【汽車架構解析】第02講 輪胎架構及工作原理

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如何判斷一款品牌型號輪胎性能的優劣

輪胎保證了汽車能夠正常行駛---轉向、加速、剎車

---<1> 輪胎在行駛過程中是怎麼發揮作用的

---<2> 如何衡量輪胎性能差異

---<3> 如何確定輪胎特性是否適合自己的汽車或者適合自己的個性

一、輪胎工作原理圖解

1> 一輛汽車如何才能動起來

【持續更新中...】

二、輪胎基本架構

如上面輪胎的正切面剖分圖所示，一個輪胎是由很多個不同的組件組成的

輪胎架構也有分類，上面的架構暫時作為學習的基本架構，不同分類的差別後續再分析

每一個部分對輪胎的性能和質量都會有一定影響，自然也就決定了輪胎的價位

1> Bead Bundle-- 胎圈束帶

---（淺黃色的那個部分）可以簡單理解為是 一捆套上了橡膠皮的堅韌的鋼絲圈，如圖所示，兩側分別有一捆胎圈

---它會提供給輪胎一些限制力來牢牢固定輪胎於輪輞上，並處理來自車軸的旋轉作用力

----輪輞圖示如下

----通俗形象一點說：

------輪輞: 就是輪子金屬部分最外面的那圈，或叫輪圈。

------輪轂: 就是輪子金屬部分最裡面的那圈。

2> Body Plies -- 胎體帘布層（胎身層）簡稱 胎體層或者帘布層

----（灰色的那部分）帘布層是輪胎的骨架材料，聯結輪胎其他部分並密封輪胎里的氣體

（【經線】和【緯線】的概念類似於一塊布里橫著和縱著的線）

分為 【有緯帘布】 和 【無緯帘布】 兩種

【有緯帘布】通常是由粗而強力高的簾線作經 線，細而強力低的作緯線經機織而成的布

經線承擔胎體幾乎全部負荷，緯線僅用來連接經線使之排列均勻

【無緯帘布】是一種沒有緯線的帘布

對帘布的主要要求是強力高、耐疲勞、低 延仲、耐熱穩定性好，與橡膠郭合性能好。

做簾線的纖維材料 有棉、尼龍、聚酷、人造絲和鋼絲等

【輪胎】根據【經線】是否垂直胎面中心線可以分為 【子午線輪胎】 和 【斜交輪胎】

【子午線輪胎】垂直中心線，【斜交輪胎】與中心線成一定角度

輪胎的強度通常是根據帘布層的數量來衡量

大多數汽車通常有2個帘布層，大型的商業客車有30個以上的帘布層。

3> Steel Belts -- 鋼帶束層

---帶束層用鋼材料製作，被用來強化胎面下面的區域

增強耐穿刺性，幫助輪胎和地面的接觸區域保持平坦

4> cap plies -- 蓋層（部分輪胎架構有這一部分）

---一個或兩個額外的帘布層，用來控制各個部分的方位保持正常，

通常用在需要速度較高的輪胎上

5> sidewall -- 胎壁

---提供了輪胎側向的穩定性，保護胎體帘布層，避免漏氣

6> Tread -- 胎面

---由許多種類的天然和合成橡膠混合而成,當胎面被擠壓嚴重之後，會變成平滑的橡膠，就沒有了能給予輪胎牽引力的胎面花紋。作用是防止胎體受機械損傷、傳遞車輛牽引力和制動力、緩衝輪胎在行駛過程中所承受的衝擊。要求具有良好的耐磨、耐刺扎性能，好的彈性和對地面的抓著性能。

上面所有的組成部分會集成到輪胎製造設備流水線里，製造設備確保在製造過程中每一個部件在正確的位置並按照最終的尺寸形成輪胎的形狀，做一下硫化把塑性橡膠轉化為彈性橡膠，之後在輪胎上加上型號參數，就可以在市場上開始銷售了

二、輪胎型號

胎壁上的每一個小標記都有其指定的含義，下面會解釋主要標記：

1> P 235/75 R 15 85 V

第一個位置 可以是P/LT/T（還有其他種類，自行根據單詞翻譯即可）

--- P - Passenger 表示輪胎類型是客車

--- LT - Light Truck 表示輪胎類型是輕卡車

--- T - Temporary 表示輪胎類型是備用輪胎

第二個位置 235/75 = 斷面寬度/扁平比

--- 235 表示兩個胎壁之間的距離單位是毫米，這個值的選擇根據具體的輪輞寬度選擇

--- 扁平比 就是 斷面高度除以斷面寬度的到的百分比，值越小輪胎越寬，提供更好的側向穩定性，就是轉彎的時候角度會變得慢一些

--- 斷面高度就是 胎圈到胎面的距離

第三個位置 輪胎的架構 （在上面胎體帘布層部分有說明分類依據）

--- R - Radial 表示 子午線 架構 （比較常見）

--- D - Diagonal bias 表示 斜交 架構

第四個位置 15 表示輪輞直徑 單位是英寸 （1英寸 = 2.54厘米）

第五個位置 載重指數 85 對應最大載重 515kg

為了駕駛安全，不能超過這個載重限額

第六個位置 速度等級 V 表示 跑車等級

N 140km/h　備用胎 Spare Tires

P 150km/h

Q 160km/h　雪胎,輕型卡車胎 Winter, LT Tires

R 170km/h　輕型卡車胎 LT Tires

S 180km/h

T　190km/h

U　200km/h

H　210km/h　運動性轎車 Sport Sedans

V　240km/h　跑車 Sports Cars

Z　240km/h　跑車 Sports Cars (或大於240km/h)

W 270km/h　特型跑車 Exotic Sport Cars

Y　300km/h　特型跑車 Exotic Sport Cars

2> Uniform Tire Quality Grading 統一輪胎質量級別評定，簡稱UTQG

這個標準由 National Highway Traffic Safety Administration

（美國） 國家公路交通安全管理局(NHTSA) 制定，通過在政府的測試賽道上測得

TREAD WEAR 480 TRACTION AA TEMPERATURE A

--- Tread Wear - 磨耗級數

沒有很多人會在那個測試賽道上測試，這個值並不那麼精確，只是可以作為一個參考，值越大表示越耐磨，使用期長

--- Traction - 抓地級數

分為 AA，A，B，C

AA級別最高

這個值根據車在潮濕的混凝土柏油路上的制動能力而定，並不反映汽車的轉彎能力

--- Temperature - 溫度級數

可以分為 A，B，C

A級別最高

反映輪胎表面橡膠所能承受的熱量程度以及散熱處理能力

如果散熱能力不佳，會導致輪胎熱量積累過量，進而損耗加快，溫度過高則可能導致爆胎

三、輪胎工作原理

輪胎是汽車非常重要的組成部分，也是比較容易出狀況的部分

1> 輪胎如何支撐車身

為了理解清楚接下來的內容，讓我們暫時先回到中學時代

輪胎充了氣，加上車身之後會產生【壓強】，那麼什麼是【壓強】？

【壓強】是物體所受力的大小F（Force的首字母）與受力面積S（Surface的首字母）之比

【壓強】用符號p表示，單位是帕斯卡（就是提出【壓強】概念的那個人）

車身的總重力（也包括輪胎自己的重力）F，全部壓在四個輪胎上，每一個輪胎受壓後會產生形變，和地面有一個接觸平面（Contact Patch），這個平面的行業術語稱為 平點（flat spot）

充氣之後輪胎氣壓，根據充氣程度會有一個確定的範圍，輪胎根據上面公式會得到接觸面的大小，輪胎每英寸面所承受的壓強（pressure/pounds per square inch，簡寫為 psi）是確定的

比如 30psi 表示的就是 輪胎每英寸面承受30磅的重量，你可以自己拿尺子測量輪胎和地面的接觸面積，然後乘以30 psi得到車身的重量的磅數，然後換算成幾斤幾兩

如果車身重量加上乘客的重量超重了，輪胎為了獲得更大的接觸平面會變得很扭曲，

過載的時候，需要更大的牽引力並會產生更多熱量

下圖（左）是正常充氣負重，（右）是車重過載（Overloaded）或者充氣不足（Underinflated）

2> 輪胎摩擦力

輪胎生產商有時候會發布輪胎的【滾動摩擦係數（ coefficient of rolling friction）】

簡稱為CRF，這個值用來計算驅動輪胎需要多大的力，對輪胎的牽引力沒有貢獻

只是用來計算輪胎產生的滑動或者滾動摩擦力的大小

通過CRF乘以輪胎負重得到，下面是輪胎類型和CRF的表

讓我們來計算一下對於一個典型的汽車需要多大的力才能推動輪胎轉動。

比如我們有一輛 重4000磅（1814.369 kg）的車，輪胎的CRF是0.015，需要的牽引力需要大於4000x0.015 = 60磅（27.215kg），並不是很大的力，一般兩三個人就能推動一輛車

輪胎需要的功率取決於車的速度，功率（P）的計算公式是力乘以速度（P=F*v）

車速是120km/h的時候，輪胎需要12馬力，車速是88km/h的時候，輪胎需要8.8馬力

1馬力 = 735.49875 瓦

所有的輪胎功率會轉換為熱量，大部分熱量進入輪胎，一部分會進入地面

3> 輪胎常見問題

3-1> 輪胎標準胎壓以及單位換算

---輪胎標準氣壓（簡稱標準胎壓）通常可以在這些地方找到：

a.　車輛用戶手冊

b.　駕駛室車門(B柱附近)旁邊的標籤

c.　車輛駕駛座旁的抽屜

d.　油箱蓋小門

e.　小轎車的胎壓在車門柱附近或油箱蓋板上，或看看你車副駕駛車門側面。不同的車型，重量不一樣，輪胎不一樣。前輪和後輪一般不一樣

--單位換算：

---把所有的單位換成公制單位就可以算出：1bar≈14.5psi ,1psi=6.895kPa=0.06895bar 歐美等國家習慣使用psi作單位

-----胎壓2.5是指2.5Bar ，所以 2.5Bar / 0.0689 = 36.28PSI

-----psi是壓力單位，定義為英鎊/平方英寸，145psi=1MPa

-----PSI英文全稱為Pounds per square inch。P是磅pound，S是平方square，I是英寸inch

-----此外，還有Pa（帕斯卡，一牛頓（N）作用在一平方米（m^2）上），KPa，Mpa

1（bar）=1標準大氣壓（ATM）=1公斤/平方厘米 =100千帕（KPa）=0.1兆帕（MPa）

3-2> 充氣不足（Underinflated）

---會造成輪胎胎面外側比內側更大的磨損

---降低燃油效率（開相同的距離需要更多汽油）

---增加輪胎累積的熱量

一個月至少要用輪胎壓力表測一次氣壓，以確定是否需要充氣

3-3> 充氣過量（Overinflated）

---會造成輪胎胎面內側更大的磨損

---輪胎氣壓應該永遠低於輪胎上標註的最大值

---相對於最大值低一些的胎壓會使行駛比較柔和

四、輪胎生產工藝

輪胎成本的構成比例情況中我們看出，原材料在輪胎成本構成中達到80%左右，也就是說輪胎原料的成本將直接影響著輪胎行業盈虧

下面主要分析一下子午線輪胎的生產工藝

--子午線輪胎的生產工藝流程

---0> 原材料

--橡膠

---一種高彈性的高分子化合物，因具有其它材料所沒有的高彈性，而成為彈性體

--炭黑

---最常用的黑色橡膠補強劑，其橡膠用品級為：

N100~N900系列，數字越大，其炭黑顆粒越大、補強效果越小、比表面積越小、越容易分散

--油料

--- 作用是橡膠的軟化增塑，降低生膠分子量和粘度以提高其可塑性，並獲適當的流動性

塑煉過程是使橡膠大分子鏈斷裂，分子鏈由長變短而使分子量分布均勻化的過程

--藥粉

---作用是橡膠的硫化

硫化是美國人C.Goodyear（固特異）在一個偶然的機會發現硫磺粉灑在晾曬的膠塊上可以避免膠塊發粘，使膠塊光滑有彈性，後經一年多的實驗，證明橡膠中加入硫磺粉和鹼式碳酸鉛，經共同加熱熔化後所制出的橡膠製品可以長久的保持良好的彈性

固特異於1839年發現了橡膠的硫化，從此天然橡膠才真正被確定具有特殊的使用價值

理解了原材料的重要性，後續就是一步步加工原材料

下面的製造工藝流水線具體流程普通汽車用戶有個概念就可以了

如果想進入輪胎工業工作就根據關鍵字查閱具體的資料

---1> 生膠混煉

---2> 胎面、胎側、胎芯及肩墊膠

---3> 胎體帘布層

---4> 帶束層

---5> 氣密層及粘合膠片

---6> 鋼絲圈

---7> 各種型膠

---8> 成型

---9> 硫化

---10> 成品在線監測

五、輪胎生產商

--法國米其林

---米其林19世紀起源於法國，是子午線輪胎的發明者，米其林屬於舒適性輪胎，舒適性接近馬牌，抓地耐磨一般。米其林銷售額世界第二，僅次於普利司通。主要配套一些頂級品牌汽車的中端產品，如寶馬5系，賓士E級C級。個人感覺同樣屬於舒適性輪胎的米其林比馬牌更適合中國的路況一些，這也是米其林在中國成功的原因吧。當然，由於廣告，米其林的價格在國內並不算低，進口米其林價格一般，沒有倍耐力，馬牌，鄧祿普的貴。總體來說，米其林不錯

--日本普利司通

---地地道道的日本品牌，也是世界6大輪胎品牌中最晚、唯一一個20世紀開始做輪胎的廠家，普利司通和國產鄧祿普類似，沒啥特點， 屬於比較中性的，各方面性能都過得去，舒適靜音僅次於鄧祿普，是高端品牌中最耐磨的。價格嘛，由於在F1中瘋狂燒錢，價格不算便宜，比米其林，固特異便宜點。也由於贊助F1，銷售額達到了前所未有的高度：超過米其林，目前世界第一，普利司通最近1年也能在高端車型中看見配套，如奧迪A8，賓士S級等

--美國固特異

---固特異就是前面那個發明橡膠硫化的人，後來創辦了一家輪胎企業，固特異屬於典型的美國貨，只求抗噪，抓地僅次於倍耐力，噪音接近倍耐力，不耐磨，還容易偏磨損，價格死貴。配套不多，奧迪Q7，陸虎，國產車配套比較多，奧迪，華晨寶馬等。價格和米其林差不多，屬於國產裡邊價格最高的了，品質還差，工廠產量小，凈是代工產品

--德國馬牌（大陸）

---德國馬牌也叫大陸輪胎，也是19世紀開始做輪胎的，馬牌和倍耐力是兩個極端，以靜音舒適著稱，那些說米其林舒服的朋友一定沒用過馬牌輪胎。舒適靜音是馬牌的最大特點，不過好像也只有這一個特點，馬牌不算耐磨，抓地力一般，不強壯，不太適合我們國家的路況，進口輪胎價格比較實在，目前中國工廠還沒有蓋起來，市場表現還要看國產輪胎下線後的定位情況。配套方面，馬牌輪胎主要配套一些中級車型，如奧迪A4、A6，賓士C級E級，寶馬3系；一些高檔的SUV配套的馬牌都是捷克出的，噪音不小

--義大利倍耐力

---倍耐力起源於19世紀後期，是最早的輪胎廠家之一，它屬於運動型輪胎，也是最早贊助F1的，現在還在贊助wrc。說實話，倍耐力輪胎絕對適合WRC那種路況，抓地超強，非常強壯。喜歡飈車的朋友，倍耐力是首選，抓地太強悍了，不敢說倍耐力是最好的，但可以負責任的說，倍耐力的抓地是最棒的，飈車玩家必備，不過前提是，你得忍受倍耐力同樣強大的胎噪，驚人的胎噪，那種感覺無法形容，以至於倍耐力的經銷商都不相信那是輪胎髮出的噪音。倍耐力的價格在高檔輪胎里屬於中等偏上，目前已經國產化，銷售不理想。配套比較多，都是高檔車，像寶馬7系，奧迪A8等等

--日本鄧祿普（住友）

---鄧祿普於19世紀後期起源於英國，後被日本控股，是充氣輪胎的發明者，國產鄧祿普輪胎最大的特點是沒特點 (和普利司通類似，下面會提到)，靜音舒適性不如米其林和馬牌，抓地力不如倍耐力，屬於比較中性的輪胎。其實鄧祿普在國際上是個純高端品牌，從配套就能看出來，奧迪A8，賓士S600，寶馬5系X5X3，大眾途銳， 價格當然也高的誇張。國產鄧祿普針對中國的情況，適當降低了部分小型號輪胎的定位，使其能夠滿足幾乎全部車型的需求，價格比較合適

不同類型的輪胎都有其特點和適用環境，車主應該根據自身需要採購，不一定貴的就是好的

總結一下特點：

運動能力：

第一：倍耐力；第二：固特異；第三：鄧祿普；第四：普利司通；第五：米其林；第六：德國馬牌；

舒適靜音性：

第一：馬牌；第二：米其林；第三：鄧祿普；第四：普利司通；第五：固特異；第六：倍耐力；

耐磨：

第一：普利司通；第二：倍耐力；第三：鄧祿普；第四：米其林；第五：德國馬牌；第六：固特異；

價格(由高至低)：

第一：米其林；第二：固特異；第三：倍耐力；第四：德國馬牌；第五：普利司通；第六：鄧祿普；

安全係數：

第一：倍耐力；第二：固特異；第三：鄧祿普；第四：普利司通；第五：米其林；第六：德國馬牌

六、F1賽車輪胎

1> F1賽車的輪胎分為兩大類，分別是乾地胎和濕地胎。

其中乾地胎有4種，濕地胎有2種（先不說這賽賽季新加的極軟胎）。

分別適用於不同的天氣狀況、賽道特性、還有車隊戰術

--乾地胎

沒有紋路，是為了增加輪胎與地面的接觸面積從而提高抓地力

----超軟胎（紅色）

超軟胎的特性是升溫速度非常快，能夠在短時間內到達合適的胎溫和最佳的抓地表現。但是超軟胎的使用頻率比較低，因為它非常適合慢速多彎的賽道，比如摩納哥站和匈牙利站

----軟胎（黃色）

軟胎的工作範圍很大，適用於多種條件與環境的賽道，所以它也是整個賽季使用頻率最高的一款輪胎

----中性胎（白色）

中性胎的工作範圍相對較小，一般車隊在溫度要求比較低的賽道才會啟用中性胎

----硬胎（橙色）

硬胎是在2013賽季的時候，把顏色從銀色變成了醒目的橙色。同時，相比於之前的硬胎來說，今年的硬胎還要稍軟些。硬胎比較適用於溫度需求更高的賽道

--濕地胎

有紋路是為了提高排水性，因為F1賽道是露天的，如果下大雨就不能再用乾地胎了

----濕地胎（綠色）

濕地胎就不是光頭胎了，而是有較淺的輪胎紋路，用於提高排水性。但是濕地胎是適用於賽道濕滑但是沒有積水的情況。這款輪胎的紋路很像半熱熔胎

----雨胎（藍色）

藍色雨胎與綠色的濕地胎一樣，都帶有輪胎紋路，不過全雨胎的紋路更深，有點像我們民用胎的紋路。但是全雨胎的排水性非常好，在賽車以300km/h的速度行駛時，全雨胎具有每秒排出60升水的能力

2> 與F1輪胎相關的數據

10公斤

一條前輪輪胎的重量

一條後輪輪胎的重量

1.2 / 1.3 Bar

為了提高抓地力，F1輪胎充氣氣壓相對較低，以便讓輪胎表面與賽道有最大的接觸面積

150

在製造一條F1輪胎時需要使用150種不同的原料，其中包括橡膠(天然橡膠和合成橡膠)、苯乙烯丁酸(用於提高抓地力)以及聚丁烯(用於提高耐久性)。除此之外，一條輪胎中還包含例如尼龍或者滌綸等織物纖維、樹脂、硫磺、蠟、石油等原料

100攝氏度

當胎面溫度達到90到110攝氏度之間時，乾地胎的行駛性能達到最佳狀態

30,000

一年製造的F1輪胎數量

250

已經評估過的不同輪胎開發方案的數量

100,000

在一年的試車過程中，測試輪胎的里程數

150,000

在一站一級方程式大獎賽中，一條輪胎旋轉的圈數。在最高時速時可達到每秒50圈

25噸

到歐洲以外進行比賽時，運輸車中所裝載的輪胎以及相關設備的總重量

36升

當賽車以每小時160公里的速度行駛時，一條前輪濕地胎(寬度為270毫米)將在每一秒鐘里排出36升雨水

45升

當賽車以每小時200公里的速度行駛時，一條前輪濕地胎(寬度為270毫米)將在每一秒鐘里排出45升雨水

4G

在巴塞羅那這樣的賽道上，輪胎所承受的橫向重力加速度為4個G(相當於四倍的地心重力加速度)，在賽車制動時為4.5個G。這種狀態下，車手頭部所承受的重量為正常情況下的4倍

1.2噸

在快速轉彎的時候，輪胎能夠產生超過1噸的橫向拉力，以克服轉彎的離心力

600公斤

根據不同的賽車調校，在賽車本身重量以及空氣動力學組件所產生的下壓力的共同作用下，每條輪胎所承受的壓力可能會高達600公斤或更高

300公里

在新的規則下，一條輪胎必須能夠確保行駛300公里的里程

0.002秒

當賽車以每小時300公里的速度飛馳時，橡膠分子每0.02秒會與賽道表面接觸0.002秒

2017年F1 法拉利SF70H - Scuderia Ferrari 70 Hybrid

輪胎採用P ZERO