從理論上講，降低汽車油耗的途徑有輕量化、減小輪胎滾動阻力及采用稀混合氣發(fā)動機等。實際上，只有減小輪胎滾動阻力才是最切實可行的綠色輪胎設計途徑，研究結果表明，輪胎的模具、花紋設計和輪胎結構和材料均對輪胎滾動阻力有影響?？朔喬L動阻力消耗的燃油占汽車總油耗的14.4%，而僅由胎面產生的滾動阻力就占輪胎滾動阻力的49%，其他部件的影響比例分別為：胎側14%、胎體11%、胎圈11%、帶束層8%、其余部件7%。由胎面直接造成的油耗約占7.1%。降低胎面的滾動阻力并保證抗?jié)窕阅芰己脤⑹蔷G色輪胎最基本的要求。

綠色輪胎技術主要從選擇合適的膠種和配合劑，改進胎面膠料配方入手，再輔以減薄胎體、優(yōu)化輪胎輪廓等結構設計手段，來達到降低輪胎滾動阻力的目的?？梢灶A料，計算機輔助設計技術的介入和聚合物分子定向設計成果的推出，無疑將加速綠色輪胎開發(fā)進程。 子午化、無內胎化和扁平化是輪胎結構設計發(fā)展的方向, 也是綠色輪胎的首選。

綠色輪胎胎面一般由胎面膠和胎面基部膠兩部分組成, 胎面膠的動態(tài)模量大于胎面基部膠, 胎面基部膠厚度與胎面膠厚度之比為0. 25~ 0. 70。通過用有限元法分析輪胎的水滑現象, 可以設計出能夠明顯改善水滑現象的胎面花紋, 如固特異公司的A quat red、米其林公司的Catamaran、普利司通公司的F170C 和倍耐力公司的P5000Dr ag o 等輪胎。 輪胎結構 大體可分為兩種，即子午線結構和斜交結構。子午線結構與斜交結構的根本區(qū)別在于胎體。胎體是輪胎的基礎，它是由簾線組成的層狀結構。胎體層上部有簾線為周向排列的帶束層，這種結構使簾線強度能夠得到充分利用，故子午胎的簾布層數比斜交輪胎少40%-50%。

從設計上講，斜交輪胎有很多局限性，由于斜交輪胎交叉排列的簾線強烈摩擦，使胎體容易生熱，而且加速胎面花紋磨耗，其簾線布局也不能很好地提供優(yōu)良的操縱性能和乘坐舒適性；而子午線輪胎的鋼絲帶束層則有較好的柔韌性以適應路面的不規(guī)則沖擊，且經久耐用。它的簾布層結構還意味著在行駛中有小得多的摩擦，從而獲得較長的胎面壽命和較好的燃油經濟性。

子午線輪胎本身的優(yōu)點使輪胎無內胎化成為可能。無內胎輪胎有一個公認優(yōu)點，當輪胎被扎破后，不是像有內胎的輪胎(普通的斜交胎是有內胎的)那樣爆裂，而是在一段時間內保持氣壓，從而提高了安全性。

由于子午線輪胎胎體的特殊結構，使得在行駛中輪胎的路面抓力大、效果好，裝有子午線輪胎的汽車與裝有斜交輪胎的汽車相比，其耐磨性可提高50%-100%，滾動阻力降低20%-30%，可以節(jié)約油耗約6%-8%。也正因為這樣，同樣車型選用子午線輪胎比選用斜交輪胎操縱性好，有較好的駕駛舒適性。

輪胎斷面寬度增大時，滾動阻力呈下降趨勢。這是因為輪胎斷面寬增加而使胎側部剛性減小，而對滾動阻力影響較小的側部的變形增加，對滾動阻力影響較大的胎面部的變形減小所致。另外，隨著輪胎斷面寬度的加寬，胎面、帶束層等主要部位的能量損失減小。因此加大輪胎斷面寬度對降低滾動阻力有利。

如果胎圈部的填充膠條高度增高，則滾動阻力亦增加。因為隨著填充膠條高度增高，產生滯后損失的物質體積增加，胎側下部的能量損失亦增加。另外，填充膠條高度增加會因胎側的剛性增加而使胎側部變形減小，而對滾動阻力影響較大的胎面部的變形相對增大，這會導致滾動阻力增加。目前，胎體結構設計是向低斷面方向發(fā)展。 胎面半徑增大時，可降低輪胎的滾動阻力。這是因為胎面半徑增大時輪胎產生平面接地屈撓變形，使因輪胎斷面方向的屈撓變形所產生的應變能變小的緣故。也就是說，滾動阻力隨著胎面半徑的增大而減小，這主要得益于胎冠部和帶束層能量損失減小。今后綠色輪胎胎面結構應朝如下方向發(fā)展：

(1)雙層胎面

雙層胎面輪胎具有高速、穩(wěn)定、耐磨及生熱低等優(yōu)點，一般是由胎面和胎面基部兩部分構成，其胎面與胎面基部膠具有不同的動態(tài)模量和tanδ。有關文獻指出，胎面動態(tài)模量大于胎面基部動態(tài)模量(≥8.5 MPa)，tanδ大于0.12，胎面基部厚度與胎面厚度之比為0.25-0.70。

(2)發(fā)泡胎面

發(fā)泡胎面是由發(fā)泡橡膠制成的，除胎面膠的一般組分外，還含有結晶型間同立構1，2-聚丁二烯(粉末狀，平均粒徑為60 nm)，再配合發(fā)泡劑、抗氧劑等其他助劑。試驗表明，使用發(fā)泡胎面制備的輪胎在干、濕路面上特別是在冰面上具有良好的制動和牽引性能，即使在炎熱的夏季也完全能夠保持駕駛穩(wěn)定性、耐久性和低油耗，因此是綠色輪胎胎面膠的發(fā)展方向。

在進行輪胎結構設計時必須能夠在不降低與滾動阻力相互矛盾的其他特性(濕滑性、安全性、振動性等)的前提下降低滾動阻力。作為具體的降低滾動阻力方案，必須綜合考慮輪胎形狀和橡膠配置，特別是要考慮對由復合材料構成的帶束層、胎體簾布層滾動阻力的影響。作為輪胎結構研究，不能僅憑過去的直覺和經驗，還要用模擬技術來加速低滾動阻力輪胎的開發(fā)。

有限元法采用橡膠材料的能量結構方程式已有數十年的歷史，已從線性彈性方程式過渡到Mooney-Rivlin方程式，最近還在大變形領域引入了非線性結構方程式。作為以輪胎為代表的許多工業(yè)橡膠材料使用的填充橡膠，在0-100%的應變領域中的儲能模量、損耗模量、tan8這些黏彈特性使應變具有非線性，一般被理解為佩因效應(弗萊徹-金特效應)?？紤]這一點的非線性結構方程式近幾年也被提出來了。在正常車輪轉動狀態(tài)下，應變在輪胎變形中也占大部分，控制該應變領域的黏彈性對控制輪胎滾動阻力也尤為重要。實際上，通過將表示填充橡膠在0-100%的應變領域的儲能模量、損耗模量、tanδ這些黏彈特性的非線性黏彈性結構方程式應用于FEA（有限元分析），可使輪胎滾動阻力的預測精度較傳統(tǒng)預測有大幅度的提高。這樣一來，降低輪胎滾動阻力的輪胎結構設計、新材料開發(fā)和配方設計的精度和效率就相應地得到提高。目前已經開發(fā)出通過用有限元法模擬輪胎滾動阻力，進而進行綠色輪胎設計的方法。 通常，降低輪胎滾動阻力有如下兩種基本方法：

（1）減小輪胎質量

減小輪胎質量是降低輪胎滾動阻力最快速、最有效的方法。為了保證輪胎質量小，在確保輪胎使用性能的前提下，必須采用最小的部件厚度。輪胎生產廠必須嚴格控制工藝，以保證部件達到最小厚度，絕不允許工廠采取擅自加大部件厚度的辦法來解決生產問題。采用輕質材料制造各輪胎部件也是減小輪胎質量的一種有效方法，采用芳綸帶束層替代鋼絲帶束層就是一個明顯的例子。

（2）減小材料能效

降低輪胎滾動阻力的第二種方法是減小輪胎材料的能量損失(滯后損失)。聚酯簾線的滯后損失較大，但經過合適的改良后，有可能推出較小滯后損失的品種。橡膠制品配方設計

配方設計的基礎知識

配方設計是橡膠工業(yè)中的首要技術問題，對提高產品質量具有重要的意義，是橡膠制品獲得所需性能的主要途徑.

合理的配方，要求保證橡膠制品性能優(yōu)良、膠料工藝性能良好并能獲得較佳經濟效益,配方設計應受到橡膠企業(yè)和技術人員的重視。

配方設計工作要繼承前人的經驗，在實踐中勇于創(chuàng)新,并通過試驗得到驗證.

配方設計的基本理論

配方設計的基本理論是相關性理論

配方組分與混煉膠和硫化膠之間存在著相關關系；

配方組分與材料品種、類型及用量,對混煉膠以及硫化膠具有決定性的影響；

硫化膠性能與材料之間存在相關關系；

硫化膠性能之間存在著相關關系;

硫化膠性能與加工條件（開煉、密煉、擠出、硫化方式、模壓、注壓）對性能的影響；

上述5項相關性研究,即構成橡膠配方的基本內容,經過試驗驗證,達到經濟技術指標合理配方。

配方成分的組成

橡膠配方原材料有數百種,所采用的配合劑越來越專用化,配方的組分概括為以下5種

生膠 這是配方的主體材料，以生膠為100,其他材料品種用量根據生膠類型選擇。

性能體系： 補強劑、防老劑、著色劑、芳香劑、增強劑、增黏劑和新型助劑

成本體系： 填充劑、增容劑

增塑體系： 增塑劑包括化學增塑劑和物理增塑劑。

硫化體系： 硫化劑、促進劑、活性劑、防焦劑

配方設計依據 （以載重輪胎胎面為例）

產品使用條件 氣溫范圍、路面條件（例如柏油路、水泥路、土路、碎石路，平原或山區(qū)）負荷、車速、一次性的行駛里程、往返連續(xù)性行駛里程

輪胎使用程度 輪胎使用時長必須滿足用戶的要求（載重汽車輪胎剩余花紋保持2mm,轎車輪胎保持1.6mm）

輪胎膠料整體配方設計

輪胎是復合材料厚制品,由11-12種不同性能的膠料和骨架材料組成.

由于膠料加工受熱過程、硫化受熱過程不同,

還需提高膠與膠、膠與骨架材料粘合的持久性,調整輪胎生熱和提高膠料耐熱老化性能；

在整體配方設計時，要考慮以下性能的匹配和要求.

門尼焦燒時間t5 匹配

硫化時間t90匹配

300%定伸應力匹配

耐熱老化性能指標100°C，24小時胎面拉伸強度保持率、拉斷伸長保持率均大于70%,布層膠拉伸強度保持率和拉伸伸長保持率均大于80%.

制定膠料技術經濟指標

制定內控指標時要考慮小配合、大配合、半成品和成品膠料性能的變化規(guī)律

混煉膠工藝性能指標項目 門尼黏度（ML1001+4°C）門尼焦燒時間（125°C）t5 硫化儀143°C（胎面膠）t10、t90、較大扭矩,密度，應具有良好的收縮性、挺性、黏著性、無噴霜.

硫化膠物理性能項目：硫化儀硫化曲線(t10、t35、t90、t100、較大扭矩)、返原性、拉伸強度、拉伸伸長率、300%定應力、拉斷后出現變形、硬度、密度。

此外還有彈性、壓縮生熱、撕裂性、附著力、老化后（100°C,48h）拉伸強度。胎面膠（胎側膠）還有日光老化、磨損性能、損耗因子.

成本指標

選擇方案

為實現配方的技術經濟指標,有多種措施方案可以選擇,要用計算機和經驗選擇較佳方案

在掌握各項機理和相關關系的基礎上,運用數據庫的數據,確定品種和用量，用均分法、修正法和比例組合法,評估性能；

從多種方案中選出較優(yōu)方案,經過試驗驗證,必要時進一步調整配方(變量和正交試驗),選出較佳的配方。汽車輪胎是怎么制作的？

制作流程：準備半成品

- 平整或切割橡膠

- 織物層

- 鋼絲和胎圈

組裝半成品

- 組裝

- 后處理

硫化工序

質量控制

每個環(huán)節(jié)都很重要。為了得到所需要的硫化成品，未硫化的產品和半成品必須符合開發(fā)人員的要求。

需要準備的半成品包括了輪胎的各個部分：：橡膠、織物、鋼絲和胎圈。

:: 橡膠

輪胎的一種配方中包括以下基本材料：

- 合成橡膠(苯乙烯-丁二烯, 聚丁二烯, 丁基合成橡膠)

或天然橡膠

- 加固填充物：碳黑或者硅

- 硫化產品，實現從可塑狀態(tài)到彈性狀

態(tài)的轉變：硫磺、 加速劑和催化劑等

- 提高材料性能或改進材料某種特性的各種產品

:: 織物層和鋼絲

混合物經過擠壓成形，變成平整的（整張）或者帶切割的（花紋條）產品。整張的材料用于生產織物層或者鋼絲。疊加的過程需要將織物或者鋼絲嵌入橡膠之中。

:: 胎圈

鋼絲不僅用于制造鋼絲帶束層，有些較粗的鋼絲還被用于制造胎圈。很細的鋼絲被用于制造鋼絲帶束層（其直徑約為0.25毫米），而較粗的鋼絲被用于制造胎圈（直徑大約為1毫米）。

組裝包括兩步：組裝和后處理

組裝程序是將半成品按照特定的程序組裝起來。輪胎的組裝需要用一種特殊的機器，它主要由一個旋轉的鼓組成，半成品從氣密層開始，一層層在鼓上疊加。為了做成一個外胎，要由機器或者人工在鼓上放置平整或者切割好的產品、簾子布層、鋼絲帶束層以及胎圈。

后處理階段始于將外胎制作成未來輪胎的形狀。鼓膨脹的同時將兩個胎圈連在一起，外胎就被做成所需的輪胎型號的形狀。胎冠層（織物或者金屬層）被放置在成形的外胎上，形成了輪胎環(huán)帶，然后再加上胎面的花紋。

在這個過程中，未來的輪胎被稱作未硫化輪胎或者"綠色"輪胎。它僅僅是將產品中未硫化的半成品黏合固定在一起。

硫化是通過彈性體鏈之間的硫磺橋，把輪胎從可塑狀態(tài)轉變成彈性狀態(tài)。硫化中形成了輪胎中不同材料的合成結構?；旌衔锉火ず显谝黄?，填充層和鋼絲相互混合。通過加熱加壓的方法，在特殊的機器上可以進行模具硫化。輪胎同時從外部（例如，熱蒸汽在模具壁內部循環(huán)）和內部（一般使用輪胎內部的橡膠隔膜中的高溫壓力液體）進行加熱。

通過在輪胎的內部用壓力（超過10bar）把輪胎壓在模具上，使得輪胎成型。模具內刻的花紋會制造出胎面的花紋和標識文字。硫化過程的長短因輪胎的尺寸、制造工藝和所使用的配方而不同。從制造自卸車輪胎的幾分鐘到制造汽車輪胎的15分鐘，而制造推土機輪胎則需要24小時甚至更長時間。硫化的溫度一般在攝氏100度到200度。

在這個過程中，橡膠混合物失去了其初期的可塑性，但同時也獲得了穩(wěn)定的彈性。

質量控制程序保證輪胎的質量和品質參數。質量控制包含很多方面：超聲波、均勻性、結構、放射線透視和射線照片等。

現在輪胎就可以使用了！