未来轮胎工艺：汽车工程手册德国版

约有100年历史的轮胎（比汽车要年轻一些）在未来仍有很大的发展潜力。在7.3.5小节中所说的途径将成为轮胎的新的工艺平台。

在经典的轮胎使用性能中，特别是滚动阻力、行驶安全性和舒适性已为大家所重视。另外，要求轮胎在充气损失时要有足够的抗故障工作能力。

1.带有应急行驶功能的轮胎系统

对轮胎的应急行驶要求主要是汽车工业提出的。它从使用者对更高的安全性、更好的舒适性的要求以及从汽车生产厂家的愿望（在未来放弃备胎）派生出来的。目前有多种不同的轮胎系统。

与当前车轮—轮胎系统兼容的系统是自承载胎体和组合在车轮中的支撑环。

在自承载胎体（骨架）中（图7.3-32）轮胎侧边加强到轮胎在没有充气情况下，轮胎构件具有承载性能。为此，轮胎设计要有专门的橡胶合成物并加强，使在侧边发生大的变形时不会过热，也不会产生大的滚动阻力，还能提供可接受的滚动舒适性。

图7.3-32 自承载胎体（骨架）轮胎

在中等行驶速度带故障行驶时，可继续行驶100km路程或更长。驾驶人可在没有危险的环境下或在车间里更换轮胎。

组合在车轮中的支撑件可与常规的轮胎一起安装在常规的轮辋上。在发生故障时轮胎在支撑件上转动。这样可防止轮胎圆缘滑入轮辋深槽。图7.3-33是它的结构型式：支撑件由成型的金属环和橡胶支架组成。在带故障行驶时，对与轮胎的接触面润滑，因为它们间有大的相对运动。

图7.3-34是采用完全新的途径，即PAX系统。不仅是轮胎，而且轮辋也与目前的轮胎系统不兼容。利用不均等的、高的轮辋棱角可以容易地将轮胎嵌入轮辋中。专门设计的轮胎圆缘可在紧急行驶时可靠地座落在轮辋上。

图7.3-33 在故障行驶时作为轮胎支撑件的标准轮胎中的金属环和橡胶支架

图7.3-34 带支撑环的PAX系统

最新的轮胎系统开发方向是没有内压的轮胎，完全靠轮胎构件承载。

2.与轮胎有关的附加产品

与轮胎有关的附加产品，如利用吸音室和谐振管消声，可在轮胎和轮罩中发现。轮胎设计应使噪声辐射转向轮罩衬面的阻尼方向。

3.轮胎充气压力控制

其他的附加产品就是汽车行驶中轮胎充气压力监控。控制轮胎充气压力已在美国的新车上作为一项法规。起因是不少交通事故是由低的充气压力造成的。

在市场上使用的轮胎充气压力控制基于两种不同的测量原理：直接测量系统和间接测量系统。

直接测量系统通过安装在轮辋上的轮胎内部的传感器模块测量充气压力和轮胎内部的空气温度。通过无线电将各个车轮的信号传输给汽车上的接收器。目前的测量系统需要电池。正在开发中的测量系统，电能从外部通过电磁场供给或由轮胎的转动产生电能。

间接测量系统利用这样的事实：在不同的充气压力下轮胎具有不同的滚动周长。转速可容易地从ABS系统的传感器上得到。间接测量系统不需要附加的传感器，并与ABS系统一起相当便宜地实现轮胎充气压力控制。

花费较多的直接测量系统的精度是间接测量系统无法达到的。在充气压力损失时两个系统向驾驶人报警。两个系统已不断进入市场。

利用监控汽车轮胎充气压力，可以通过早期故障识别而大大降低故障数目，在实现更高安全性上迈出重要一步。

在有轮胎充气压力控制的汽车上，电控单元承担充气压力的控制。

4.在轮胎上调整底盘部件

为调整轮胎和底盘部件可提供如减振架头部支撑，以将轮胎特有的、在噪声和振动范围的激励与底盘隔离（解耦）。这也适用于其他的底盘支撑。

预计，在未来将使用自适应的底盘支撑，它可根据需要调整，并与轮胎相配合。(www.xing528.com)

在一定的行驶状况，如弯道行驶或制动时，优化轮胎和底盘是另一个增长趋势。对轮胎来说，优化轮胎意味着在各种使用条件下，比较在轮胎支撑面上的接触压力，可达到更好利用附着系数潜力的效果。有关这一课题的第一批出版物已经指出优化轮胎的潜力。

5.材料开发

在增大附着系数和减小滚动阻力之间取得更好的平衡，即提高它们之间的折中位置，始终是轮胎材料开发的关注点。引入硅工艺是成功取得它们间平衡的重要一步（图7.3-35）。

由此可以预计，橡胶本身在自适应材料方面仍具有开发潜力。这方面的实例是所谓的“局部的热可逆橡胶晶格”。另外，可以将在大分子结构基础上的化学的、适度尺寸的、热可逆的耦合范围集成在常规的聚合物晶格上，使轮胎胎面的粘弹性性能与温度、频率和变形等的使用条件配合。

研究材料在分子级上的断裂过程和在此基础上制订预测橡胶材料寿命的方案是对轮胎材料研究的进一步挑战。

图7.3-35 几种增大附着系数、减小滚动阻力的胎面合成物的新的方案以及它们在潮湿路面附着系数随滚动阻力的变化（滚动阻力>100%表示能量损耗很小，因此“更好”）

6.有扩展功能的轮胎

轮胎是系统部件，在轮胎的功能中，在与路面接触时要可靠传递力和力矩，以保证汽车行驶稳定和舒适。它“经历”了汽车与路面间发生的一切情况，可以说它“早知道”。

“智能轮胎”扩展了轮胎的功能，特别是有效的传感技术。轮胎开发的目标就是作为底盘组合部件的轮胎能向驾驶人和汽车提供更多的信息。

轮胎已从现有的功能扩展为信息载体和信息探测器，以检测和提供有关的信息：

1）轮胎的识别和轮胎特性（如生产日期、夏季用轮胎、冬季用轮胎）。

2）轮胎状态（如充气压力、轮胎温度）。

3）路面状况（冰冷的、积雪、潮湿、干燥）。

4）行驶状况（当前的作用力和力矩）。

这些信息作为驾驶人的直接信息，并作为汽车电子安全性和舒适性系统的输入参数。

汽车工业方面要求将电子技术引入轮胎，以准确识别轮胎并自动地与汽车配合。

这可通过RFID发送—应答机（RF为无线电频率）实现。为“读”、“写”，发送—应答机通过外部天线进行无线通信。每台发送—应答机有一个识别号，并为存储数据配置一个附加的存储空间。由轮胎生产厂家提供的数据，如DOT号码、轮胎尺寸、系列号、花纹型式、载荷指数和测量数据，在需要时可以读出，还可补充其他一些信息。

未来，利用有效的传感器技术检测轮胎充气压力、温度、力、速度和加速度，并传输到汽车上，作为行驶动力学闭环控制系统的控制信号。此外还可进一步估计当前轮胎和路面的最大附着系数潜力。

未来的愿望是不仅检测轮胎本身的状态及周围状态，而且要主动地与行驶状况匹配。

这意味着，如果在某种行驶状况对轮胎没有提出特别要求，则轮胎轻声、舒适地以较低滚动阻力转动。如果对轮胎有侧向力和制动力要求，则根据路面情况提高附着系数，并使花纹变硬，以阻止花纹块摆动。在水楔滑水时增大花纹沟槽，以有更多的水排出。

还有一种方案，通过开关电磁场激活轮胎合成物的化学“开关”，或通过磁流变或电流变效应在橡胶连接处按需要编织起来或松开，以有针对性地改变轮胎刚度和滚动阻力。

在轮胎领域仍有很多基础工作要做。要使轮胎成为一个执行器，大约还要等待一些时日。

参考文献