輪胎

發明人：查爾斯·固特異（Charles Goodyea）于1839年發明了橡膠硫化工藝；愛爾蘭獸醫約翰·博伊德·鄧祿普（John Boyd Dunlop）于1888年發明了充氣輪胎；紐約商人和科學家亞歷山大·施特勞斯（Alexander Strauss）于1894年發明了織物——在一個方向上拉伸，而在另一個方向上不變；安德烈·米其林（André Michelin）于1895年發明了汽車充氣輪胎；固特異輪胎公司的保羅·W．利奇菲爾德（Paul W．Litchfield）于1903年發明了無內胎輪胎；弗蘭克·塞伯林（Frank Seiberling）于1908年發明了一種在硬胎表面切割細槽以提供抓地力的機器；百路馳公司（B．F．Goodrich Company）于1910年發明了把碳加入橡膠的技術以減少輪胎的磨損；亞歷山大（Alexander）的兒子菲利普·施特勞斯（Philip Strauss）于1911年發明了成套的內外胎，用織物加固的硬橡膠外胎，里面裝上充氣內胎；固特異輪胎和橡膠公司于1937年發明了石油基的合成橡膠輪胎；古德里奇公司（B．F．Goodrich Company）于1947年發明了第一個無內胎汽車輪胎。

輪胎發展史

早期的車輪是實心的木頭或鐵制成，減輕了人類的體力負荷，是個省時而便利的革命性的發明。但是人們發現這樣的車輪行走過程中極不平穩。幾千年后，由橡膠和空氣組合而成的舒適輪胎將人們從顛簸中拯救出來。

輪胎是附著在輪輞上的一種牢固而有彈性的橡膠外套。輪胎能夠支承車身、緩解外界沖擊、實現與路面的接觸并提供抓地力保證車輛的行駛性能。輪胎應用范圍很廣，自行車、嬰兒車、購物車、輪椅、摩托車、汽車、卡車、公共汽車、飛機、拖拉機和工業車輛都有輪胎。

大多數車輛的輪胎都是充氣輪胎，也就是說充滿了壓縮空氣。在20世紀50年代中期之前，充氣輪胎有一個內胎來保持氣壓，但現在的輪胎大多已經設計成與車輪輪輞形成一個整體的壓力密封體。

起源

蘇格蘭發明家羅伯特·湯姆森（Robert Thomson）在1845年發明了內胎充氣式輪胎。不幸的是，他的發明遠遠超前于時代，幾乎沒有引起人們的興趣。19世紀80年代，另一位蘇格蘭人約翰·博伊德·鄧祿普（John Boyd Dunlop）對充氣輪胎進行了徹底改造，并迅速贏得了騎車人的喜愛。

天然橡膠是制造輪胎的主要原料，雖然合成橡膠也被使用。然而，為了提高橡膠的強度、彈性和耐磨性，橡膠必須經過各種化學處理后加熱硫化。

1839年，美國發明家查爾斯·固特異（Charles Goodyea）偶然發現了強化橡膠的方法，這種方法被稱為橡膠的硫化。他從1830年起就開始用橡膠做實驗，但一直未能開發出一種合適的固化工藝。在一次用印度橡膠和硫磺的混合物做實驗時，固特異把混合物扔到一個熱爐子上。奇跡發生了，橡膠和硫磺的混合物發生了化學反應，非但沒有熔化，反而形成了一個硬塊。他繼續實驗，直到能穩定地產生連續的橡膠薄片。

今天，大型高效率的工廠，配備熟練工人，每年在全球生產超過10億個新輪胎。盡管自動化規程指導了制造過程中的許多步驟，但仍然需要熟練的工人組裝輪胎的部件。

輪胎材料

橡膠是制造輪胎的主要原料，天然橡膠和合成橡膠都有使用。天然橡膠是以乳狀液體的形式存在于橡膠樹的樹皮中。為了生產用于輪胎制造的生橡膠，人們將液態膠乳（橡膠樹的乳狀樹汁）與酸混合，生成固體橡膠。壓力機擠出多余的水分，把橡膠壓成薄片。然后，這些薄片在高高的熏制室里干燥，壓成大捆，運送到世界各地的輪胎工廠。合成橡膠是由原油中的聚合物制成的。

輪胎橡膠的另一個主要成分是炭黑。炭黑是一種細而軟的粉末，當原油或天然氣在有限的氧氣中燃燒時產生大量的細煤煙，即碳黑。制造輪胎需要大量的碳黑，通過鐵路線運輸，將碳黑儲存在輪胎廠巨大的筒倉內，以備生產上的需要。

輪胎中也使用硫磺和其他一些化學品。特定的化學品，當與橡膠混合加熱后，就產生相應用途的輪胎產品的特性，如適用于高摩擦低里程的賽車輪胎，或高里程低摩擦的轎車輪胎等。一些化學品使橡膠在被加工成輪胎時具有較好的彈性，而有些化學品則可以保護橡膠免受陽光下的紫外線輻射。

輪胎設計

轎車輪胎的主要部分是胎面、胎體、胎側和胎圈。胎面是與路面接觸的凸起的花紋。胎體支撐胎面并賦予輪胎形狀。胎圈是用橡膠包裹的金屬絲束，起固定輪胎作用。

復雜的分析軟件，以及利用多年的測試數據，使輪胎工程師可以模擬不同的花紋下胎面性能和耐久性。該軟件創建為一個可能的輪胎設計的三維彩色圖像，并計算不同的應力對擬設計的影響。計算機模擬為輪胎制造商節省了資金，因為在原型輪胎實際組裝和測試之前，可以發現許多設計上的局限性。

除了測試胎面花紋和胎體結構，計算機還可以模擬不同種類橡膠化合物的效果。在現代客車輪胎中，多達20種不同類型的橡膠可用于輪胎的不同部位。如，一種橡膠化合物可用于胎面，使汽車在寒冷的天氣里具有良好的抓地力；另一種化合物則是用來使胎側具有更好的剛性。

當輪胎工程師對新設計的輪胎進行計算機模擬分析研究，并對結果感到滿意后，制造工程師和熟練的輪胎裝配工就會與設計人員一起工作，生產用于測試的原型輪胎。當設計和制造工程師共同認可新設計的輪胎后，工廠就開始大批量生產這種新輪胎。

制造過程

客車輪胎是在成型工序中制成的。首先將特殊配方的橡膠半成品，根據不同的結構、不同的部位，由輪胎裝配工準確切割好材料并一層層疊加鋪設在金屬鼓上，制成所謂的“生胎”。一個半成品的輪胎完成了，這時移走金屬鼓，裝配工拆下輪胎，然后將生胎放在硫化模具中進行硫化。

混合橡膠

1．輪胎制造過程的第一步是原材料的混合，形成橡膠化合物。鐵路運輸線將大量的天然橡膠、合成橡膠、碳黑、硫磺以及其他化學品和石油原料運至工廠儲存起來，以備生產所需。計算機控制系統中儲存了多種工藝配方，并根據產品批次自動按量配給控制特定的橡膠和化學品混合過程。巨大的攪拌器，像垂直的水泥攪拌器一樣懸掛著，將橡膠和各種化學品充分攪拌在一起，每批重量可達500千克。

2．然后，每種混合物都要混合其他的化學品經過加熱后重新碾磨，分批次軟化。

3．接著在這批混合物中加入其他的化學原料，經過攪拌機再次攪拌，形成最終的混合物。在混合的三個步驟中，加熱步驟和摩擦步驟使橡膠軟化，使化學物質分布均勻。每個批次膠料的化學組分取決于輪胎的使用部位的特性要求。胎體使用特定的橡膠配方，胎圈使用一種配方，而胎面使用的是另外的配方。

胎體、胎圈、胎面

4．一旦一批橡膠被混合，它就會通過強大的軋機將這批橡膠壓成厚片。然后這些板片被用來制造輪胎的特定部分。例如，輪胎胎體就是由布條狀的尼龍織物或聚酯織物組成輪胎的框架，這些織物的上下兩面涂覆著橡膠。涂上橡膠的織物就是所謂的簾子布，每個胎體都有一層簾布層組成。一個標準的客車輪胎也許有一層或兩層的掛膠簾布組成。

5．在輪胎剖面上，我們可以看到兩根高強度的鋼絲圈，我們稱之為胎圈。胎圈可以將輪胎牢牢地固定在汽車輪輞上，起固定輪胎作用。鋼絲束是在繞線機上形成的，然后將鋼絲束纏繞成鋼絲圈，并用橡膠包裹住鋼絲圈。

6．用于輪胎胎面和胎側的橡膠從“密煉機”輸送到另一種稱為“擠出機”的加工機器。在擠出機中，物料進一步混合和加熱，通過一個模具口擠出，形成半成品的板狀橡膠部件。胎側橡膠部件上覆蓋一層保護性塑料皮，然后卷起來。胎面橡膠被切成條狀，裝進大而平的金屬托盤中，就像一本書籍似的（見圖1）。

輪胎成型機

7．胎側橡膠卷，包含胎面橡膠的托盤和放有胎圈的架子，都被送到輪胎成型機的熟練裝配工那里（見圖1）。在成型機中心是一個中間柔軟可折疊的旋轉鼓，用它來固定組成輪胎的各部件。輪胎裝配工開始制造輪胎，方法是將輪胎的橡膠布層纏繞在成型機的鼓輪上。在這些層搭接處加入膠水連接后，胎圈固定到位，將胎體折疊在胎圈上。下一步，裝配工使用特殊的電動工具來塑造層的邊緣。最后，將胎側和胎面用膠水黏合到位，然后向中心擠壓成型，并將組裝好的輪胎從輪胎成型機上拆下。（見圖2）

硫化

8．生胎被放置在一個大模具內進行硫化處理（見圖2）。硫化模具的形狀像一個巨大的金屬蛤蜊，打開后露出一個大而靈活的囊狀物。生胎放入模具內膽，關閉模具翻蓋。硫化模具上帶有所有輪胎的標記和胎面花紋。充滿熱水的硫化膽內，囊狀物受熱膨脹，把輪胎緊緊地推進模具的空穴內。模具周圍的熱水和蒸汽開始硫化過程。這個硫化過程把混合橡膠與鋼絲，或者織物絲加固部件緊密地結合在一起。在這個化學反應中，輪胎從原來柔軟而且容易變形的狀態，轉變成堅硬而富有彈性的狀態。在硫化過程中，蒸汽將生胎加熱到138℃，在模具中的硫化時間取決于輪胎所需的特性。一會兒之后，硫化過程完成了，這時候的輪胎已經具備了最終的外形和特性。

9．硫化完成后，將輪胎從模具中取出進行冷卻和測試。每個輪胎都要進行徹底的檢查，檢查是否有缺陷，如胎面、胎側和輪胎內部橡膠中是否有氣泡或空心點。然后，把輪胎放置在一個測試輪上，充氣并旋轉。測試輪中的傳感器測量輪胎的平衡，并確定其是否沿直線行駛。一旦輪胎經過檢查并在測試輪上運行完好，它就會被移到倉庫中進行分發。

質量控制

質量控制從原材料供應商開始。輪胎制造商可以對來廠原材料進行跟蹤，追溯到上游供應商對原材料進行測試的具體測試者。制造商通常會與供應商簽訂特別采購協議，由供應商提供原材料特性和組成的詳細證明。為確保供應商的認證可靠，輪胎公司的化學家在原材料交付時對其進行隨機測試。

在整個密煉過程中，抽取橡膠樣品并加以測試以確定不同的性能，如抗拉強度和密度。每個輪胎裝配工負責所使用的輪胎部件。代碼編號和全面的計算機記錄保存系統使工廠管理人員可以跟蹤橡膠和特定輪胎部件的批次。

當一種新的輪胎設計的第一次實物被制造出來時，會從裝配線末端取出數百個輪胎進行破壞性試驗。一些輪胎被切開，以檢查胎體層之間的氣囊，而有些輪胎被按壓在金屬釘上，以確定耐刺穿性。還有一些輪胎壓在金屬鼓上并快速旋轉，以測試里程和其他性能特性。

各種無損檢測技術也被用于輪胎質量控制。X射線攝像提供了一個快速、可視的輪胎檢測方法。隨機選擇的輪胎被帶到輻射室，接受X射線的檢測。技術人員在視頻屏幕上查看圖像，很容易發現輪胎缺陷。如果出現缺陷，制造工程師將檢查輪胎部件裝配的具體步驟，以確定缺陷是如何形成的。

除了內部測試，在制造過程中還會考慮消費者和輪胎經銷商的反饋意見，以確定需要改進的地方。

未來的輪胎

不斷改進的橡膠化學工藝和輪胎設計正在創造令人興奮的新輪胎，包括提供更大的里程和改善性能且在極端天氣條件下使用的輪胎。制造商現在提供的一些輪胎，估計可持續使用長達14.4萬千米。由計算機設計和測試的胎面，具有獨特的不對稱條帶，提高了在潮濕或積雪道路上的牽引力和安全性。一家制造商開發了一種輪胎，這種輪胎在胎面磨損時仍能保持其性能，其原理是依靠輪胎磨損時暴露出來的合并凹槽、這種凹槽磨損時變寬。還有采用潮濕條件下增加抓地力的專用橡膠化合物制作胎面。

漏氣的輪胎真讓人泄氣。但輪胎設計工程師們也帶來了一些好消息。他們完善了一種幾乎永遠不會癟的非充氣輪胎，因為它不含任何壓縮空氣。一個柔韌的網狀輻條內部結構支持著輪胎，而不是空氣。所謂的防爆輪胎，主要是加強了胎側和自密封襯里，可以允許你繼續駕駛，即使輪胎已經失去了空氣壓力。這樣的輪胎產品已經上市，并有可能會變得更加普及。即使是那些能夠監測自身氣壓的輪胎，如果氣壓低，也能夠從儲氣罐中泵入更多的空氣。一種通過安全閥釋放多余壓力的輪胎，也在研發之中。

輪胎的生產和試驗一直在進行，只要駕駛員需要，就會繼續改進。