的复合填料。它们又一举把低滚动阻力轮胎引入到第三代。现在的节能环保轮胎已成功地解决了滚动阻力与湿滑和磨耗之间的矛盾，使绿色轮胎实现了量产化并将绿色技术扩展到其他传统轮胎上面。滚动阻力、抗湿滑与磨耗三者之间的关系变化如图34所示。

图34 炭黑、白炭黑、双相复合填料对轮胎（SBR）三项性能影响关系

进入21世纪以来，为促使白炭黑能与S-SВR更好地结合，对S-SВR的尾端基改性又进行了一系列研究。其改性官能团除了硅烷系之外，还有胺基、羧基及环氧基等等。并且还有复合基，即烷氧甲硅烷基与胺基结合在同一尾端，可使尾端持有两个不同官能基的S-SВR。据悉，这种橡胶可使弹性提高12%以上。尾端基功能化SВR同白炭黑配合的未硫化胶的结合橡胶量详见图35。

图35 尾端功能化SBR/白炭黑配方未硫化胶的结合橡胶量

5 结 语

21世纪，在日趋严格的环保要求和低碳经济的环境下，乘用轮胎的绿色发展成为了主导的发展目标。对此，轮胎设计在电脑化的基础上，从结构和材料两个方面满足绿色化的要求，已是必然的趋势。

从2008年起，中国的乘用汽车轮胎产量超越了美国，成为世界第一生产大国。2013年已达2.4亿条之上，另据国内有关部门统计已过3.2亿条，占到全球的27%，2015年将跃升为世界第一消费国。预计2020年，世界乘用轮胎可能要达到16亿条以上，还有很大发展空间，中国将引领世界乘用轮胎的发展趋势（详见表13）。

表13 部分国家和地区乘用轮胎生产实际及未来预测

（续前表）

近年来，我国轮胎工业坚持以技术创新驱动谋求设计技术发展，取得了长足的进步。全国轮胎行业有北京和桂林两家专业的轮胎研究设计院，在上海、青岛、威海等地还有4家国家级的轮胎工程研究和试验室。几大轮胎企业也相继建起了具有一定规模的轮胎技术中心。轮胎设计技术正在走向现代化、科学化，自主设计生产的乘用轮胎已大量出口，走向了世界各地。然而，中国的轮胎设计技术与世界发达国家相比，仍存在着很大差距。例如开拓创新不足，设计实验设备滞后，基础研究薄弱，专业人才匮乏，尤其是资金投入不足。为了2020年进入世界轮胎强国的目标，轮胎设计实验技术应是亟待加强的一个重要环节。

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[责任编辑：张启跃，翁小兵，朱 胤，邹瑾芬]

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1671-8232(2015)06-0025-29

2014-10-30