葛九敢 唐帆黎广蒋水金强金凤
（安徽世界村新材料有限公司，安徽马鞍山）
摘要：轮胎，作为车辆唯一与地面接触的重要部件，其结构与性能对车辆行驶中安全性、舒适性等方面起极其重要的作用。本文介绍了轮胎的发展历程，并针对传统充气轮胎使用中经常引发的爆胎、磨损、运转不平顺等典型故障及原因进行分析。重点从新型防爆充气安全轮胎、新型防爆免充气安全轮胎及新型防爆中空安全轮胎三大类来对新型防爆安全轮胎的产品结构和技术特点进行系统阐述，并展望了新型防爆中空安全轮胎因兼具充气轮胎和免充气轮胎双重特点将是今后新型防爆安全轮胎今后发展趋势。
关键词：安全轮胎；发展历程；防爆；中空；综述
1 轮胎的发展历程
轮子被视做人类最古老、最重要的发明之一，早期轮子是由木头制成，后逐步发展到在轮子周围加上金属轮辋。因车辆本身悬架结构不完善且路面条件较差而使其慢速行驶中颠簸非常厉害。但这也一直持续了数百年。直至1493-1496年，哥伦布第二次探索新大陆到达西印度群岛中的海地岛时，发现了具有弹性、防水等优势的橡胶，后来他将其带回了欧洲，并应用于轮胎生产中。然而欣喜之余，人们却发现橡胶虽具有弹性、防水等优异性能，但遇热发粘、遇冷发硬，从而很大程度上限制了其在轮胎生产中的应用。
到1834年，查尔斯·固特异受焦炭炼钢的启发，开始进行软橡胶硬化的试验。最终发现了硫化橡胶受热时不发粘而且弹性好，于是硬化橡胶诞生了，橡胶轮胎制造业从此也应运而生，车轮也逐渐由木制变成了硬橡胶制造。但发展到此时，橡胶轮胎却还是实心的，这种轮胎吸收路面冲击的能力很差，导致车子在行驶时震动剧烈、走起来很不舒服，而且噪声很大。
到1845年，苏格兰的一位土木技师R•w•汤姆生发明了充气轮胎，并以《马车和其他车辆的车轮改良》为题，获得了英国政府的专利。同年12月10日第一条充气轮胎诞生。其发明虽在1847 年在《科学·美国》杂志里得到了介绍，并给予了“划时代改良”的头衔，却被当时注重绅士化的英国社会所拖累，他的发明也逐渐地被大家遗忘[1-3]。
40多年以后的1888年，在爱尔兰当兽医的英格兰人J•B•邓禄普先生取得了充气轮胎的专利。邓禄普先生发明的充气轮胎很快在自行车上得到了应用，并迅速迈向了汽车领域，为世界汽车工业的发展做出了巨大贡献，至此，轮胎世界进入充气轮胎的时代。1930年米其林制造了第一个无内胎轮胎；1946年又发明了举世闻名的子午线轮胎。至今，子午线充气轮胎依旧是应用最广泛的轮胎种类[4, 5]。
2 传统轮胎行驶中产生故障与原因
2.1 爆胎
爆胎已经成为威胁汽车行驶安全的重要因素，轮胎被扎破、割口或穿孔、超载超速、胎压不正常是造成爆胎事故的主要原因。轮胎气压过高或者超载超速，使胎面磨损加速，轮胎承载、抗压能力降低。轮胎气压过低，胎体变形较大，胎侧容易出现辗痕或裂口，同时产生屈挠运动，导致过度生热，促使橡胶老化和帘布层疲劳或帘线折断，还会使轮胎接地面积增大而加速胎肩磨损。此外长里程行驶、不合理搭配、轮辋不适合、维护不当等也会导致轮胎的爆胎[6-8]。
2.2 磨损
轮胎的正常磨损包括平稳行驶磨损、制动磨损、加速磨损及转向磨损，非正常磨损包括充气压力不正确、轮胎定位调整错误等，其中非正常磨损是损害轮胎正常使用的主因。车辆运行时，滚动轮胎在车辆及自重力的作用下，胎面及带束层发生循环强制变形。充气压力越低，强制变形越大，以致摩擦温度升高，滚动阻力增大，轮胎急剧磨损。充气压力越高，接地面积越小，中央胎面磨损加剧。车轮定位调整错误将导致轮胎严重偏磨，同时将加剧轮胎胎面对角线的磨损[9]。
2.3 运转不平顺
车辆在行驶中其轮胎的磨损不可能沿轮胎圆周表面均匀分布，随着磨损加剧，车轮原有平衡状态被打破，导致车轮运转不平顺。造成车轮运转不平顺的原因还有：轮辋挠曲、轮胎安装失准、车轮偏心及制动抱死等。此外车辆跑偏、滚动噪声、橡胶老化等也影响着汽车的行驶性能，其原因也与轮胎的充气状况有着莫大的关系。由此可见，充气轮胎的充气状况对车轮的安全性、使用寿命、平顺性及操纵稳定性等起着至关重要的作用，同时也是交通事故高发的原因，严重威胁着行车安全[10, 11]。
3 新型防爆安全轮胎的研究现状
根据国内外对安全轮胎的相关研究，轮胎安全技术可将安全轮胎分为2大类，即新型防爆内胎充气安全轮胎和新型防爆免充气安全轮胎。
3.1 新型防爆内胎充气安全轮胎
新型防爆内胎充气安全轮胎采用泄气保用技术即充气轮胎在遭到外物刺扎后，依然保证汽车能够暂时或长时间稳定行驶。该技术属于普通充气轮胎改良的范畴，在不改变充气轮胎基本结构和性能的基础上，提升轮胎的安全性能；主要包括自密封轮胎、自支撑型跑气保用轮胎、辅助支撑型跑气保用轮胎等[12,13]。
3.1.1 自密封轮胎
自密封轮胎的特点是该轮胎行驶面被直径小于8mm长度小于10mm的（这个尺寸限制每个轮胎厂商都有标准，此尺寸数据仅供参考）尖锐物体扎破后，轮胎内壁涂敷的密封胶会在瞬间全方位将其紧紧封住，不让轮胎内气体泄漏，尖锐物体拔去后，胶状物会自动记忆复位闭合，完全堵住漏洞，从而起到刺破了但不漏气的保护作用。
目前，德国大陆轮胎公司、法国米其林轮胎公司、美国固特异轮胎橡胶公司、意大利倍耐力轮胎轮胎公司、韩国韩泰轮胎公司和韩国锦湖轮胎公司等轮胎厂商已经向汽车制造商提供配套自密封轮胎。
3.1.2自支撑型跑气保用轮胎
自支撑型跑气保用轮胎具有独特的多层结构设计，胎侧增加了一层高强度支撑胶，结合优化的三角胶的强度，使得胎侧强度远远高于普通轮胎，大大降低了爆胎的概率，这就确保了该轮胎在零气压下依然能够支撑起整辆车重量，并保证车辆继续正常行驶一段时间。
固特异1973年首次提出了自支撑型结构的跑气保用轮胎，于1994年开始批量生产并装配车辆。其由早期存在的受自身结构特点限制的胎侧硬、胎面窄抓着性能和耐久性能较弱等缺陷，发展至今的性能已经接近或达到了普通轮胎水平。日本普利司通轮胎公司于2009年发布第3代自支撑型跑气保用轮胎产品，其采用革新胎侧增强橡胶配方和新型胎体骨架材料，胎侧增强橡胶在缺气行驶时产生的热量不足第1代产品的一半，正常使用条件下这一代轮胎产品的垂直刚度接近普通轮胎。
3.1.3 辅助支撑型跑气保用轮胎
辅助支撑型跑气保用轮胎通常由轮胎、内支撑体和轮辋三个部分共同组成跑气保用轮胎系统。在安装轮胎的时候把特制的内支撑体安置在轮辋上，轮胎充气压力正常时，支撑体与轮胎脱离，轮胎的各项使用性能与普通轮胎一致，不受支撑体影响；当轮胎充气压力下降或漏气时，在接地处轮胎冠部与支撑体接触，支撑体开始支撑汽车质量，汽车能够继续维持良好的机动性。
军事车辆和高级别行政官员防暴车辆通常选配辅助支撑型跑气保用轮胎。在军事冲突地区，政府、救援组织和私人承包商的装甲战车通常也选用这种结构类型的跑气保用轮胎。
3.2 新型防爆免充气安全轮胎
对于免充气轮胎目前还没有严格规范的定义，一般是指不借助空气压力，而实现减震缓冲性能的轮胎。它是通过特殊的结构设计和材料应用实现轮胎承载、减震等性能要求；其从根源上避免了爆胎危险，提高了轮胎的安全性，同时能够保证车辆具有良好的操纵稳定性和乘坐舒适性。
3.2.1 新型防爆免充气实心轮胎
新型防爆免充气实心轮胎按其使用原材料分为橡胶实心轮胎和聚氨酯实心轮胎；前者由于原料消耗大、质量大、能耗多，还需要长时间的硫化过程，制约了其发展，而后者在20世纪80年代奥地利LIM公司开发成功后，在各国迅速发展开来，目前已经成为慢速轮胎中非常受欢迎的材料[14-16]。
3.2.1.1 橡胶实心轮胎
橡胶实心胎已经有上百年的生产历史，其主要特征是胎体重量大、弹性差、滚动阻力大、承载大，适用于运动速度慢载重要求比较大车车辆。为了提高橡胶实心胎的弹性和缓冲性能并降低滚动阻力，近年来，将橡胶发泡技术应用其生产中；主要包括橡胶外胎+免充气发泡内胎和橡胶弹性体复合体系发泡一体胎。
（1）橡胶外胎+免充气发泡内胎
河间市海祺轮胎有限公司主要生产免充气发泡内胎，运用天然橡胶发泡技术，采取微闭孔整体发泡结构，使胎腔内部形成无数独立的气室，使内胎与外胎紧密结合，增强了轮胎的支撑力度与弹性。它具有充气轮胎无法比拟的优良性能：不怕扎刺、不需打气，免去推车扎胎之苦；缓冲性能好，行驶更安全、更平稳；不受温度影响，不变形、不爆胎；使用寿命长达三年以上。现在国内外正处于“低碳环保绿色出行”的发展态势，城市公共自行车事业逐步普及、共享单车出行成为大势所趋，该款技术创新型产品免充气、寿命长、免维护，为用户节省了大量后期维护的人力物力财力，因此本产品成为了公共自行车与共享单车的标配。
（2）橡胶弹性体复合体系发泡一体胎
中科院宁波材料所超临界流体绿色加工团队（翟文涛、郑文革研究员等）与我国轮胎龙头企业中策橡胶集团公司合作，选用橡胶弹性体复合体系，通过真空和流体辅助加工，开发单车用免维护发泡一体胎，要求发泡一体胎在免充气的同时具备轻质、优异舒适感、低滚阻、防滑、耐磨、防脱圈等特点。
研究团队选择的橡胶弹性体发泡体系便于复配，这在赋予发泡材料优异性能的同时解决了橡胶熔融加工的难题，使得发泡材料在耐磨、止滑、回弹、抗压缩形变、耐温等方面具有良好的拓展性，从而使发泡一体胎可广泛应用于单车、电动助力车、平衡车、轮椅车、童车等低速两轮车领域；所选择的橡胶弹性体发泡体系便于染色，这赋予发泡一体胎材料丰富的色彩。
美国犹他州Nexo公司发明的Nexo Tires的内部没有空心设计，由大量的材料对整个轮胎进行填充，弹性要比Ever Tires更加出色，骑行的时候舒适度更高一些，但寿命只有4998公里。
3.2.1.2 聚氨酯实心轮胎
聚氨酯（PU）实心轮胎技术的研究起步于20世纪50年代，其中美国大卫兄弟公司利用PU 弹性体开发了直接装在电动车上的轮胎，英国邓禄普公司开发的PU实心轮胎用以运输质量特别大的货物。美国固特异轮胎公司在20世纪70年代开始PU 实心轮胎的研究，将聚氨酯材料粘接在轮辋上，将轮辋直接安装在车轴上使用，该轮胎的配方和工艺均已获美国专利[17, 18]。
聚氨酯作为塑料特性的一种材料，环境温度对其影响很大，低温时会变硬、变脆，高温时会变软甚至会成为液体。聚氨酯轮胎由于是实心结构，在运行时轮胎内产生大量的热量排不出去，轮胎会变软，滚动阻力增大，胎体发热变软会使轮胎失去支撑作用，进而容易脱胎，严重时会爆胎[19-21]。鉴于此，正德国公司的免充气轮胎由一个外胎和一个免充气内胎组成，其中外胎为橡胶制成，免充气内胎为一个白色热塑性聚氨酯免充气轮胎和一个蓝色免充气环组成，免充气环能确保免充气轮胎和不同尺寸的轮辋兼容。该轮胎常规使用寿命约1万公里，无需维护，车胎不会被刺穿戳破，更不用充气即使用时能直观感受到约3.5巴的空气压力，这使其驾驶特性与内胎比拟，应用于速度较快且质量较大的电动车也毫不费力，其目标客户不仅是自行车“车队业主”或公共自行车，还有将自行车作为通勤工具和经常骑自行车的人，甚至连电动自行车使用者也包括在内。
原理：E-TPU泡沫使得该压缩材料恢复原始形状的物理作用力是现有其它的两倍有余，正是以上特性使得免充气轮胎有别于迄今为止使用于固体轮胎的其它泡沫即E-TPU泡沫由数千个密封空气球组成，在一起形成一个高弹性气垫。其优势相较现有的固体内胎材料来说要大得多，因而成为真正意义上的内胎替代品。
3.2.1.3 镂空实心轮胎
广州耐动信息科技有限公司采用无毒环保材料（非普通橡胶）制作，经过“横向镂空加强筋”设计（专利号：ZL2.0），具有缓冲好、不怕扎、免充气及可回收再利用等众多优点。经过测试，该轮胎在45KM的时速以及在65-80KG的压力下，可持续运行，被广泛应用于摩拜单车、小鸣单车中。
巴陵石化的梁红文团队发挥技术创新优势，根据客户需求，在国内独家自主研发成功高性能绿色环保SEBS专用产品，并投放市场，供不应求。该专用牌号产品拓展了巴陵牌热塑橡胶SEBS应用领域，用于制造自行车实芯轮胎，产品加工性能优于国际同类产品，成为国内共享单车轮胎生产企业的首选品牌原料。
东莞市奥迪利塑胶原料有限公司针对自行车轮胎，专门研制了一款特殊级奥迪利TPE，可采用注塑成型，只需开好模具，将热塑性弹性体直接一步注射成型为所设计要求的自行车轮胎产品，具备较好的耐气候性和抗化学性，更轻量化，使其在轮胎上的应用比传统的热固性橡胶更具优良的表现。通过欧盟的ROHS环保测试，奥迪利TPE制作而成的轮胎经过阳光暴晒后仍能保持良好的柔软性和高回弹性，同时报废后材料可100%回收再使用，可谓低碳环保。
美国犹他州Nexo公司发明的Ever Tires，通过在轮胎上打洞，在轮胎内部设计的几个大洞内部填充一种叫的共混聚合物，即使轮胎浸泡在水中也不会进水，扎进去钉子在不影响骑行的前提下可以继续行驶。优缺点：Ever Tires可以支持5000英里的里程(约8048公里)，再也不用装配打气筒和修理里带的工具。但这款轮胎的滚动阻力较大，不适合竞赛时使用。
3.2.2 新型胎面+支撑结构免充气轮胎
2004年米其林发布了概念轮胎 X TWEEL，它是一款先进的免充气子午线轮胎，彻底改变了现代轮胎必须由压缩空气提供支撑的做法，取而代之的是轮胎与轮辋一体化的设计，使轮胎和车轮组成一个结实的整体，用于提供整条轮胎刚性的是从轮胎侧面辐射开来的网状支撑结构，该网状结构根据轮胎实际应用而设计不同结构，为轮胎提供支撑，同时通过支撑结构的形变来减小轮胎的震动，达到改善舒适性的目的。TWEEL轮胎配有硬性轮毂，该轮毂通过具有弹性、易变形的聚亚安酯轮辐与轮轴相连，轮胎上的所有部件构成一个统一运作的整体。与传统轮胎不同，TWEEL轮胎内不用充气，因此解决了传统轮胎慢漏气后不可避免会产生的破坏路面、工地、农田，以及破损轮胎的回收利用等问题[22,23]。
2008年美国国防部牵头技术公司和美国固铂轮胎利用仿生学原理共同开发出蜂巢轮胎。它巧妙地将蜂窝六边形或类细胞结构运用到轮胎轮辐上，不仅不用充气而且还可以起到原来的减震作用，而且其承重力和抵御力极强，不仅能够运输一些重物，而且能在汽车遇袭的情况下，使车辆以50-80km/h的速度继续行驶；与此同时摩擦发热低、散热快，而且具有一定的强度，能承受地雷或小型武器的打击，目前主要被美国军方使用[24-28]。
2011年日本轮胎巨头普利司通发布了一款被称为免充气（non-）的概念轮胎，采用网状编制结构，每根辐条的内周侧和外周侧都与车轮中心呈大约45度角。这样的设计是为了胎面上每一处受力都可以由多条轮辐来分担，并且轮胎滚动时可以将压力线性传递，达到与充气轮胎相同的性能。2014年日本普利司通公司推出第2代新型 免充气概念轮胎。它采用既能保持高强度又能保持柔软性的树脂材料，其网格延伸方向内外相反，通过偏移角度的模拟计算，可优化轮胎的强度和缓冲性能。相比第一代产品，增加承载能力并降低了滚动阻力和材料可燃性，最大承载重量为410公斤，最高行驶速度为60km/h，更具有实用性，更接近商品化产品。目前该轮胎已经搭载在丰田小型电动车上，该轮胎基于完全可回收材料开发旨在应对全球愈发严峻的气候环境。2017年普利司通推出一款单车免充气轮胎，这款轮胎采用可循环利用的热塑橡胶制作而成，辐条被设计成带曲线的造型，由于采用了和传统轮胎完全不同的结构，这款轮胎无需充气，也就没有了爆胎的危险，也非常易于保养[29-32]。
韩国韩泰轮胎公司于2013年发布了i-Flex免充气安全轮胎，主要由聚氨酯合成塑料制造而成，是一种轮胎与轮辋相结合的概念技术，侧面构造如蜘蛛网状，再加上一个五花瓣形的强化支撑，轮胎的质量小于平常的轮辋加轮胎的质量。i-Flex轮胎的内部结构十分复杂，每个均匀分布的小凸起都是一个微型减震器，可有效改善非充气安全轮胎的震动、噪声与油耗问题。更值得一提的是，i-Flex使用独特的环保设计，回收利用率可高达95%。同时于2015年7月发布的第5代i-Flex一体式新型免充气轮胎，也是免充气概念轮胎（NPT）领域的最新成果。通过全面材料革新，在安全和环保方面取得特别突破。车辆质量由空气压力承担，不仅解除了车主需随时确认胎压的负担，还可避免行驶过程中因胎压不足而导致的交通事故，安全性大幅提升。此外，NPT的制造过程简化，有利于节约能源、减少有害物质排放，符合环保要求。空心加强材料的应用及轮胎质量的减小能有效降低滚动阻力，据实际测试，NPT能使车辆滚动阻力降低5%以上[33-36]。
2017年9月28日，固特异正式推出割草机免充气轮胎，为消费者提供无忧的体验。新型轮胎将作为升级配置应用于Bad Boy 旗下的 XP系列割草机。该新型轮胎采用热塑性连接结构，实现了刚性与柔韧性的巧妙融合，在确保出色载重能力的同时，带来平稳的驾乘体验并最大程度减少对草坪的破坏。该产品可变形并吸收冲击能量，进而保障一贯平顺的驾乘体验。
深圳市金特安科技有限公司采用的是网状编制结构，每根辐条的内周侧和外周侧都与车轮中心呈特定角度，使胎面上每一处受力都可以由多条轮辐来分担，在轮胎滚动时将压力线性传递，使支撑结构发生弹性形变，吸收冲击力，减少车辆避震和悬架的负载，从而达到与充气轮胎相同的性能。其发展战略是以产融结合为导向，实现金特安轮胎城乡民用、公安消防、军事领域的全面应用。
3.2.3新型防爆免充气空心轮胎
江苏江昕轮胎有限公司的新型防爆免充气空心轮胎在配方上，主要是利用纳米技术改变原有轮胎的材料配方设计，省去了原轮胎所使用的钢丝和帘布等骨架材料，并因缩短了工艺生产线，可节省原材料10%，节约能源40%以上；在结构上，根据需要，利用三角形力学原理，内外胎一体设计，在里面打上若干大小不一的小孔，达到充气轮胎行驶的效果；轮胎的胎体终生不用充气，彻底免除了传统充气轮胎易漏、易爆、补胎、换胎的麻烦，寿命是普通轮胎的4倍，其产品的成本和价格与充气轮胎也十分相近；轮胎内侧设有热交换器，使胎体内外的热冷空气自动交换，具有防止轮胎老化的功能；在工艺上，轮胎的成型是在模具中先注射成长条状半成品，孔隙只能是直孔，然后再根据相应的规格截断后，转入硫化模具中进行硫化成型即可；该轮胎被广泛应用于自行车、电动自行车、高尔夫球车、儿童车、老年代步车、医疗器械车、摩托助力车等多种车辆，很大程度上缓解了共享单车及城市公共自行车维护难的问题[37, 38]。
3.3新型防爆中空安全轮胎
安徽世界村新材料有限公司自主开发的新型防爆中空安全轮胎采用“外实”+“内空”的设计理念即外部采用密封式的胎体包围（减少车辆行驶中阻力，避免因长期积累杂质而在行驶中甩出造成危险及冬天骨架中结冰造成弹性减弱及侧滑），内部采用特殊结构等骨架与胎体前后相连（骨架对胎体起支撑回弹作用并形成整体），骨架中部沿着圆周方向连通有圆形的气体通道并在胎体内侧预留与内腔相通的充气口（气体经气体通道充满整个胎体内部空间，增强了轮胎整体的弹性），可根据不同用途轮胎的需求选择是否充气，以提高司乘人员的舒适度。
新型防爆中空安全轮胎的诞生未来将会部分替代传统轮胎，广泛应用于单车、电动助力车、平衡车、轮椅车、童车等低速车领域。
4 展望
当今科技迅猛发展，时代和社会需求不断变化，人们对车辆行驶的安全性能和改善交通状况的要求越来越高，传统充气轮胎由于自身结构特点决定了其在复杂的行驶环境中存在扎破或爆胎等安全隐患，造成车辆通过性降低或者丧失机动性，而备用轮胎会增加车辆负荷。为了提高其安全性能，在此基础上提出仿生轮胎、零压续跑轮胎等相关改进，但经使用发现其提升空间有限，轮胎性能在泄气失压后会显著下降。因此，摆脱传统充气轮胎的基本结构，研发新型防爆中空安全轮胎成为当前的一种趋势。新型防爆中空安全轮胎完全打破了传统轮胎设计理念，兼具充气轮胎和免充气轮胎双重特点，具有革命化的意义，其在结构设计、材料选择和加工成型等方面不断变化与改进，向安全、节能、环保、智能化方向发展[39-41]。
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