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唐柯冬季轮胎的历史第2 期专论综述冬季轮胎的历史唐柯编译摘要：介绍了在日本的冬季轮胎发展历史。由于防滑钉刮到路面会产生灰尘的问题，所以开发出了未镶钉轮胎（没有防滑钉的轮胎）以取代已被禁止使用的镶钉轮胎。随着未镶钉轮胎的推广，结冰的路面被轮胎磨光，变成非常光滑平整的结冰路面。因此，未镶钉轮胎的发展史就是改善轮胎在冰面上性能的历史。为了提高轮胎在结冰路面上的摩擦力，轮胎胎面必须附着于结冰路面上。为此，粘附摩擦、边缘效应和水膜去除效应作为摩擦机理非常重要。关键词：冬季轮胎；镶钉轮胎；未镶钉轮胎；结冰路面；冰面行驶性能；粘附摩擦；边缘效应；水膜去除效应1前言冬季，汽车在冰雪路面行驶时，为了安全行驶，需要安装适合冰雪路面的冬季轮胎。然而，冬季轮胎的种类繁多，放眼全球，在北美一年四季都可以使用，多少积雪也能跑的全天候轮胎在欧洲大陆的积雪道路上具有高的性能。擅长高速行驶的冬季轮胎在北欧和俄罗斯是主流，尤其是在结冰路面上具有优异性能的镶钉轮胎，在日本，未镶钉轮胎是冬季轮胎的代名词（图1）。全天候轮胎冬季轮胎镶钉轮胎未镶钉轮胎图1冬季轮胎花纹示例未镶钉轮胎是在结冰路面具有特殊性能的轮胎。在原则上禁止使用镶钉轮胎的日本，未镶钉轮胎是在结冰路面上性能最好的轮胎。未镶钉轮胎是一种使用即使在低温下也不会失去柔软性的特种胶料，而且精心设计花纹沟形状，以尽可能提高在冰冻路面上的行驶性能的轮2023年第49 卷现代橡胶技术胎。可以说，这款轮胎之所以适用结冰路面，是因为日本的特殊气候。尽管日本是世界上降雪面积最大的地区之一，但由于纬度低，其特点是气温比其他降雪地区高。因此，积在路面上的雪在白天由于气温升高而容易融化变成水，但当气温下降到冰点以下时，路面很容易产生冻结。日本的环境造就了世界上罕见的结冰路面。这是开发专门用于结冰路面的未镶钉轮胎的原因。2未镶钉轮胎在冰面行驶的机理为了让轮胎在结冰路面上产生摩擦力，需要使轮胎胎面牢固地附着于结冰路面，以增加轮胎与路面的实际接触面积。此外，去除水膜也很重要，因为冰融化产生的微水膜会阻碍轮胎与路面的接触（图2）。轮胎轮胎接地面结冰路面结冰路面微水膜结冰路面摩擦沥青路面沥青路面沥青路面图2冰面行驶的机理通常可以认为，在结冰路面上产生摩擦力的机理有三种：粘附摩擦效应、边缘效应和水膜去除效应。2.1粘附摩擦力的影响对于不适合在冰雪路面使用的夏季轮胎，其胎面胶在低温下会变硬，无法顺应冰面上的微凹凸路面，因此轮胎无法粘附在冰雪路面上，而未镶钉轮胎通过使用软质橡胶，即使在低温下也能填补冰面的凹凸不平，增加轮胎与冰的接触面积（图3）。结果是轮胎与冰面之间的粘附摩擦力会增加。夏季轮胎胶未镶钉轮胎胶（硬质胶）（软质胶）橡胶橡胶结冰表面结冰表面（影像图）（影像图）图3粘附摩擦力2.2边缘效应未镶钉轮胎的胎面花纹有许多称为刀槽花纹的细刻痕，依靠刀槽花纹和花纹沟的边缘去除冰面上产生的微水膜，增加轮胎胎面与冰面之间的唐柯.冬季轮胎的历史第2 期实际接触面积，从而可以产生摩擦力（图4）。行进方向刀槽花纹一微水膜结冰路面图4边缘效应2.3水膜去除效应如果轮胎与结冰路面之间会形成微水膜，则接触面积变小，无法发挥橡胶的摩擦力。因此，将未镶钉轮胎的胎面设计成凹凸不平的表面，当轮胎接触冰面时，胎面胶的凹凸表面通过吸入微水膜，使轮胎接地面与冰面附着，增加实际接触，可以产生高的摩擦力。以上是未镶钉轮胎在冰面行驶的机理，为了提高轮胎在冰面上的性能，重要的是通过去除微水膜来确保较大的实际接地面积（图5）。100um图5具有去除水膜效应的胎面胶示例至此，我们已经描述了未镶钉轮胎在结冰路面上行驶所必需的三种效应，未镶钉轮胎的历史就是在不使用防滑钉的情况下，提升轮胎在结冰路面行驶性能的过程。以下拟介绍乘用车未镶钉轮胎的历史。3未镶钉轮胎的历史3.1从镶钉轮胎到未镶钉轮胎在未镶钉轮胎出现之前，雪地轮胎或防滑轮胎是冬季轮胎的主流。随着19 6 0 年左右交通机械化的发展，汽车的增加，为了提高汽车在冰雪路面行驶的安全性，19 59 年，在日本推出了具有比花纹沟夏季轮胎更深和更宽的雪地轮胎，使轮胎在积雪路面行驶性能得到了改善。此外，19 6 3年，在日本上市的镶钉轮胎大大提高了雪地轮胎的冰雪路面性能。由于防滑钉的抓地力，镶钉轮胎即使在冰冻路面上也能稳定行驶，并且由于它们不需要像防滑链轮胎那样安装和拆卸防滑链，因此它们可用于代替雪地轮胎。在2 0 世纪7 0 年代后半期，在积雪寒冷地区行驶的汽车装配镶钉轮胎的百分率几乎达到100%。同时，在非积雪道路上，装配镶钉轮胎的汽车会损坏路面，造成扬尘污染，已成为社会问题。在这样的时代背景下，19 8 2 年，日本第一条未钉镶钉轮胎问世，逐步取代了镶钉轮胎。在8 0 年代后半期，停止生产和销售镶钉轮胎的呼声越来越大，轮胎制造商在19 9 0 年至19 9 1年间因申请防止污染而停止了生产和销售镶钉轮胎。同时通过了有关防止镶钉轮胎产生粉尘的法案，法案规定自19 9 1年4月1日以后（大型车辆为1993年4月1日以后）原则上禁止使用镶钉轮胎。未镶钉轮胎是镶钉轮胎的替代品，专注于提高结冰路面行驶性能，因此与雪地轮胎相比具有以下三个特点：2023年第49 卷现代橡胶技术第一，采用了即使在低温下也不会硬化的胎面胶；第二，采用了通过减小花纹沟面积比来提高接地面积的胎面花纹；第三，配置了许多刀槽花纹，以增加胎面边缘。这些特点都将上述在冰面行驶的机理整合到轮胎中。从19 9 0 年左右开始，镶钉轮胎被禁止后，各家公司开发未镶钉轮胎变得更加活跃。为了增加刀槽花纹的边缘量，采用了波浪形刀槽花纹替代此前的直线形刀槽花纹；降低了胎面胶的硬度，使胎面胶与结冰路面紧密接触；作为具有可去除轮胎与结冰路面之间产生的水膜的效果（除水效果）的橡胶，19 8 7年普利司通公司推出了“发泡橡胶”。3.2结冰道路增加，追求结冰路面行驶性能1991年禁止使用镶钉轮胎以后，市区的冻结路面发生了很大的变化。安装了未镶钉轮胎的车一边打滑一边起动和停止，由此冻结路面被磨光，成了非常容易打滑的路面，在札幌等积雪地区的城市发生了问题（图6）。压雪结冰路面镜面结冰路面暗结冰路面图6结冰路面1991年禁止使用镶钉轮胎时，日本各厂商发售了新的轮胎，其胎面胶中加入具有除水效果的气泡、结冰路面划痕效果的短纤维、核桃壳等，强化了冰面行驶能力。自19 9 1年禁止镶钉轮胎以来，市区结冰路面发生了重大变化，配备未镶钉轮胎的汽车边滑边启停，与传统的结冰路面相比，结冰的路面形成了“镜面结冰路面”。另外，在札幌等积雪地区，路面极滑的“暗冰路面”也成为问题（图6）。因此，各公司都决定专注于开发具有高冰面行驶性能的未镶钉轮胎。为了提高在结冰路面上的附着摩擦力，采用了具有特殊冰面行驶性能的更柔软的胎面胶，通过增加胎面宽度（接触宽度）以扩大接地面积。此外，还采用了具有更多刀槽花纹的胎面花纹。随着镜面结冰路面的问题在2 0 世纪9 0 年代中期受到关注，日本国内制造商加强了他们的技术，以去除导致轮胎在结冰路面上打滑的微水膜。通过改变此前使用的特殊材料的数量、尺寸和形状，使胎面表面形成的微凹凸最佳化，提高了除水效果。此外，一些轮胎使用了新的材料和方法来去除水分。以下是9 0 年代后期使用的橡胶示例：普利司通：带有气泡和排水槽的橡胶；唐柯冬季轮胎的历史第2 期住友橡胶：具有疏水性并配合有短纤维的橡胶；横滨橡胶：配合有空心件的橡胶；东洋轮胎：带有核桃壳和气泡的橡胶。虽然冰面行驶性能得到了很大改善，但降低胎面胶的硬度和增加刀槽花纹边缘量会降低轮胎胎面的刚度。为此，有用户指出，虽然在结冰路面上行驶比常规轮胎好，但在高速公路上行驶不稳定。3.3进一步追求在结冰路面上的行驶性能进入2 0 0 0 年代，除水效果和轮胎与路面的接地性能得到了加强，性能得到了显著的提高。为了改善在结冰路面的行驶性能，提高胎面胶的除水效果，优化了气泡、吸水球、短纤维等特殊复合材料的尺寸和用量，并采用了新材料。为了提高胎面胶与结冰路面的附着力，进一步降低了胎面胶的硬度。这是历史上橡胶硬度最低的时期。为了提高边缘效应，进一步增加了刀槽花纹边缘的总量。这里成问题的是，花纹块的刚性降低。虽然我已提到过有评论指出会产生胎面胶刚性不足，通过进一步降低橡胶的硬度和增加刀槽花纹的边缘量会大大降低花纹块的刚性。在这种情况下，在制动等对花纹块施加剪切力时，花纹块会塌陷，导致胎面与结冰路面的实际接触面积变小，无法发挥足够的摩擦力。因此，为保证花纹块的刚性，采用了将刀槽花纹设计成三维形状的刀槽花纹（以下简称3D刀槽花纹）（图7）。此前采用的刀槽花纹是二维形状刀槽花纹（以下简称2 D刀槽花纹），其胎面表面的形状沿刀槽花纹深度方向以相同的形状延伸。另外，3D刀槽花纹从胎面表面向刀槽花纹深度方向沿轮胎周向和宽度方向弯曲延伸。接地面侧部5mm图73D形状刀槽花纹示例通过在花纹块内部使刀槽花纹弯曲，当对花纹块施加制动等产生力时，可使刀槽花纹之间的小花纹块相互支撑，使整个花纹块的塌陷最小化。这样一来，可通过抑制接触面积的减少而达到所需的冰面行驶性能。此外，从结构方面提高花纹块刚性的轮胎也出现了。这是通过在低硬度胎面胶的下方配置厚的高硬度基部胶来兼顾与结冰路面的附着力和确保花纹块刚性的。3.4可兼顾结冰路行驶性能和其他性能的花纹的变化从2 0 10 年左右开始，全球变暖的影响变得更大，札幌和旭川在12 月期间也因融雪而出现干湿路面。为了应对这种道路环境，提高了抗湿滑性能和燃油效率的轮胎已经面市。冰雪路面行驶性能、抗湿滑性能和燃油效率（滚动阻力）是相互矛盾的性能，要同时提高这三种性能在技术上是非常困难的。作为相应技术的胎面花纹结构，发生了很大的变化，采用了当将轮胎安装在汽车上时，胎面花纹结构在轮胎内侧和外侧为非对称的胎面花纹（图8）。如上所述，未镶钉轮胎通过提高橡胶的粘附摩擦力、刀槽花纹的除水效果和边缘效果可确保冰面行驶性能，并通过优化构成花纹的花纹沟确62023年第49 卷现代橡胶技术【内侧】【外侧】图：非对称花纹示例保了雪上行驶性能。但是，为了兼顾进一步提高结冰路面行驶性能和其他性能，把重点放在了胎面花纹结构上。作为其中一个例子，有一种未镶钉轮胎其胎面花纹内侧可提高结冰路面行驶性能，外侧可提高雪地行驶性能。这种轮胎通过减小内侧的花纹沟面积比来增加接触面积，以提高附着摩擦力，并且通过配置大量的刀槽花纹来提高边缘效应，通过增加外侧花纹沟面积比来提高雪地行驶性能。从那时起，通过赋予胎面花纹每个部位的功能来提高各种性能将成为主流。通过由胎面花纹承担以前主要由胎面胶发挥的结冰路面性行驶性能，可以提高胎面胶的湿路面抓着力。关于作为另一个相互矛盾性能的燃油效率，有必要降低滚动阻力。作为对策，可降低配置在胎面胶下方的基部胶的生热。3.5最新的无钉防滑轮胎我们已经描述了到目前为止作为镶钉轮胎替代品的未镶钉轮胎是如何改善干湿路面和结冰路面行驶性能的。以下整理了日本国内厂商最新款未镶钉轮胎在结冰路面的行驶特性。改善接地性能由不同部位的花纹分担不同的功能（非对称花纹）；用3D形状刀槽花纹提高花纹块的刚性；用高硬度基部胶提高胎面的刚性；通过配合白炭黑来提高柔韧性；通过使用新的聚合物来改善柔韧性；提高边缘效果改善花纹块形状；改进3D形状刀槽花纹；配合微粒子填料、短纤维和改进胶料配方。除水效果改进气泡大小、形状和发泡率；配合吸水材料和改进配方；确保装胎初期的结冰路面行驶性能在胎面表面设有细花纹沟；胎面表面有微小的凹凸。各厂商之间的提高结冰路面行驶性能的基础技术是相同的，但用于轮胎的项目却是各不相同，可以说是多年研发的成果。4结束语与30 年前禁止使用的镶钉轮胎相比，未镶钉轮胎的结冰路面行驶性能有了显著提高。然而，当询问用户“对未来未镶钉轮胎有什么要求”时，最常见的回答是“提高结冰路面的行驶性能”。结冰路面上的制动距离本来就比积雪路面上的制动距离更长，驾驶者对目前的轮胎性能表示不满意，而且认为气候进一步变暖是否是其原因之一。近年来，积雪地区气温明显升高，在抓着力相对较高的积雪路面因积雪融化而变成湿滑路面，夜间变成结冰路面的频率越来越高。因此，可以认为驾驶员经常处于紧张的状态。唐柯冬季轮胎的历史第2 期相反，随着气候进一步变暖，降雪区域的数量会减少，人们认为不再需要未镶钉轮胎，但是，根据北海道和东北地区50 年后的降雪和气温的预测，24小时的降雪量并没有明显的增减趋势。综上所述，降雪地区的冰雪路暂时不太可能消失。另一方面，可以预想，由于气温上升，冬季出现湿路和干路的时间会更长。资讯速递考虑到冬季的交通安全，可以认为，开发能够解决诸如进一步提高未镶钉轮胎在结冰路面的行驶性能和湿路面行驶性能等相互矛盾问题的技术是轮胎制造商的必要使命。编译自桥本佳昌.冬季夕十历史 J.日本么协会志，2 0 2 1，9 4（8）：2 6 0-2 6 4.横滨橡胶公司开设了日本最大的室内冰圈测试设施日本横滨橡胶有限公司宣布，1月5日开始在其北海道轮胎测试中心(TTCH)运行一个新的室内冰圈测试设施。新设施专门用于测试冬季轮胎在冰面上的转向性能，是日本最大的测试轮胎在冰上转向性能的室内设施。新设施的建立是为了进一步提高横滨轮胎在冰上的转向性能，这是继制动性能之后在冰上道路上的第二大轮胎性能。与室外测试场地相比，新的室内设施不受室外天气条件和温度变化的影响，并且可以稳定地保持冰面的状态。因此，可以提高测试数据的准确性，促进更先进技术的高效开发。新设施位于56 m56m建筑内，天花板高度为12.3米（最高点），其19 6 0 平方米的冰面可以在10 米2 2 米的转弯半径内进行测试。自2 0 15年12 月成立TTCH以来，横滨橡胶引进了更先进和复杂的测试和评估方法，以支持其轮胎业务的全球扩张。2018年1月，TTCH开设了第一个室内设施，设有冰跑道，用于测试冬季轮胎。2020年11月，该设施进行了升级，安装了日本最大的室内冷却装置，可以将冰面温度设置在-100 14F 至32 F)之间。新建成的室内冰圈测试设施与之前建立的室内冰面测试设施相邻，这将促进使用这两个设施进行高效的组合测试，并加速冬季轮胎的开发，从而在结冰道路上行驶时提供最高水平的安全性。在标准室温5（41F）下除了TTCH的冬季轮胎测试设施外，横滨橡胶公司还在瑞典横滨测试中心(YTCS)进行冬季轮胎测试。TTCH负责在世界各地市场销售的横滨轮胎的测试，YTCS则进行额外的测试，以确认将在欧洲销售的轮胎的适用性和性能。这两个测试设施有助于横滨橡胶开发最适合冬季路况使用的轮胎。根据横滨橡胶三年(2 0 2 12 0 2 3年)中期经营计划“横滨转型2 0 2 3”（YX2023），消费轮胎业务的目标是最大限度地提高高附加值横滨轮胎的销售比例，即全球旗舰品牌ADVAN、G E O L A ND A R 品牌以及包括全季节轮胎在内的各种冬季轮胎。（钱伯章供稿）