第四节
轮胎结构

一、轮胎的功能及性能

轮胎是汽车上唯一与地面接触的系统，它具备以下功能：

1）承载重量。轮胎承载着整个汽车的重量。

2）传递驱动力。轮胎将发动机或驱动电机的输出力传递到地面，使得汽车运动，实现汽车的操控性。

3）传递制动力。轮胎将制动力传递到地面，使得汽车减速。

4）抗冲击和隔振。轮胎是一个弹性系统，内部是弹性胎体，外部是弹性橡胶，因此，轮胎能衰减路面的冲击和振动。

轮胎与地面摩擦，在各种路面和环境下工作，因此，它必须满足以下性能要求：

1）安全性。汽车在各种路面上和各种复杂环境下使用，确保轮胎不破损并且不影响汽车操控能力就是轮胎的安全性能。有些驾驶场景和环境会引发安全性问题，比如在雪地和湿地上，轮胎抓地能力下降导致打滑；在高温下，轮胎可能爆胎，这些会导致安全事故。

2）可靠性。轮胎在各种恶劣天气、各种路面上、各种驾驶工况下工作，承受着复杂的载荷和变形，与地面长时间摩擦，胎面容易受损和生热，而且使用里程数非常高，因此它必须具备良好的可靠性、耐磨性和冲击强度。

3）经济性。轮胎与路面摩擦，产生滚动阻力和热量，因此它消耗了一部分汽车的动能。为了提升汽车的燃油经济性，轮胎必须与路面摩擦小，即滚动阻力小。

4）操控性。驾驶员的操纵指令需要传递给轮胎来实现他所需要的操控动作，轮胎作为指令的“接收者”，对汽车的操控性能影响非常大。今天，汽车的起动、制动、加速、超车、变道和转弯等操作动作非常迅速，因此，轮胎的抓地性能、与汽车一体的跟随感显得更加重要。

5）低噪声性能。胎面花纹块与花纹沟的设计影响空气声路噪，而轮胎结构的减振性能影响结构声路噪。

6）乘坐舒适性。轮胎胎面和胎侧等都是弹性橡胶材料，胎体内部的帘布层和带束层等也是弹性结构，因此轮胎能衰减来自路面的冲击和振动，起到隔振作用。轮胎隔振效果对乘坐舒适性非常重要。

7）制动性能。轮胎接收“制动”指令后，它与地面摩擦，产生的摩擦力阻止汽车运动。制动性能用制动距离来评价，距离越短，制动效果越好，这就要求轮胎有良好的干地和湿地纵向附着能力。

二、轮胎简史

轮胎历史源远流长。早在石器时代，人类就学会了用木头制作轮子来运送物体。在公元前2000年前，出现了带有轮辐的车轮。在战国时期和古罗马时代，带轮辐的车轮已经非常精致和可靠，轮边和轮毂上包裹着金属。秦国军队驾驭着两轮战车和凯撒大帝乘坐着四轮马车，策马扬鞭，驰骋疆场。

随着工业革命的发展，在十九世纪，汽车开始出现。1867年，汤普森（Thompson）发明了实心橡胶轮胎。十九世纪八十年代，第一家生产橡胶轮胎的公司在伦敦诞生，它的名字叫“Noiseless Tyre Company”（无噪声轮胎公司）。从这个名字中可以看出，人们对轮胎的噪声十分关注。

1888年，爱尔兰兽医邓禄普（J.B.Dunlop）发明了充气轮胎，这是轮胎历史上具有里程碑意义的事件。充气轮胎首先应用在自行车上，然后用在马车上，最后用在汽车上。充气轮胎极大地提升了乘坐舒适性。

在充气轮胎的早期，虽然它提升了乘坐舒适性，降低了噪声，但是问题很多，比如，可靠性问题、刚度不足导致受到路面冲击变形等。于是，人们开始设计新的轮胎结构，如在胎体里面增加编织帘线来提升轮胎的强度和抵抗变形，并尝试着用各种材料做帘线，开始使用棉花、亚麻布（flax）等，后来用尼龙、聚酯纤维（polyester）、钢丝等材料。

早期的充气轮胎是斜交轮胎，胎体由两层或多层帘线丝组成，相邻的两层帘线丝方向垂直布置。1913—1914年期间，格雷（Gray）和斯洛珀（Sloper）在英国申请了“子午线”轮胎的专利，这是轮胎发展历史上又一次具有里程碑意义的事件。尽管轮胎结构不断发展，但都是在“子午线”原理上不断地锦上添花。二十世纪六十年代，子午线轮胎开始大规模使用。到八十年代，子午线轮胎占据了市场的绝大多数。

图1.36给出了四个具有代表性时代的汽车轮胎图片：二十世纪初期的汽车（以福特T型车为代表）、二十世纪早中期乘用车（以甲壳虫车型为代表）、二十世纪中后期普通乘用车（以丰田、大众、通用等车型为代表）和二十一世纪乘用车轮胎（以特斯拉为代表的电动汽车）。

随着汽车的发展，轮胎发展呈现三个趋势：直径变大、胎厚度变薄、宽度变大，如图1.37所示。在早期，轮胎结构简单，高宽比（扁平比）大，轮胎看上去狭窄，绝大多数轮胎的高宽比超过100%，即高度大于宽度。二十世纪中后期，不断提升的动力性、操控性、制动性和舒适性等给轮胎提出的要求越来越高，轮胎结构越来越复杂，轮胎变宽以便具备更好的抓地力和操纵稳定性。在二十世纪六十年代，普通轮胎的高宽比是80%左右，即宽度比高度大，到八九十年代，高宽比多数达到60%，而更小扁平比的运动轮胎也开始广泛应用。轮辋直径以15～18in（38.10～45.72cm）为主，有少数乘用车轮胎达到20in。进入二十一世纪后，运动风格的乘用车和运动型多功能汽车（SUV）越来越受到追捧，电动化和智能化大力发展，导致轮胎尺寸和轮辋直径变得越来越大，宽度越来越宽。很多汽车轮胎的高宽比只有50%，有的更小，如45%、40%，甚至35%，即轮胎看上去越来越扁。宽度大和扁平比低的轮胎给这个时代的人们，特别是年轻人，带来令人激动的运动感、华丽感和刺激感。目前，轮辋直径以18～21in为主，有少数乘用车轮胎达到22in。

三、子午线轮胎和斜交轮胎

按照胎体帘布层帘线的编织结构来分，轮胎分为斜交轮胎和子午线轮胎。

斜交轮胎的各层帘线彼此交叉排列，呈现网状结构，帘线与胎冠中心线周向形成一定角度，如图1.38所示。它的优点是胎面和胎侧强度大，价格便宜。缺点很多，列举如下：

1）乘坐舒适性差，操控性差。由于胎侧刚度大，因此轮胎对路面振动的衰减差，车内的舒适性差，操控性也不好。

2）耐刺穿能力差，安全性能差。当轮胎被扎破后，斜交轮胎（有内胎）保气能力差，甚至会发生爆裂，安全得不到保障。

3）胎纹容易磨损。在高速行驶时，帘布层之间的滑动和摩擦很大，导致轮胎容易变热，胎纹容易磨损。

4）散热差。

5）承载能力差。

子午线轮胎的帘线沿着轮胎径向平行排列，与胎冠中心线周向成90°夹角，如图1.39所示。帘布层中的帘线材料有棉线、人造丝线、尼龙线和钢丝等，目前大多数轮胎的帘线采用钢丝。子午线轮胎有很多优点，列举如下：

1）使用寿命长。由于帘线沿着经向和纬向排列，帘布层之间的摩擦小，胎体和胎面之间有缓冲层，所以轮胎的寿命长。

2）乘坐舒适性好。钢丝帘线具备良好的柔性，因此，对路面振动有较大的衰减，乘坐舒适。

3）耐刺穿能力强，安全性能好。由于帘布层使用了钢丝，加上坚硬的带束层，因此轮胎不容易被刺穿；即便被扎破，气压能在一定时间内保持稳定，因此，安全性好。

4）燃油经济性好。轮胎的滚动阻力系数小，加上帘布层之间的摩擦小，因此燃油经济性好。

5）抓地力强，附着性能好。胎面与地面的接触面积大，并且在带束层的约束下，胎面压力分布均匀，使得轮胎抓地力强，附着性能好。

6）承载能力强。帘线层的帘线是钢丝或者是强度高、变形小的人造尼龙等纤维材料，而且帘线沿着子午线方向排列，帘布层和带束层结合在一起，使得胎体强度非常高，因此承载能力强。

7）散热性好。由于子午线轮胎的帘布层数少，而且层与层之间的摩擦小，因此轮胎产生的热量低，而且容易散热。

子午线轮胎也有缺点，例如：

1）胎侧容易裂口。胎侧薄和刚度低，胎侧承受的弯矩和剪切力大，使得胎侧变形大，因此胎侧容易出现裂口，特别是在胎侧和胎肩过渡区域。

2）侧向稳定性差。胎侧变形大导致侧向稳定性差。

3）成本高，制造复杂。

四、子午线轮胎的结构

轮胎种类很多，有不同的分类方法。按照胎体结构是否是实心的，轮胎分为充气轮胎和实心轮胎。一百年前的老式汽车使用实心轮胎，但是现在的汽车几乎都使用充气轮胎。充气轮胎按照有无内胎又分为无内胎的轮胎和有内胎的轮胎，现在的汽车几乎都使用无内胎的轮胎。按照轮胎的压力来分，轮胎分为高压轮胎、低压轮胎和超低压轮胎。按照轮胎内部帘布层和缓冲层的不同，轮胎分为斜交轮胎和子午线轮胎，现在的汽车基本上都使用子午线轮胎。

由于现在使用的汽车轮胎绝大多数是无内胎、充气的子午线轮胎，下面就只介绍这种轮胎的结构。

轮胎由胎面、胎肩、胎侧、胎圈、胎体、带束层（缓冲层）等部分组成，如图1.40所示。胎面和胎肩组成了胎冠。

1）胎面。胎面是指轮胎与地面接触的厚厚的橡胶层。胎面的作用是将汽车的牵引力和制动力传递到路面，并形成轮胎与路面的抓着力。通过胎面来吸收路面的振动和冲击，并且可以排水、耐磨、保护胎体等。胎面的表面由花纹块和花纹沟组成，突起的部分是花纹块，凹陷的部分是花纹沟。

2）胎肩。胎肩是指胎面和胎侧之间的过渡区域。由于胎面弧度小而胎体帘布层弧度大，因此在胎面的侧面填充橡胶以弥补胎面和帘布层之间的弧度差，这样就形成了胎肩。胎肩承受汽车转弯时的超负荷压力，帮助提高汽车的抓地力。

3）胎侧。胎侧是帘布层外面的橡胶层。一方面用来保护帘布层，另一方面是吸收胎面传来的振动。

4）胎圈。胎圈是与轮辋接触的轮胎部分。胎圈由胎圈心（钢丝圈）、胎圈包布和帘布层包边组成。胎圈的作用是通过它内部的钢丝圈将轮胎牢固地固定在轮辋上，并且承载横向力。

5）胎体。胎体是指帘布层和胎圈组成的轮胎受力的结构，是轮胎骨架。帘布由经纬交叉的帘线编织而成，经纱线粗而强壮，纬纱线细而疏，看上去像帘子，因此得名。帘布的强度高、伸长率低、耐疲劳、耐热、结构稳定、与橡胶的贴合性好，对轮胎的性能和寿命影响非常大。帘布层由一层或几层挂胶帘布贴合而成，具备一定的强度、弹性和柔性，承载轮胎大部分载荷、内压张力和冲击负荷。帘布层与胎圈中的钢丝圈包在一起。

6）带束层。带束层是位于胎面或胎冠和帘布层之间的约束层。带束层的作用是增强胎面与帘布层之间的黏结，保护胎体。带束层没有延伸到胎圈，它可以缓冲来自胎面的冲击，起到一定的隔振作用。

五、轮胎胎面的形状

最初的轮胎结构很简单，胎面光滑，没有排水沟。为了防止打滑和提高抓地力，胎面上有了花纹，形成了胎面花纹块和花纹沟，如图1.41所示。花纹块和花纹沟的形状非常多，如纵向花纹、横向花纹、复合花纹、对称花纹、反对称花纹、非对称花纹、单向花纹、锯齿形花纹等。第四章将详细介绍各种胎面花纹的轮胎。

花纹块是轮胎直接与路面接触的部位，其功能是增加胎面与路面间的摩擦力，并将驱动力、制动力和转向力传递到地面。花纹沟的主要功能是排水，将夹杂在胎面和路面之间的水排出，避免轮胎打滑，其根部用来缓冲冲击和减振。此外，花纹块和花纹沟还必须满足低噪声功能、散热功能等。花纹块和花纹沟的形状、大小、排列、材料等会影响到这些功能。

六、轮胎的规格标识

表征轮胎的主要参数包括尺寸、承载载荷和速度等级。根据ISO标准，轮胎胎侧上有特定的标识，如某一个轮胎的标识为P255/45R19 99Y，图1.42给出了轮胎规格标识中数字和字母的说明。标识中的数字和字母意义为：

P：代表乘用车。

255：代表轮胎的宽度（单位是毫米），即255mm。

45：代表扁平比。扁平比定义为胎侧高度（ H ）与宽度（ W ）的比值，即 H / W 。45表示扁平比为45%。

R：代表子午线轮胎。

19：代表轮辋直径（单位是英寸）。19表示轮辋直径为19in或19×25.4mm。

99：代表载荷系数。表1.6列出了载荷系数代码与限额。

Y：代表速度级。速度代码表示的最高速度，见表1.7。

对乘用车来说，载荷和速度都在限定范围之内，因此轮胎代码可以简化，在胎侧上刻印出255/45R19，如图1.43所示。

轮胎代码中的扁平比为

式中， H 是轮胎的截面高度； W 是轮胎截面宽度。

轮胎截面高度为

再举一个例子来说明这些参数的意义。例如一个代码为P205/55R16 89V的轮胎，这个轮胎是乘用车轮胎，宽度是205mm；胎侧高度由扁平比和宽度决定，为205mm×55%=112.75mm；轮胎的内径为16×25.4mm=406.4mm；外径为406.4mm+2×112.75mm=631.9mm。根据表1.6，“89”表示载重限额为580kg；根据表1.7，“V”表示最高速度为240km/h。

七、车轮的结构

轮胎是由“胎”和“轮”组成的。

乘用车使用的车轮是由轮辋、轮毂和轮辐组成的一体部件，如图1.44所示。其功能是支承轮胎、承受汽车重量、传递动力等。

轮辋在车轮的外圈，与车胎接触并支承车胎，它也称为轮圈。轮毂在车轮的内圈，它支承着旋转的车轴。轮辐是连接轮辋和轮毂的杆件。习惯上，人们经常把车轮称为轮毂。

车轮对轮胎振动性能影响很大，它的纵向和横向刚度影响到整个轮胎的刚度和模态。 T7qIKANt4Z9Ld58t+wosD/oZTHypzdgJuTNFJ2iDGWRutBVw6nrpngVk703dJHUd