现代轮胎的设计要素

汽车轮胎既起到承载全车重量的作用,也起到避震和缓冲的作用。它也是全车最重要的部件,对汽车的驶性、通过性、环保性、舒适性和安全性有直接影响。尤其在安全性方面,一旦行驶中轮胎出现故障,轻则汽车停驶,重则发生事故。因此,对轮胎的认识很重要。

目前的汽车轮胎从表面形状到整体形状都有不同,也对应不同的作用。因此,轮胎设计有四大要素,即花纹(表面形状)、轮廓(整体形状)、结构和材料。其中花纹设计是最复杂,最难处理的,要考虑的因素很多。

轮胎表面形状指轮胎胎纹,它决定了轮胎的使用特性,轮胎的抓地力、排水性和噪声。从轮胎表面花纹胶块的形状设计,就可以看出它是偏问哪一种作用。是偏向抓地力还是排水性,是否有助于抑制噪声。如果胎面花纹的胶块都是大块的,那么这种轮胎偏重于抓地力;如果胶块是多且较小并有较多的沟槽,可能偏重于排水;如果在中线两侧胶块花纹适当错位,有助于降低噪声。从胎面花纹胶块的形状也可以分析出它的抓地性能。如果胶块的边缘做得很尖锐,当轮胎在路面上滚动时每个胶块就象刀子一样切人路面,摩擦力会比边缘圆滑的胶块大很多。

胎面花纹对排水性能的影响

由于高速汽车和低扁平率轮胎的广泛使用,轮胎的排水性能受到人们的普遍重视。排水不但涉及到汽车直线行驶问题,也涉及到汽车转向行驶问题,排水欠佳的轮胎会使汽车失去控制能力,从而对行车安全构成严重威胁。轮胎的排水性能全靠胎面花纹,有些轮胎在胎面中央设置宽大的排水沟,轮胎与路面之间形成较大的排水空间,使轮胎能将集中到中间的水大量抛向后面。有些轮胎在胎面设计了弯曲的弧形侧沟,利用轮胎的弹性将水挤压往侧边。

轮胎花纹对噪声的影响

由于轮胎滚动,在接触地面部分的胎面被挤压,花纹沟部容积缩小,沟内空气被挤出,当胎面离开地面时沟部容积恢复空气又跑进去,这样空气流出流进,就好象泵气一样,所产生的噪声也称为泵气噪声。另外胎面花纹接触地面时也会产生连续打击路面的振动噪声。根据试验,表面光滑的轮胎发出的噪声最小,因为上述产生噪声因素的作用最低。换句话说,只要胎面有花纹就会有一定程度的噪声,只是噪声程度的大小差别而巳。

胎面花纹对轮胎影响是多方面的,有时甚至是互相影响,彼此矛盾。因此从设计的角度来说,对于一些设计参数不可能做到面面俱到,追求最优,只能根据轮胎的用途突出重点,优化选择。例如要追求较大的抓地性能,很可能噪声程度也较大。因为摩擦越大振动越大,振动越大噪声也越大,所以抓地力较大的轮胎,一般噪声也会大一些。

现代轮胎的结构

 

轮胎的轮廓是由扁平率决定的,扁平率就是高宽比,即轮胎胎壁(横截面高度)高度占胎宽(横截面宽度)的百分比,现代轿车的轮胎高宽比多是50%至70%之间,这个百分比数值又称为系列,例如70%称为70系列。系列越小,轮胎形状越扁平。从汽车的发展历史来看,20世纪初的汽车轮胎横截面几乎是园形,胎壁与胎宽一样,因此扁平率为1。一直到二次大战后才出现了扁平率1以下的轮胎,有了稍微扁平的轮胎;60年代初美国出现了扁平率0.8的轮胎,60年末则出现了扁平率0.7的轮胎。

现在兴起的低扁平化轮胎与地面接触面大,抓地力强,除了具有操纵稳定性好外,还具有高速耐久力好和制动力好的优点,因为扁平轮胎不容易产生“驻波”。“驻波”是一种导致轮胎变形的物理现象,“驻波”越多轮胎变形越大。

扁平轮胎具有较强的制动能力,这是因为低扁平化轮胎通常需要大直径的轮圈来配合,较大的轮圈可以容纳更大尺寸的制动盘(鼓),制动盘(鼓)直径越大,制动力就越大。但同时低扁平化轮胎内的空气层厚度小,缓冲和减震相对减弱,导致舒适性较差,因此需要相应的悬挂结构来配合。

现在的轿车普遍用子午线真空轮胎(无内胎轮胎),商用汽车也普遍使用子午线轮胎,斜交胎一般只用于摩托车和工程车上。无内胎轮胎的要求是防漏气,它采用一个硫化、气密的内衬来取代内胎,轮胎的胎圈能够牢固贴合在轮圈上,对轮圈的要求是整体式,密封不漏气。

轮胎的材料

现在轮胎材料的主要成份是天然橡胶或者合成橡胶,天然橡胶的综合性能优越过合成橡胶,所以高级轮胎多用天然橡胶。为了使橡胶具有制造轮胎所要求的性能,必须要在橡胶中渗入各不同的化学材料,即化学添加剂。其中添加的一种很重要的添加剂叫碳黑,因为碳具有特别的吸附性,碳粒子与橡胶分子的粘结非常好,使得橡胶增强了硬度,强度和耐磨性。由于碳黑与橡胶基本等量,所从汽车轮胎主要材料实际上是一种橡胶和碳黑的复合材料。

车汇通
2003年8月22日

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