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(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)輪胎性能的要求不斷提高，已經(jīng)不僅限于高速、均動(dòng)、耐久、強(qiáng)度等基礎(chǔ)指標(biāo)。受歐洲標(biāo)簽法影響，近年來(lái)在滾阻、濕滑、噪音三項(xiàng)指標(biāo)上得到持續(xù)關(guān)注和長(zhǎng)足發(fā)展，輪胎產(chǎn)品變得越來(lái)越完美，輪胎產(chǎn)業(yè)發(fā)展到了一個(gè)各種技術(shù)百花齊放的成熟期，各種突破性的新概念、新技術(shù)不斷出現(xiàn)，產(chǎn)品品類越來(lái)越豐富、技術(shù)越來(lái)越完善。熱潮涌動(dòng)之中我們也應(yīng)保持理性的冷靜，應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到輪胎的安全性能仍然是最根本性的要求，尤其是當(dāng)今車輛速度越提越高、載重越來(lái)越大的情況下，在保障安全的基礎(chǔ)上去提升其他使用性能才有實(shí)際意義，輪胎安全技術(shù)已經(jīng)重新成為輪胎技術(shù)發(fā)展的一條主線。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)積累和新材料的發(fā)展，安全輪胎產(chǎn)品目前已經(jīng)脈絡(luò)清晰、品類豐富，逐漸形成一個(gè)獨(dú)立的系列。這里我們?cè)囍鴮?duì)其進(jìn)行描述和分類。

按照結(jié)構(gòu)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(gè)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(chǔ)型安全輪胎

半鋼充氣輪胎的主流標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為：?jiǎn)谓z纏繞鋼絲圈+三角膠，單層內(nèi)襯+過(guò)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(cè)子口膠和其他填充膠片等，如圖1所示。相比傳統(tǒng)輪胎而言，這本身就是一種安全輪胎結(jié)構(gòu)。之前傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)）、無(wú)冠帶條，相比而言，單絲鋼絲圈的單位強(qiáng)度要高于多絲，子午結(jié)構(gòu)比斜交結(jié)構(gòu)更耐久更高速，聚酯胎體比尼龍?zhí)ンw的尺寸穩(wěn)定性更好。所以從這個(gè)意義上講，我們把這種主流輪胎定義為基礎(chǔ)型安全輪胎。

圖1 基礎(chǔ)型安全輪胎

2 增強(qiáng)型安全輪胎

在一些特殊車型和場(chǎng)合，為了提高輪胎強(qiáng)度，需要在基本型安全輪胎的基礎(chǔ)上再進(jìn)行強(qiáng)化，這樣形成的輪胎我們稱之為增強(qiáng)型安全輪胎?？煞譃閮煞N增強(qiáng)方向。

2.1 結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型

主要是指胎體或帶束的層數(shù)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(gè)例子是航空子午胎，甚至?xí)黾拥?0層之多。

另外，對(duì)胎體纖維和帶束鋼簾布進(jìn)行增粗增密也是10種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方式。由于在生產(chǎn)中需要增加骨架材料品種，造成生產(chǎn)復(fù)雜，所以一般都采用前面第一種增強(qiáng)方法。

2.2 材料增強(qiáng)型

主要是指采用更高強(qiáng)度的新材料來(lái)替代普通的聚酯纖維做胎體骨架，如高強(qiáng)度聚酯纖維、芳綸、聚酯和芳綸混紡等。這些材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性比普通聚酯纖維有優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)開始得到應(yīng)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(yīng)用。在胎圈鋼絲和帶束鋼絲方面近年來(lái)也有新的高強(qiáng)度品種出現(xiàn)，能夠增強(qiáng)輪胎強(qiáng)度。

另外一種材料增強(qiáng)方式來(lái)自于膠料性能的提升。近年來(lái)得到推廣的一次法低溫?zé)捘z技術(shù)能夠提高膠料的流動(dòng)性，從而在壓延過(guò)程中能夠增強(qiáng)膠料與胎體纖維的滲透結(jié)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(chǔ)型和增強(qiáng)型安全輪胎還只是強(qiáng)度的提高，但輪胎畢竟是一個(gè)橡膠組合件，在不合理使用或是遇到外部強(qiáng)力損傷后仍然會(huì)產(chǎn)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(gè)重要課題方向。目前已發(fā)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(jié)構(gòu)保證輪胎不會(huì)“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(xù)行駛80 km以上，從而保障車輛不會(huì)失控，為維修爭(zhēng)取了時(shí)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(diǎn)。

自體支撐型的特征是在基礎(chǔ)型輪胎的胎側(cè)部位胎體內(nèi)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(qiáng)，所以輪胎缺氣時(shí)，支撐膠能夠起到承載作用，使輪胎不會(huì)塌掉，而能繼續(xù)行駛。同時(shí)，這種輪胎由于胎側(cè)較厚，所以耐側(cè)部損傷的能力也比較強(qiáng)。但這種輪胎的缺點(diǎn)也很明顯，它的緩沖性能變差，犧牲了輪胎的部分舒適性，對(duì)車輛的懸掛減震提出了適配要求。同時(shí)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(gè)環(huán)狀支撐體，該支撐體位于輪胎內(nèi)腔中，外直徑與輪胎內(nèi)腔直徑之間有一段距離，輪胎正常行駛時(shí)靠空氣內(nèi)壓起支撐作用，內(nèi)腔不會(huì)碰到支撐體，從而使輪胎的緩沖性能保持正常輪胎水準(zhǔn)。在輪胎缺氣失壓后，胎頂下塌，支撐體就會(huì)發(fā)揮作用，通過(guò)在內(nèi)腔中對(duì)胎頂?shù)闹蝸?lái)保持輪胎不繼續(xù)塌到底，從而保持繼續(xù)行駛，這個(gè)過(guò)程中支撐體相當(dāng)于一條不會(huì)缺氣的內(nèi)胎。

組合支撐型在具有正常緩沖和缺氣保用的雙重特點(diǎn)之外，還有一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)，那就是防沖擊性能。在遇到路面突出物等路障時(shí)，輪胎沖擊變形遇到內(nèi)支撐體后，就由支撐體來(lái)承受過(guò)量的沖擊力，輪胎由于不再繼續(xù)過(guò)度壓縮，就避免了普通輪胎在受沖擊時(shí)由于過(guò)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(gè)角度講，組合支撐型輪胎不但保護(hù)了車輛，也保護(hù)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(jù)不同用途采用實(shí)心或空心橡膠、發(fā)泡橡膠等，尤其是近來(lái)出現(xiàn)的輕質(zhì)聚氨酯高強(qiáng)度發(fā)泡材料，在保證支撐強(qiáng)度的前提下還非常輕質(zhì)。這種輕質(zhì)強(qiáng)力支撐材料的出現(xiàn)，解決了此前組合支撐型輪胎耗油、高速平衡性不好的問(wèn)題，也使該型輪胎比自體化支撐型更省油、更舒適。

綜合來(lái)看，由于新材料技術(shù)的進(jìn)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(shí)增加了優(yōu)秀的防沖擊性能和低油耗性能，是一款性能優(yōu)良的安全輪胎，有很好的應(yīng)用前景。唯一的缺陷是裝配復(fù)雜一些，多了一個(gè)異體的支撐環(huán)體，安裝時(shí)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?jī)?nèi)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(qiáng)的形狀記憶恢復(fù)功能，在胎面受到釘子等銳物刺穿時(shí)，記憶涂層由于形狀恢復(fù)功能的原因，會(huì)迅速包覆在釘子等銳物上，從而使胎內(nèi)的空氣不會(huì)泄漏，從而保證輪胎繼續(xù)使用，達(dá)到安全的目的。

這種安全輪胎的核心技術(shù)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(dòng)平衡，同時(shí)有良好的溫度適應(yīng)性（當(dāng)前市面宣傳的大多是-35～+120℃）。由于配方千差萬(wàn)別，防扎技術(shù)當(dāng)前在輪胎差異化市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)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(dǎo)電性，能夠?qū)⑤喬ズ推嚠a(chǎn)生的靜電入地導(dǎo)除。隨著輪胎和汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)電功能正變得越來(lái)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(guò)程中，采用了在胎面配方中加入大量白炭黑的方法，這導(dǎo)致胎面的電阻明顯變大，達(dá)到1013Ω，成為電的絕緣體，使輪胎和汽車產(chǎn)生的靜電無(wú)法及時(shí)導(dǎo)入地下，從而產(chǎn)生一系列問(wèn)題，比如，開關(guān)車門時(shí)靜電麻手的不適、汽車的自燃、行車電腦的死機(jī)和誤動(dòng)作，甚至發(fā)生過(guò)由于汽車靜電打火導(dǎo)致加油站起火的事故。在當(dāng)今汽車尤其是電動(dòng)汽車發(fā)展迅速的今天，電磁器件越來(lái)越多，靜電的產(chǎn)生和影響后果也越來(lái)越嚴(yán)重，防靜電問(wèn)題已經(jīng)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(dǎo)電，所以防靜電型安全輪胎在人們的各種探索中應(yīng)運(yùn)而生。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，防靜電輪胎產(chǎn)生了煙囪導(dǎo)電型（見圖2所示）和全幅導(dǎo)電型兩種型式。

煙囪導(dǎo)電型是在胎面中間嵌入一條寬約1.5 mm的導(dǎo)電橡膠，從斷面上看象一條貫穿胎面的導(dǎo)電煙囪，從而達(dá)到將胎體靜電導(dǎo)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(duì)生產(chǎn)工藝和設(shè)備要求比較復(fù)雜，而且導(dǎo)電面積有限。

全幅導(dǎo)電型是近年來(lái)隨著新材料技術(shù)的進(jìn)步而出現(xiàn)的一種新型防靜電輪胎，它的特點(diǎn)是整個(gè)胎面都導(dǎo)電，而不再僅僅是一窄條煙囪導(dǎo)電膠。這種技術(shù)在輪胎結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)胎面電阻值的大幅度下降，達(dá)到108Ω以下，成為電的良導(dǎo)體，從而使普通輪胎成為防靜電輪胎，當(dāng)前比較成熟、能夠量產(chǎn)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(chǎn)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(shù)兼容性很好，可以視需求進(jìn)行兩兩組合和三項(xiàng)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(shù)的集大成者，可以說(shuō)是當(dāng)今最安全的充氣輪胎。

表1 多防型安全輪胎組合

4 預(yù)警型安全輪胎

前面講的是傷后保全型安全輪胎，相應(yīng)的也就有傷前預(yù)警型，這是隨著檢測(cè)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的，尤其是進(jìn)入信息化時(shí)代后，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下輪胎預(yù)警和使用管理技術(shù)得到快速發(fā)展。從現(xiàn)狀和前景看，預(yù)警型安全輪胎大致可分為三種型式。

4.1 檢測(cè)預(yù)警型

在線監(jiān)測(cè)溫度、壓力等輪胎數(shù)據(jù)，在汽車儀表臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)數(shù)值顯示，一旦高于或低于設(shè)定安全值，能夠以聲光等形式進(jìn)行即時(shí)報(bào)警提示。當(dāng)前較為成熟的結(jié)構(gòu)方式是在輪輞上安裝傳感器和信號(hào)變送器，通過(guò)無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到汽車儀表上，這種方式的輪胎其實(shí)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(guò)RFID等技術(shù)進(jìn)行信息存儲(chǔ)和無(wú)線傳送，達(dá)到檢測(cè)報(bào)警的目的，這種方式的輪胎是真正的檢測(cè)報(bào)警型安全輪胎，這種輪胎技術(shù)的關(guān)鍵是芯片的開發(fā)，目前在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)開始嘗試。主要方法是在現(xiàn)有RFID存儲(chǔ)芯片的基礎(chǔ)上探討增加檢測(cè)功能。

4.2 分析預(yù)警型

在汽車上安裝數(shù)據(jù)分析處理器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，對(duì)芯片采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和累積效應(yīng)的分析，并做出定量的安全評(píng)價(jià)，用以指導(dǎo)輪胎的使用，提前做好換胎準(zhǔn)備。在溫度、壓力基礎(chǔ)上還可檢測(cè)加速度、應(yīng)變等，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)跟蹤記錄，并自動(dòng)繪制歷史曲線。這種輪胎+處理器的方式已經(jīng)成為智能輪胎的模式，是時(shí)下正發(fā)力攻關(guān)的技術(shù)。

4.3 管理預(yù)警型

這其實(shí)是一種網(wǎng)絡(luò)型智能輪胎模式，即在輪胎+處理器的基礎(chǔ)上，再+網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)輪胎從設(shè)計(jì)到使用的全生命周期的監(jiān)控，各種影響因素自動(dòng)綜合評(píng)價(jià)輪胎的安全性，隨時(shí)給出指導(dǎo)意見，甚至控制汽車的使用。這是真正的智能輪胎，是在大數(shù)據(jù)時(shí)代下開發(fā)的方向。

5 其他非充氣類型

前面就充氣式安全輪胎進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述和分類，共有4個(gè)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(lǐng)域得到應(yīng)用，由于沒(méi)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(shí)心輪胎

這是一種較傳統(tǒng)的低速安全輪胎，大都由橡膠模壓或注射在輪輞上構(gòu)成，一般是單一材料構(gòu)成整體，結(jié)構(gòu)上是實(shí)心，有時(shí)也會(huì)設(shè)計(jì)一些孔洞以減少材料使用量和增加緩沖，如圖4。

總體上實(shí)心輪胎較重，承載能力較強(qiáng)，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(chǎng)地操作車、自行車、人力車等。

圖4 實(shí)心輪胎

5.2 填充輪胎

這可以說(shuō)是另一種型式的實(shí)心輪胎，是在類似普通充氣輪胎的內(nèi)腔進(jìn)行發(fā)泡或其他填充后形成，以發(fā)泡體（或其他纖維體）代替空氣進(jìn)行支撐。這種型式的特點(diǎn)是舒適性接近充氣輪胎但不需要充氣，外腔結(jié)構(gòu)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(yīng)性等不足，可在一些低速輕載常溫的場(chǎng)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(shí)心橡膠中設(shè)計(jì)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(shí)心胎的基礎(chǔ)上結(jié)合了一些充氣輪胎的優(yōu)點(diǎn)，是一種單一材料構(gòu)成的特殊實(shí)體輪胎，具有實(shí)心輪胎的安全性，可廣泛應(yīng)用于輕載低速場(chǎng)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(jìn)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(shí)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(fù)合材料為主，個(gè)別也有金屬的。結(jié)構(gòu)上有蜂窩狀輪幅，也有撐片狀輪幅，等等。這種輪胎近年來(lái)出現(xiàn)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(shù)的發(fā)展，這種型式現(xiàn)在受到越來(lái)越多的關(guān)注。

圖7 免充氣輻式輪胎