汽车轮胎的转型升级（汽车轮胎新科技助力智能造车新时代）

轮胎对于行车安全的重要性，毋庸多言。轮胎技术的创新是轮胎企业立足轮胎市场的根本，也是推动轮胎行业不断前进的源泉和动力，各大轮胎厂商都在投入大量人力物力研发轮胎新技术、黑科技，可谓八仙过海，各显神通，都有自己的一些独门绝技。

轮胎技术发展史

• 早期轮胎：刚性结构

19世纪前，车轮由木头或金属制成，舒适性欠佳，在外观和形状上基本没有太大变化，发展进程缓慢。

十八世纪诞生了蒸汽机车，交通工具带来的问题也越来越多。人类发现单以刚性结构做车轮效果非常不理想，寿命短是一方面，车轮也是影响汽车冲破速度枷锁的关键因素。100 公里每小时的极速曾是一代汽车人的梦想，但他们非常清楚纯金属或木质的车轮无法达到目的。车轮骨架需要一层软性包裹，起到保护作用的同时增大与地面的摩擦。

• 软性包裹：天然橡胶，合成橡胶。

在那个技术不发达的年代里，人们很难获得符合要求的合成材料，所以天然橡胶成为包裹轮胎的首选，早在 1493 年哥伦布就发现了天然橡胶。用了一段时间天然橡胶包裹的轮胎后，人们发现这玩意存在硬伤——高温下熔化，低温下硬化。天然橡胶的硬伤很难让轮胎在冬天和夏天两种季节环境下使用。

直到有一天，他在一家百货商店兜售他最新的口香糖和硫磺配方时，掺有硫磺的口香糖条掉在滚烫的炉子上，偶然间得到了一种新物质。这种物质非但没有融化，反而出奇地有弹性，也使得橡胶可以不受气温影响，合成橡胶诞生了。

1839年固特异研发了“橡胶硫化技术”，研制成功了不会在沸点以下的任何温度分解的橡胶。

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• 充气轮胎

1845年，英国一个铁匠获得了第一个橡胶充气轮胎的专利权。他用涂有橡胶的帆布制成内胎，外面包上皮革以抵抗粗糙路面对它的磨损，然后充入空气，制成了第一条汽车轮胎。

1888年，英格兰人约翰·博伊德·邓禄普再次取得了充气轮胎的专利。

邓禄普发明充气轮胎是很机缘巧合，他给10岁的儿子强尼买了一辆三轮自行车，但强尼抱怨硬橡胶做的实心轮胎在满是石头的路上行走时很不舒服，这激发了邓禄普的灵感，邓禄普将橡胶做成管状，包在木制车轮边缘，然后充入气体，这种轮胎的弹性既能充分吸收震动，也使得车体的机械性能得到了很好的保护，这就是第一条自行车充气轮胎。

1891年安德鲁·米其林研制出了可以拆换的自行车充气轮胎。

1895年6月11日米其林兄弟将充气轮胎技术应用到汽车领域。

初期的充气轮胎使用涂有橡胶的帆布作为胎体，因为帆布纵线和横线相互交叉，行走时轮胎会变形，线之间就会相互摩擦，很快就会磨断，最初的轮胎只能保障行驶200-300千米。但充气胎的爆胎问题，还是当代人们的一大痛点。

• 骨架材料：帘布

轮胎厂商希望在胎体的内衬材料上寻找突破点来解决可靠性的问题。

1892年英国的伯利密尔发明了帘布，1910年用于生产，这一成就除改进了轮胎质量，扩大了轮胎品种外，还使外胎具备了模制的可能性。

1903年，J.F.帕马先生发明了斜纹纺织品，这种产品耐磨性很好，帘线不易断裂，应用到轮胎领域，可以大大延长轮胎的使用寿命，该种发明促成了斜交轮胎的问世。因为它优良的特性，直到现在，斜交轮胎仍在使用。

随着对轮胎质量要求的提高，帘布质量也得到改进，棉帘布由人造丝代替，50年代末人造丝又被强力性能更好、耐热性能更高的尼龙、聚酯帘线所代替，而且钢丝帘线随着子午线轮胎的发展，具有很强的竞争力。

1947 年，固特异成为世界上首家推出尼龙帘布轮胎的厂商。尼龙帘布结构能够起到较好的支撑和保护轮胎的作用，其较强的刚性为缓和「夹板气」做出了突出贡献。

轮胎在地面和轮毂之间的地位就像是家庭里的男人，既要承受地面压力保护轮毂，还要承受轮毂压力。两方施压让胎面橡胶承受较大张力，很长一段时间里，轮胎的寿命问题一直得不到较好的提升。

• 轮胎补强材料：炭黑

碳黑(carbon black)，又名炭黑，主要成分是碳。是一种无定形碳，轻、松而极细的黑色粉末，可以形象理解为锅底灰。它是煤、天然气、重油、燃料油等含碳物质在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。

1904年，英国人莫特(Mote)发现炭黑用作橡胶补强剂，比当时用氧化锌的效果好得多。

1912年，美国固特异(Goodyear)公司首先把炭黑用作轮胎的补强材料。

二十世纪前十年，当时的轮胎还是白色或红色的，行驶里程仅3000km;自从使用炭黑之后，行驶里程超过60000 km;炭黑在补强上面的优势大大推动了炭黑的大规模工业化生产。

炭黑是人类最早开发、应用和目前产量最大的纳米材料，其基本粒子尺寸在10--100nm之间，具有优良的橡胶补强、着色、导电或抗静电以及紫外线吸收功能，被国际化学品领域列为二十五种基本化工产品及精细化工产品之一。炭黑工业对轮胎行业、染化行业以及提高民用生活产品质量等方面具有非常重要的意义。

轮胎为什么是黑色的？炭黑，顾名思义是黑色的物质，也是被广泛运用的补强添加剂，可以增强轮胎抗磨损的能力。正是因为轮胎原材料中有大量炭黑成分，所以正常的轮胎都会以黑色呈现。

• 轮胎花纹

早期的轮胎并没有花纹，在湿滑路面行驶时安全性能大受影响，1904年，德国大陆公司（马牌）生产出全世界第一条带花纹的汽车轮胎，主要有横纹和竖纹。

1908年至1912年间，轮胎才有了显著的变化，即胎面上有了提高使用性能的花纹，才开拓了轮胎胎面花纹的历史。轮胎花纹指的就是轮胎胎面上各种纵向、横向、斜向组成的沟槽。这些花纹勾勒横七竖八地分布在胎面上，其实都有着明确的分工。

• 轮胎工业化生产

1913-1926年，因发明了帘线和炭黑轮胎技术，为轮胎工业发展奠定了基础。轮胎外缘的标准化，制造工艺的逐渐完善，生产速度比以前提高了，轮胎的产量与日俱增。

• 　二十世纪初轮胎技术进步

　随着汽车工业的发展，轮胎技术一直不断地改进与提高，如

　　● 20年代初至30年代中期轿车胎由低压轮胎过渡到超低压轮胎;

　　● 40年代开始轮胎逐步向宽轮辋过渡;

　　● 40年代末无内胎轮胎的出现;

　　● 50年代末低断面轮胎问世。

• 轮胎结构变革：子午线轮胎

1913年有两位英国人Gray和Sloper发明了子午线轮胎，并取得了专利权。但是由于当时的设备及骨架材料不能满足子午线轮胎制造的技术要求而难以发展。

1946年6月米其林公司得到法国专利局颁发的全钢丝子午线轮胎专利权，1948年法国米其林公司首先生产了子午线轮胎,这种轮胎是我们今天用得最多的轮胎，该设计方式使得轮胎的使用寿命提升了30～50%，同时汽车油耗降低8%左右，还具有更加舒适、滚动系数更低等特点。子午线轮胎的使用，使轮胎工业迎来了一场真正意义的技术革命。

1955年意大利皮列里(Pirelli)公司研制出半钢丝子午线轮胎，即胎体采用人造丝帘线，带束层采用钢丝帘线。

• 缺气保用轮胎

2002年，马牌德国研发中心发明了世界第一条缺气保用轮胎。缺气保用轮胎又称零胎压轮胎，也就是我们所熟知的防爆胎，是为了避免爆胎并能在轮胎失压后继续安全行驶一段距离而研发的一种轮胎。一般来说，缺气保用胎都有RF、SSR、RFT、ZP、ROF、DSST等标志。

缺气保用轮胎并不是不会发生爆胎的轮胎，而是利用额外增厚的胎壁，在轮胎失压后支撑轮胎结构，避免车辆因失去平衡而陷入失控的危险境地。要特别注意的一点是缺气保用轮胎在失压的情况下，安全行驶速度不高于每小时80公里。

目前缺气保用轮胎技术，以轮胎结构来划分，已形成自封式和刚性支撑式两大类，其中刚性支撑又可分为自体支撑和加物支撑。

自封式

增厚胎壁，自体支撑

加物支撑

以配套轮毂来划分的普通轮毂和特制轮毂两大类。而市场上广泛使用的缺气保用轮胎普遍采用多种技术相结合的方式。

创新科技重塑轮胎行业

造车潮下，什么才是用户的底层需求？

未来汽车是什么？带轮子的手机？带轮子的电脑？带轮子的超级计算机？无论是何种形态，唯一可以预见的是，未来汽车的智能能力、科技含量在呈指数型增长。在这样近乎潮流的趋势之下，也有越来越多的人提到了造车的「敬畏之心」。当汽车一次次被「重新定义」，人们也开始对汽车安全有了全新的思考。

对于安全来说，它更像空气中的氧气，看似平凡但不可或缺。消费者选购汽车的时候，越来越重视汽车的整体安全性，而不仅仅是一些看似酷炫的主动安全功能。

例如轮胎，它在正常工作的时候毫不起眼，但一旦遇上个扎钉爆胎，任凭再尖端的汽车科技和性能，一样是被「武功全废」。

更值得关注的是，据交管部门统计，每年有46%发生在高速公路上的交通事故是由于轮胎发生故障引起的。而另一项统计数据表明，当车辆行驶速度达到每小时160公里的时候，如果车辆遭遇爆胎事故，死亡率为100%。

可见，轮胎安全的重要性更是不容小觑。轮胎就像汽车的鞋子，同样需要高质量的安全保护。

从电动汽车开始，人们越发的关注能耗和经济性，轮胎科技通过降低滚动阻力和环境影响来提高效率。但更重要的是对便利性的需求不断增加以及常规轮胎的高维护或更换成本正在推动汽车轮胎市场的增长。但更重要的是，对于自动驾驶的发展来说，汽车轮胎的安全性同样不可忽视。从轮胎的技术发展来看，如何真正从底层解决这个问题，也许才是体验至上的正解。现在，我们就来盘点一下关于轮胎的黑科技。

• 无气轮胎：永不爆胎

自邓禄普1888年发明了世界上第一条橡胶空心轮胎起，汽车轮胎技术经过百余年的革新与发展，最终以日常出行必备工具融入我们的生活，为人们的出行生活带来安全、便捷与舒适。在这长期的发展过程中，彻底解决爆胎问题始终是轮胎制造企业不断攻坚的难题，那么什么样的轮胎可以切实有效地杜绝爆胎所带来的安全问题呢？无气轮胎的出现标志着在不远的未来，人类或许可以完全杜绝因爆胎引发的车辆事故，大幅提高行车的安全性。

从结构上来看，无气轮胎与传统的橡胶轮胎最大区别就是不需要空气支撑，无气轮胎普遍由替代气压的辐条、向地面传递力的剪切带和接触地面的胎面组成。与路面接触的橡胶胎面是由坚固的热塑性聚合物结构支撑，通常是网状或玻璃纤维辐条型。同时具有很好的耐磨性和柔韧性，车主将彻底远离爆胎的困扰。

2019年，米其林和通用汽车联合推出了新一代无气轮胎技术-米其林Uptis轮胎原型（独特的防刺破轮胎系统），计划于2024年之前引入乘用车。

无气轮胎技术使Uptis轮胎原型免除了漏气和爆胎的风险，在减少原材料的使用和减少浪费方面具有很大的潜力，因为全球每年约有2亿个轮胎因穿孔、道路危险而造成损坏，或是因不当的气压导致轮胎不均匀磨损而过早报废。

无气轮胎并不是绝对完美的，由于其结构原因，要比传统充气轮胎更重。更大的滚动阻力也会增加车辆的能耗，而且路噪和振动的抑制能力不如传统轮胎，当车轮吸收路面冲击力时，驾乘舒适性会有所下降。不过这些问题并没那么糟糕，未来都可以随技术发展得到解决。

• 球形轮胎

美国固特异公司推出了一款3D打印的橡胶球形轮胎，命名为Eagle-360，是一款专门为自动驾驶汽车量身打造的概念轮胎，而这款轮胎的骇人之处就在于它是依托 3D 打印技术的球形轮胎。很多人会好奇球形车轮是怎么与车体链接的，对此，固特异给出的解决方案是「磁悬浮」，车轮被磁场挂在车身上，于此同时还节省了悬架结构。球形轮胎可以向各个方向移动，真是「侧方停车困难户」们的福音产品。这样一款球形轮胎无疑会提高自动驾驶汽车的灵活性和安全性能。

球形轮胎的设计使用仿生学原理，模仿人脑表层的珊瑚结构，采用高分子材料3D打印制作而成，因此，可以根据用户需求和使用环境条件等进行个性化定制。球形轮胎这种带有沟壑和块状纹路的表面结构设计是为了满足不同路面和天气环境的要求，块状纹路与沟壑采用不同的材料。在干燥的时候，轮胎表面变得很硬，减少球形轮胎与地面的接触面积，降低摩擦损失；在积水路面时，轮胎表面变软，增大轮胎与地面的接触面积，增加摩擦力，防止打滑。此外，轮胎沟壑材料采用一种吸水材料，在积水路面时，沟壑材料会吸水自己收缩，从而使沟壑的面积增加，产生更大的排水槽，帮助车辆安全通过积水路段。除通过材料和结构设计提高安全和操纵性能之外，固特异在球形轮胎中安装了传感性，用来感知路面和天气情况，并与其他车辆通信以保证行驶安全。

配备了球形轮胎的车辆将没有传统意义上的转向机构，车辆能够向任何方向移动，这也体现出球形轮胎相比常规轮胎而言在自动控制方面更加灵活的特点。

球形轮胎在停车方面表现出更大的优势，球形轮胎可以使汽车直接横向或纵向移动，使汽车平行移入车位，对停车调整方向的空间要求较小，因此，在相同面积的停车场可以停放更多的车辆。

• 3D打印轮胎

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造 ，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

从汽车到自行车，3D打印机可以帮助制造出惊人的零件，并帮助汽车生产制造商改进产品原型设计和生产过程。以下是用于3D打印汽车或自行车零部件(例如轮胎)的主要优点。

大规模定制

有了3D打印机后就可以批量大规模定制化生产汽车零部件，因为在同一产品上进行多次迭代并使其适应您的需求确实很容易。对于汽车行业而言，3D打印机是一种为市场上不再提供的零件快速制造备件的方法。得益于非金属(塑料材料为主)和金属3D打印的存在，通常一些汽车结构性零件完全可以利用3D打印机进行批量制作生产。

优化产品

3D打印为零件原型设计提供了新的可能性，比如开发新型轮胎这一概念确实很有用。使用3D打印技术进行制造时可以突破很多传统加工工艺的设计方式。数字化制造是一种重新思考整体零件(例如轮胎)设计的好方法，进而得以提高其生产能力，同时也更加环保，减少废料的产生。

节省金钱

3D打印显然是一种节省成本的原型制作方法。您可以使用3D打印机对新产品进行一些快速原型制作以帮助您减少产品开发预算。如果产品要进行迭代，您只需要使用3D打印建模软件修改3D打印模型并再次打印即可。

减少材料浪费

不论是产品研发还是批量生产过程中，如何减少材料浪费是非常重要的事情。3D打印是减少材料浪费的完美选择。整个打印过程非常环保。在3D打印零件时，您只需要使用特定数量的材料即即可创建产品。

正是由于这一原因，3D打印可以为汽车工业，自行车制造商提供很多新的设计生产思路。例如，您是否知道国外已经有设计师团队在几年前使用数字制造技术制作了一款功能齐全的自行车。确实，3D打印和激光切割对于开发此类项目非常有用。3D打印可以创建出色功能的机械零件或者最终使用型产品。

• 智能AI轮胎

智能轮胎内装有计算机芯片，或将计算机芯片与胎体相连接，它能自动监控并调节轮胎的行驶温度和气压，使其在不同情况下都能保持最佳的运行状态，既提高了安全系数，又节省了开支。智能轮胎还能探测出路面的潮湿后改变轮胎的花纹，以防打滑。

作为车辆与路面连接的唯一部件，轮胎是未来车辆的重要信息来源。从充气压力、踏板深度，道路状况到车辆所处环境，这一切内容都将作为互联车辆生态系统的一部分进行监控和报告。

Goodyear在东京车展上公布了一款球形轮胎试验品Eagle 360 UrbanEagle

360 Urban 在普通版的基础上增添两项核心内容——感知和仿生。固特异在轮胎内配备高性能传感器，因此，它可以将与路况相关的数据传输给控制单元的处理器，在此之上实现 V2X，也就是理想状态下的「万物互联」。所以，在前瞻部门的理念中，未来的轮胎将会是高度集成化的单元，集感知、决策、驱动于一身。

日本住友橡胶工业有限公司这个颇有历史的公司就正在开发一种智能轮胎，这个轮胎可以监控自身的气压和温度，并最终自行应对路况的变化。

倍耐力推出了Cyber Car战略，这种方法使每个轮胎能够与车载计算机交互，以实现更安全、更经济的驾驶。

倍耐力展示了“世界上第一个5G增强ADAS服务（高级驾驶员辅助系统）”案例，装有传感器的倍耐力Cyber轮胎，可以将路面信息传递给其他车辆。倍耐力表示，轮胎是车辆与地面的唯一接触点，在5G网络的支持下，轮胎可以与车辆和驾驶者进行互联，甚至可以覆盖整个道路基础设施。

未来的汽车不仅可以依靠先进的雷达和摄像头完成自动驾驶，轮胎也将会成为一个重要的单元。

• 自修补轮胎

自修复轮胎是在轮胎两侧胎肩之间的气密层上覆盖一层DM高分子聚合橡胶，当异物刺入或拔出轮胎时，聚合橡胶能迅速把异物包围并及时把穿孔彻底密封，有效防止轮胎漏气，同时聚合橡胶具有吸音功能，从而降低轮胎与地面产生的噪音。

自修补轮胎的优点：简单来说，自修补轮胎可以降低80%的轮胎损坏可能性。更为关键的是，自修补轮胎内侧的特殊涂层混合物可以应对各种异物的形状。铁钉、螺栓、玻璃等等，只要直径不超过5mm。这让它改变了绝大部分的补胎场景。

同时，特殊涂层具有的气密性迅速封堵了胎面的破洞以及钉子和橡胶之间可能产生的缝隙，让胎内气压的「无感」，合理解决了漏气隐患。

• 自充气轮胎

SIT-自充气轮胎是首款轮胎内置的全自动气压维护系统，其使用来自轮辋的能源来保持轮胎的合适气压。她使用一种蠕动的内腔系统在轮胎的内衬层，能够全自动维持轮胎合适的气压。

当车辆装备有SIT系统时，打开系统，缺气的轮胎会自动补充空气到需要的气压。并且始终保持适度气压。这直接关系到轮胎对于车辆的操控性能，驾乘的安全，和油耗的效率，二氧化碳排放和轮胎的寿命。

轮胎自充气系统是指通过控制每个轮胎中的气压来改善汽车在不同路面上的行驶性能的系统。例如，降低轮胎中的气压可增大轮胎与地面的接触面积，从而使汽车能更轻松地在较软的地面行驶，同时可以降低对路面造成的损害，对施工工地和农田而言具有保护作用。轮胎自充气系统一般用于科考及军用等特殊车辆，由于驾驶员可以直接控制每个轮胎的空气压力，因此车辆的可操控性得以提高。

固特异正在研发一种三气囊轮胎，在传统轮胎的基础上又在外面多加了一层包裹，分成了3个独立的气室。为满足不同条件下的抓地力，该款轮胎内置的气泵实时调节每个气室的气压，根据各个气室气压的不同，可以实现安全、运动、湿地三种不同的模式。如果发生爆胎，即使多个气囊漏气，气泵也可以持续为其供气，以保证车辆可以以80公里每小时的最高时速行驶80公里。

• 自发电轮胎

固特异、住友橡胶等轮胎企业近年来先后推出了通过轮胎转动产生电力的新技术。众所周知，车辆在高速行驶的时候，轮胎与地面剧烈摩擦产生大量的热，而这些热量被白白浪费掉了。虽然和发动机相比，轮胎产生的热量少得可怜，但苍蝇再小也是肉啊，自发电轮胎能够将这些热量收集并转化成电能！预计这项新技术将用作轮胎气压监测系统（TPMS）和其他汽车设备中传感器的电源。

日本住友轮胎公司与关西大学的研究人员合作，开发了一种可以在滚动的同时进行发电的轮胎。他们发明了一种名为Energy Harvester（能量采集器）的方形小装置，可以安装在轮胎内部，主要作用就是将轮胎摩擦转化为电能，而且不用刻意制造摩擦。轮胎形状会随着汽车刹车、加速、转弯及通过减速带等而不断变化，这种弹性变化产生的摩擦，Energy Harvester就将其转换成电能。

北京化工大学张立群教授团队、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林教授团队与玲珑轮胎合作，基于摩擦纳米发电机，结合白炭黑绿色轮胎的特性，制作了具有智能传感功能的绿色发电轮胎。

这项技术主要是利用摩擦纳米发电机，回收轮胎和地面摩擦产生的能量。因为白炭黑轮胎具有较大的静电，这一缺点在一定程度上限制了白炭黑轮胎的应用，然而摩擦纳米发电机却可以起到回收能量的作用。

在发电轮胎中，科研人员在轮胎胎面下内置了导电层，在轮胎滚动的过程中，由于和地面的距离不断地发生改变，进而发生电势的变化，当导电层接地或者和电势较低的地方相连后，就会形成交流的电信号。这是一种结合了单电极模式和接触分离模式的工作模式，也是摩擦纳米发电轮胎的工作原理。

据介绍，这种摩擦纳米发电轮胎所具有的自驱动传感性能和以往的普通轮胎或者加入有源传感器的普通轮胎有着很大不同，在这种自驱动传感器中，轮胎工作时会产生传感信号，信号同时反映轮胎的状态，相当于轮胎自己“告诉”了我们它的状态，而不是我们去主动读取。

自动驾驶技术的不断突破，使得汽车厂商对于汽车轮胎要求必将逐步提升。未来随着自动驾驶时代的来临，随着轮胎技术的不断发展，长期困扰轮胎行业的爆胎问题或将得到彻底的解决。轮胎在保证自身绝对安全的同时，在行车安全方便必将作出更大的贡献。

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