轮胎性能的终极回归：安全轮胎的发展

杜云峰

(山东丰源轮胎制造股份有限公司，山东 枣庄 277300)

随着汽车行业的飞速发展，对轮胎性能的要求不断提高，已经不仅限于高速、均动、耐久、强度等基础指标。受欧洲标签法影响，近年来在滚阻、湿滑、噪音三项指标上得到持续关注和长足发展，轮胎产品变得越来越完美，轮胎产业发展到了一个各种技术百花齐放的成熟期，各种突破性的新概念、新技术不断出现，产品品类越来越丰富、技术越来越完善。热潮涌动之中我们也应保持理性的冷静，应该清醒地认识到轮胎的安全性能仍然是最根本性的要求，尤其是当今车辆速度越提越高、载重越来越大的情况下，在保障安全的基础上去提升其他使用性能才有实际意义，轮胎安全技术已经重新成为轮胎技术发展的一条主线。通过经验积累和新材料的发展，安全轮胎产品目前已经脉络清晰、品类丰富，逐渐形成一个独立的系列。这里我们试着对其进行描述和分类。

按照结构功能特征，安全轮胎可初步分为充气安全轮胎和非充气安全轮胎，其中前者有4个大类10种型式，后者有4类，下面予以分述，其中充气安全轮胎以半钢为例。

1 基础型安全轮胎

半钢充气轮胎的主流标准结构为：单丝缠绕钢丝圈+三角胶，单层内衬+过渡层，双层子午线聚酯骨架胎体，双层钢丝带束层+尼龙冠带条，外加胎面、胎侧子口胶和其他填充胶片等，如图1所示。相比传统轮胎而言，这本身就是一种安全轮胎结构。之前传统结构大多采用多丝缠绕钢丝圈、单层或双层尼龙骨架胎体（甚至是斜交结构）、无冠带条，相比而言，单丝钢丝圈的单位强度要高于多丝，子午结构比斜交结构更耐久更高速，聚酯胎体比尼龙胎体的尺寸稳定性更好。所以从这个意义上讲，我们把这种主流轮胎定义为基础型安全轮胎。

图1 基础型安全轮胎

2 增强型安全轮胎

在一些特殊车型和场合，为了提高轮胎强度，需要在基本型安全轮胎的基础上再进行强化，这样形成的轮胎我们称之为增强型安全轮胎。可分为两种增强方向。

2.1 结构增强型

主要是指胎体或带束的层数增加，常见的是增加至3层胎体和3层带束层。这种轮胎主要用于轻卡系列。比较极端的一个例子是航空子午胎，甚至会增加到10层之多。

另外，对胎体纤维和带束钢帘布进行增粗增密也是10种结构增强方式。由于在生产中需要增加骨架材料品种，造成生产复杂，所以一般都采用前面第一种增强方法。

2.2 材料增强型

主要是指采用更高强度的新材料来替代普通的聚酯纤维做胎体骨架，如高强度聚酯纤维、芳纶、聚酯和芳纶混纺等。这些材料的强度和稳定性比普通聚酯纤维有优势，已经开始得到应用。也有的干脆直接用钢丝帘线做胎体骨架，基本上算是全钢轮胎了，但胎重增加、舒适性变差，还仅限于部分跨界的轻型载重胎上有应用。在胎圈钢丝和带束钢丝方面近年来也有新的高强度品种出现，能够增强轮胎强度。

另外一种材料增强方式来自于胶料性能的提升。近年来得到推广的一次法低温炼胶技术能够提高胶料的流动性，从而在压延过程中能够增强胶料与胎体纤维的渗透结合，使轮胎更不容易脱层，从而使轮胎的安全性能得到提升。

3 保全型安全轮胎

基础型和增强型安全轮胎还只是强度的提高，但轮胎毕竟是一个橡胶组合件，在不合理使用或是遇到外部强力损伤后仍然会产生破坏失效。如何使轮胎在遭遇不可避免的破坏后仍然能保障车辆人员的安全呢？这种伤后保全功能成为安全轮胎的一个重要课题方向。目前已发展出如下类型。

3.1 防塌型

又叫缺气保用胎、零压轮胎，俗称防爆胎。这类轮胎在破损漏气后，仍然能靠特殊的支撑结构保证轮胎不会“一塌到底”，而只是有限的下沉，从而可以使车辆以80 km/h的速度继续行驶80 km以上，从而保障车辆不会失控，为维修争取了时间，这是典型的伤后保全措施。

这类轮胎又分为自体支撑型（见图2）和组合支撑型（见图3）两种型式，两种型式同样防爆，但又各有特点。

自体支撑型的特征是在基础型轮胎的胎侧部位胎体内壁嵌入两条断面呈月牙状的支撑胶。由于支撑胶的抗弯折能力较强，所以轮胎缺气时，支撑胶能够起到承载作用，使轮胎不会塌掉，而能继续行驶。同时，这种轮胎由于胎侧较厚，所以耐侧部损伤的能力也比较强。但这种轮胎的缺点也很明显，它的缓冲性能变差，牺牲了轮胎的部分舒适性，对车辆的悬挂减震提出了适配要求。同时由于支撑胶的重量较大，使轮胎的油耗有些增加。

图2 全方位三防安全轮胎

图3 组合支撑型安全轮胎

组合支撑型的特征是在普通轮胎的轮辋上同步安装一个环状支撑体，该支撑体位于轮胎内腔中，外直径与轮胎内腔直径之间有一段距离，轮胎正常行驶时靠空气内压起支撑作用，内腔不会碰到支撑体，从而使轮胎的缓冲性能保持正常轮胎水准。在轮胎缺气失压后，胎顶下塌，支撑体就会发挥作用，通过在内腔中对胎顶的支撑来保持轮胎不继续塌到底，从而保持继续行驶，这个过程中支撑体相当于一条不会缺气的内胎。

组合支撑型在具有正常缓冲和缺气保用的双重特点之外，还有一个突出的优势，那就是防冲击性能。在遇到路面突出物等路障时，轮胎冲击变形遇到内支撑体后，就由支撑体来承受过量的冲击力，轮胎由于不再继续过度压缩，就避免了普通轮胎在受冲击时由于过度压缩变形而致的帘线断裂脱层、鼓包、子口损伤等损坏。从这个角度讲，组合支撑型轮胎不但保护了车辆，也保护了轮胎本身，它比自体支撑型更加安全。在支撑体的材料方面，可以根据不同用途采用实心或空心橡胶、发泡橡胶等，尤其是近来出现的轻质聚氨酯高强度发泡材料，在保证支撑强度的前提下还非常轻质。这种轻质强力支撑材料的出现，解决了此前组合支撑型轮胎耗油、高速平衡性不好的问题，也使该型轮胎比自体化支撑型更省油、更舒适。

综合来看，由于新材料技术的进步，组合支撑型轮胎有效兼顾了普通轮胎的舒适性和自体支撑型防爆胎的安全性，同时增加了优秀的防冲击性能和低油耗性能，是一款性能优良的安全轮胎，有很好的应用前景。唯一的缺陷是装配复杂一些，多了一个异体的支撑环体，安装时需要使用专用平轮辋。

3.2 防扎型

这也是一种伤后保全型轮胎，其主要特征是在普通轮胎的冠部内壁涂覆有一层记忆橡胶涂层（见图2所示）。这层记忆橡胶有很强的形状记忆恢复功能，在胎面受到钉子等锐物刺穿时，记忆涂层由于形状恢复功能的原因，会迅速包覆在钉子等锐物上，从而使胎内的空气不会泄漏，从而保证轮胎继续使用，达到安全的目的。

这种安全轮胎的核心技术是涂覆层的性能，既要保证包覆异物不漏气，又要保证涂层薄且均匀不影响轮胎动平衡，同时有良好的温度适应性（当前市面宣传的大多是-35～+120℃）。由于配方千差万别，防扎技术当前在轮胎差异化市场上竞争比较杂乱。

3.3 防静电型

这是另一种保全型轮胎，它保全的不是轮胎本身，而是汽车，其主要特征是胎面具有导电性，能够将轮胎和汽车产生的静电入地导除。随着轮胎和汽车产业的发展，导电功能正变得越来越重要，这是由于近代轮胎在追求低滚阻、耐湿滑等综合性能的过程中，采用了在胎面配方中加入大量白炭黑的方法，这导致胎面的电阻明显变大，达到1013Ω，成为电的绝缘体，使轮胎和汽车产生的静电无法及时导入地下，从而产生一系列问题，比如，开关车门时静电麻手的不适、汽车的自燃、行车电脑的死机和误动作，甚至发生过由于汽车静电打火导致加油站起火的事故。在当今汽车尤其是电动汽车发展迅速的今天，电磁器件越来越多，静电的产生和影响后果也越来越严重，防静电问题已经变得不可忽视。而最有效的、也几乎是唯一的防静电措施，就是轮胎导电，所以防静电型安全轮胎在人们的各种探索中应运而生。

经过多年发展，防静电轮胎产生了烟囱导电型（见图2所示）和全幅导电型两种型式。

烟囱导电型是在胎面中间嵌入一条宽约1.5 mm的导电橡胶，从断面上看象一条贯穿胎面的导电烟囱，从而达到将胎体静电导出至接地表面的目的，所以称为“烟囱法”。这种方法是早期形成的，对生产工艺和设备要求比较复杂，而且导电面积有限。

全幅导电型是近年来随着新材料技术的进步而出现的一种新型防静电轮胎，它的特点是整个胎面都导电，而不再仅仅是一窄条烟囱导电胶。这种技术在轮胎结构上不做改变，改变的只是胎面的配方，方法是在配方中加入少量的碳纳米管、石墨烯、改性橡胶等材料中的一种，或者是两两组合，可以实现胎面电阻值的大幅度下降，达到108Ω以下，成为电的良导体，从而使普通轮胎成为防静电轮胎，当前比较成熟、能够量产的主要是碳纳米管防静电轮胎，其成本增加不多，而石墨烯和改性橡胶尚存在成本等方面的量产障碍。

3.4 多防型

以上所述的防塌、防扎、防静电三种功能的技术兼容性很好，可以视需求进行两两组合和三项一体组合，形成3种双防轮胎和1种三防轮胎（见表1），功能更加丰富，更加安全，其中三防轮胎也被称为全方位安全轮胎，是安全轮胎技术的集大成者，可以说是当今最安全的充气轮胎。

表1 多防型安全轮胎组合

4 预警型安全轮胎

前面讲的是伤后保全型安全轮胎，相应的也就有伤前预警型，这是随着检测技术和网络技术的发展而应运而生的，尤其是进入信息化时代后，在互联网技术的支持下轮胎预警和使用管理技术得到快速发展。从现状和前景看，预警型安全轮胎大致可分为三种型式。

4.1 检测预警型

在线监测温度、压力等轮胎数据，在汽车仪表台上进行相关数值显示，一旦高于或低于设定安全值，能够以声光等形式进行即时报警提示。当前较为成熟的结构方式是在轮辋上安装传感器和信号变送器，通过无线技术将数据传送到汽车仪表上，这种方式的轮胎其实还是普通轮胎。

还有一种方式则是在轮胎上直接安装传感芯片，然后通过RFID等技术进行信息存储和无线传送，达到检测报警的目的，这种方式的轮胎是真正的检测报警型安全轮胎，这种轮胎技术的关键是芯片的开发，目前在行业内已经开始尝试。主要方法是在现有RFID存储芯片的基础上探讨增加检测功能。

4.2 分析预警型

在汽车上安装数据分析处理器及相应的数据标准模型，对芯片采集来的数据进行对比和累积效应的分析，并做出定量的安全评价，用以指导轮胎的使用，提前做好换胎准备。在温度、压力基础上还可检测加速度、应变等，可以对数据进行连续跟踪记录，并自动绘制历史曲线。这种轮胎+处理器的方式已经成为智能轮胎的模式，是时下正发力攻关的技术。

4.3 管理预警型

这其实是一种网络型智能轮胎模式，即在轮胎+处理器的基础上，再+网络大数据平台，通过平台可以实现轮胎从设计到使用的全生命周期的监控，各种影响因素自动综合评价轮胎的安全性，随时给出指导意见，甚至控制汽车的使用。这是真正的智能轮胎，是在大数据时代下开发的方向。

5 其他非充气类型

前面就充气式安全轮胎进行了简单的描述和分类，共有4个大类10种型式。除此之外，还有如下几类非充气轮胎也在特定领域得到应用，由于没有漏气爆破之虞，所以也可归入安全轮胎范畴。主要品种如下。

5.1 实心轮胎

这是一种较传统的低速安全轮胎，大都由橡胶模压或注射在轮辋上构成，一般是单一材料构成整体，结构上是实心，有时也会设计一些孔洞以减少材料使用量和增加缓冲，如图4。

总体上实心轮胎较重，承载能力较强，主要在低速下使用，舒适性较充气轮胎差，仅用于工程用车、场地操作车、自行车、人力车等。

图4 实心轮胎

5.2 填充轮胎

这可以说是另一种型式的实心轮胎，是在类似普通充气轮胎的内腔进行发泡或其他填充后形成，以发泡体（或其他纤维体）代替空气进行支撑。这种型式的特点是舒适性接近充气轮胎但不需要充气，外腔结构上要求不象充气轮胎那样苛刻，且不存在爆胎之虞，但承载力、传热性、温度适应性等不足，可在一些低速轻载常温的场合使用。如图5所示。

图5 填充轮胎

5.3 免充气空心轮胎

这种免充气空心轮胎如图6所示，在实心橡胶中设计了许多封闭的气腔，充分利用了封闭空气的支撑和缓冲作用，可以理解为在实心胎的基础上结合了一些充气轮胎的优点，是一种单一材料构成的特殊实体轮胎，具有实心轮胎的安全性，可广泛应用于轻载低速场合。

图6 免充气空心轮胎

5.4 免充气幅式轮胎

这是一种以弹性轮幅代替充气胎体进行缓冲支撑的安全轮胎，不需要充气，也不象免充气空心轮胎那样有气腔，性能上兼顾实心胎的安全和充气胎的轻巧舒适，如图7所示。轮幅材料一般以复合材料为主，个别也有金属的。结构上有蜂窝状轮幅，也有撑片状轮幅，等等。这种轮胎近年来出现了许多种型式，但大都限于中低速使用，很少能突破100 km/h，随着材料技术的发展，这种型式现在受到越来越多的关注。

图7 免充气辐式轮胎