深
度DEPTH REPORTS 一、百年轮胎历久弥新
在问世100多年的时光里，轮胎成就了
近代车辆，曾经为人类可移动性、扩展人类
自由度，推动社会文明作出了巨大贡献。
现如今，轮胎的使用价值仍然无可替
代，继续伴随车辆的进步，为社会的可持续
发展作着应有的贡献。
许多近代工业产品，是由科学促进和
催生的。基本发展道路是：由基础研究获
得的科学机理（数学公式），演变为应用科
学，进而研发出造福人类社会文明的工业产
品。如光学成像的科学原理成就了蔡氏照相
机和柯达胶卷；电磁学中的麦克斯韦方程及
库伦、安培和法拉第等科学定律，催生了近
代电机及大量与电子技术相关的工业产品；
计算机、手机等也是遵循“科学催生工业产
品”的路径。
轮胎的百年发展，与许多其他工业产品
有着完全不同的轨迹和特点：
在轮胎发展的早期，遵循先开发产品雏
形，以实现所需的基本功能、满足车辆发展
的需求、追求较强的实用技术性能和价值为
特点。而后，随着科学的融入，轮胎设计更
加合理，性能随之扩展，达到更耐久、更高
效。车辆性能的需求，是轮胎发展的不竭源
动力。
1.轮胎的科学和技术的区别
轮胎技术的发展，靠直观、直觉，凭
着性能需要，设计出雏形，历经实验—失败—再实验，逐步制定、完善产品性能设计规范，确定生产工艺，最终实现批量工业化 生产。轮胎科学，是以数学模型和数学公式为基础，研究轮胎产品设计和制造中的现象与相关问题，起到了赋能的作用。在科学融入轮胎技术之前，轮胎技术的发展，主要靠直观、直觉来开发产品雏形。通过各种实验、失败、再实验，生产出适用产品。米其林法国总部研发
中心的墙上曾有一段醒目的话：Your tire performance ，can only be as good as your test capability 。翻译过来就是，轮胎所能获得的性能，取决于测试能力。一线品牌轮胎商在其成长过程中，都曾
轮胎发展中的科学与技术
作者  中国橡胶工业协会资深轮胎专家 许叔亮
深
度DEPTH REPORTS开发并积累了大量的、大小不
同、简繁各异、形形、专
门的轮胎性能测试方法和测试
设备。一般都具有很强的实用
价值，其中大多属于它们不愿
披露的宝贵财富。
迄今为止，一线品牌轮胎
设计师不仅需要掌握与轮胎相
关的科学机理，正确使用近代
诸如有限元计算、智能设计等
先进方法，更为重要的是，需要熟练使用这些经过历史沉淀的测试手段。
2. 轮胎发展早期的偶然性事件
值得注意的是，在轮胎发展早期，除了先有雏形、先有技术，起于直观、直觉性（intuitive）的发展轨迹及特点之外，甚至还涵盖了偶然性。其中有一些直观直觉和偶然之间的趣事。
“被逼无奈”应对汽车的发展（主要是发动机的发明），充气轮胎应运而生。世界上第一条充气轮胎，不过是英国的邓禄普先生用一段花园中用来浇水的胶管沿圆周粘贴在刚性轮缘上。
“事出偶然”轮胎性能产生重大影响的轮胎填料——炭黑的应用，来自一位美国橡胶公司实验员的粗心失误。
“突发奇想”被称作20世纪最伟大的车辆相关的发明之一——子午线轮胎，则萌发自米其林一位非技术职员午饭后的涂鸦。
科学，并不是专门用来说明未知的事物，也不是用来解释已知事物的不同。科学的主要任务是构造模型，即用数学的方法构造和描述（在技术实践中）观察到的现象，而期望这一数学构造出的模型能够精确和唯一地描述所关注的（技术）现象。
以物理、化学为主干之一的近代科学，几乎都以数学为基础。数学支撑多学科的基础研究，逐步渗透至轮胎技术。甚至以实验为主要研究方法的化学类，许多机理也基本要靠数学的形式来表达。
对轮胎产品而言，无论是技术还是科学，主要关注两个要点：产品的性能和产品的失效。对轮胎性能和失效的科学研究，离不开数学模型（其中有简单和复杂之分），离不开数据（无论是具体数据或是大数据）。数学则是研究数据的科学，“数学是科学的灵魂”这句话，很好地说明了数学是学习和研究现代科学技术必不可少的基本工具。
本报告从几个方面，谈一下科学在轮胎技术（性能设计）中的应用，包括科学如何走进轮胎技术、科学对轮胎技术贡献的典型案例、科学理论与技术实践的互动。
二、科学如何走进轮胎技术
轮胎看起来黑黑的、圆圆的，很不起眼，甚或被认为是“低技术”领域。
轮胎是如何融入科学，并吸引多众多科学家及科学工作者的青睐，前来“淘金”的呢？
一方面，轮胎成就了近代车辆对社会文明的贡献，使其得以迅速发展，成为价值巨大、世界市场规模的重要商品，可为科学的融入提供强大的资金支持。另一方面，轮胎技术中仅凭直观、直觉，无法提升和突破，留下了吸引许多不同门类科学工作者值得探索的、有意思的科学研究课题。
在轮胎发展阶段中，科学与技术之间的先后顺序不是一成不变的，大约可分为两个阶段：在发展早期，先有产品技术，而后科学融入进来；到发展中后期，在科学机理引导下，产生技术性能突破。
1. 轮胎发展里程碑意义的4项发明
对轮胎发展有里程碑意义的重要发明可概括为四项：第一个里程碑是1888年邓禄普发明充气斜交轮胎，第二个里程碑是
1946
深度DEPTH REPORTS 年米其林公司发明子午线轮胎，第三个里程碑是1992年米其林“绿轮胎”成功问世，第四个里程碑是2015年怡维怡橡胶研究院发明“液体黄金”轮胎。4个里程碑，在发展的不同阶段，对车辆技术的贡献不同。充气斜交胎，使车辆速度从10km/h 提高到50km/h 以上，乘坐舒适性大大改善；子午线轮胎，使车辆速度从50km/h 提高到100km/h 以上，安全性、耐久磨耗大大提升；绿轮胎，使车辆节油性能得到长足改善，更加绿环保，湿抓地性能提升，车辆安全性提高，但磨耗性能下降15%～20%，不能用于卡车胎；怡维怡橡胶
研究院发明了液体黄金轮胎，是轮胎发展四大里程碑中唯一在中国完成基础科研并实现工业化的技术创新，与绿轮胎一起为推动
车辆技术的可持续发展作出贡献。科学推动下，液体黄金轮胎成为轮胎工业现今最先进的技术之一。以轿车轮胎平均滚阻系数值和磨耗≥10万千米为等效参照，显示轮胎发展4个里程碑对轮胎技术性能进步的历史轨迹和贡献：斜交轮胎，滚阻系数为20 N/kN ；子午线轮胎，滚阻系数为 16N/kN ～14N/kN ；绿轮胎，滚阻系数为12 N/kN ～9N/kN ；液体黄金轮胎，滚阻系数为6.5 N/kN 。2. 4项里程碑发明内含的科学与技术如前所述，轮胎发展的4项里程碑意义的发明，就轮胎科学与技术而言，大体可以归纳为： 前两个（斜交轮胎和子午线轮胎）技术发明，出自直观直觉。产品和技术在先，而后科学融入，促进产品的快速发展；后两个（绿轮胎和液体黄金轮胎）技术发明，基本是科学机理在先，起引导作用，而后实现轮胎产品技术性能的重大突破。轮胎产品的发展，遵循了创新技术发展的4个重要
环节：想出来（产品雏形）→做出来（生产工艺/设备）→工业化（批量产品）→商业化（市场）。任何轮胎相关的技术创新（科学），如不能走到大批量生产和商业化的环节（技术），就不能算作结束，也就没有实现其应有的社会价值。
3. 科学对轮胎技术发展的贡献
科学融入轮胎技术发展的所有4个环节，但科学对轮胎技术发展的贡献，主要体
现在3个方面：一是轮胎性能设计，提升性能及降低失效；二是轮胎生产，产品性能稳定性和产品均匀性；三是轮胎产品的测试，上升到科学机理层面。
如前所述，轮胎技术所追求的无非是两项——提升产品性能、减少和规避产品失效，而这些正是科学融入轮胎技术的价值和要点。
三、科学对轮胎技术贡献的典型案例
1.平衡轮廓科学理论及实践
影响轮胎技术发展最重要、最深入、最广泛的科学融入，当属充气平衡轮廓科学理论及应用。平衡轮廓科学理论奠定了充气轮胎设计技术的基础，使充气胶管为雏形的轮胎产品逐步演变成高科技产品。
充气平衡轮廓科学理论对近代子午线轮胎各个方面有着重要的界定和指导意义。 ①规范和指导了轮胎的充气外直径和断面宽；②规范了轮胎的承载能力；③规范了轮
胎的纵向、侧向、转向刚度；④全面揭示了车辆赖以生存的轮胎力学特性，可以说充气轮胎80%的力学性能由平衡轮廓决定。平衡轮廓理论诠释了轮胎材料的优化使
用，帘线等骨架材料善于并只承受拉张力，而橡胶却承受轮胎绝大部分压缩力。使轮胎材料各尽其能、趋利避害。轮胎设计程序中
牢牢遵循此原理则可达到高效。
轮胎是如何承载的，这是一个看着简单而又令人迷惑的命题。平衡轮廓理论很简
约地诠释了这个机理。帘线张力其实仅依赖于轮胎几何，与帘线结构并无关系，只是帘线骨架材料必须能承受帘线张力。进一步延伸，以判定区分轮胎的设计和应用，可用来
界定轮胎，特别是电动轿车以及卡客车轮胎在技术层面是否超载（类似于小牛拉大车）。中国轮胎标准行业正在制定的全新轮胎负荷
深
度DEPTH REPORTS公式，就是以此机理为基础。
充气平衡轮廓科学机理最基本核心的数
学公式，被称为拉普拉斯公式，见式（1）：
Nφ/r1+Nθ/r2=P（1）
式（1）中，N表示帘线张力，r表示对
应轮廓具体位置的半径。
拉普拉斯公式揭示了充气轮胎轮廓设计
与所处位置帘线张力的关系，把轮胎的几何
形状与物理关系通过科学定理联系起来。轮
胎设计师可以根据该原理，科学地确定轮胎
所需的力学性能、轮胎材料的合理选用、最
佳生产工艺及产品生产质量的保证。
轮胎的平衡轮廓在实际应用中可分为充
气状态、硫化状态、负荷状态等3种状态。
轮胎性能设计优化可对3种状态有所侧
重，也可综合考虑。一线轮胎品牌对此都有
较深入的研究，并付诸实践应用。其要点
是科学地确定轮胎设计参数，并与生产工艺
及质量保证参数匹配。保证轮胎充气几何形
状、模具设计、负荷下应力集中最小，确保
产品耐久性和性能稳定性。
以平衡轮廓理论作为基础，多学科科学
融入近代轮胎设计过程，使得近代轮胎在性
能提升和减少失效方面获得了飞速的发展。
一线品牌在长期的轮胎设计/制造中，
已以平衡轮廓机理指导各个过程，建立了科
学的设计准则，形成完整的目标设计体系。
许多应用于轮胎技术中的其他科学机理都可
以平衡轮廓理论为基础框架，并在此基础之
上完善设计准则，使之与生产工艺、质量保
证体系紧密相联。如果说平衡轮廓是科学融
入轮胎技术的一棵大树，多学科科学的融入
就像是挂在树上的累累果实。
平衡轮廓理论并不是“死”的公式，它
对于轮胎就像绘画中的素描基本功，不管多
出名的画家，都还在对素描进行不间断地理
邓禄普轮胎特点解和提升，历久弥新、获益匪浅。
从轮胎结构力学观点来看，平衡轮廓
理论与斜交轮胎设计是最为完美的匹配。20
世纪50年代，中国轮胎工业在前苏联中央
轮胎研究院的帮助下，全面掌握平衡轮廓理
论在斜交轮胎的设计机理及轮胎产品生产的
应用，培养了一大批优秀的斜交轮胎设计人员。当时中国斜交轮胎的设计及产品性能水平在世界轮胎界属于前列。
自子午线轮胎问世以来，中国轮胎界逐步落后。其主要原因就是子午线轮胎设计机理和应用技术的断层。为了迎合市场的快速增长，采用了仿制竞品的模拟设计。而对世界轮胎界先进的平衡轮廓科学理论在子午线轮胎的融入及技术发展，以及由平衡轮廓科学为基础的目标设计，无暇顾及、知之甚少、渐行渐远。
模拟设计的仿制，以竞品为模板，大量重复，精益比对竞品轮胎的几何与物理参量细节。多年的重复，提升了轮胎性能设计技术，出现了不少能工巧匠。用现在时髦的术语来说，就是依靠“逆向工程”（Reverse – Engineering）也能模拟出性能还算可以的轮胎。
但充气轮胎性能设计如不以平衡轮廓科学为基础，仅凭高仿，很难走得更远。特别是无法掌控OEM中轮胎性能的微调，也无法有效掌控生产端的产品性能一致性和均匀性。轮胎性能设计不以平衡轮廓科学做基础，只能是事倍功半。
2.轮胎均匀性控制机理——矢量和归零法
轮胎生产中，轮胎成型类似于“千层底鞋的粘贴”，气密层、胎体、胎侧、缓冲层、胎面，搭接、对接、层层叠叠。每一个接头都产生一个矢量力，极大地影响轮胎产品生产的均匀性控制。
矢量和归零数学模型的理论是：优化产品中的诸矢量力的大小和相位，使之有机组合、相互抵消，以实现轮胎均匀性最优化。
轮胎均匀性是轮胎重要的性能质量指标，也是一线品牌与其他轮胎品牌明显的分水岭之一。
3.疲劳耐久机理
通常是指工作负荷下，如果轮胎设计不恰当，或应用场景苛刻，会出现各种形式的破坏甚至早期破坏，如肩空、肩裂、子口空、子口裂、崩花掉块等。如果没有明显的机械损伤和生产质量瑕疵，大多可归类为疲
劳破坏。
深度DEPTH REPORTS 根据疲劳耐久机理，疲劳破坏是应力应变引入的温升，使材料物理性能降解。用科学的方法确定应力平衡点的大小，用以指导轮胎设计，可提升轮胎的疲劳耐久性。4.轮胎高速性能设计（驻波理论）高速行驶过程中，轮胎每次由印痕区到顶端，内部会产生应力和应变。由于高分子材料的特性，轮胎的应力和应变产生相位差，从而形成应力波和应变波。当轮胎行驶速度到达一定临界值时，应变急剧攀升，驻波出现，轮胎迅速破坏。掌握驻波机理，可更好地理解和设计出优化的高速轮胎。驻波理论为近代子午线轮胎的高速性能提升作出了贡献。5.轮胎噪音机理
轮胎噪音性能设计中的科学融入，包括胎面节距优化机理、声压频谱分析机理、腔
体噪音机理、道路噪音机理、空气衍生噪音机理、结构衍生噪音机理、声源噪音模型等。因为噪音与振动机理相通，许多轮胎噪音要与车辆一起研究。唯有轮胎节距噪音，可单独进行。轮胎胎面花纹节距优化机理成功地运用在轮胎花纹设计中，对轮胎噪音的降低有重要贡献。6.减少轮胎振动，提高舒适性轮胎振动性能设计中的科学融入，包括模态分析及机理、共振理论（轮胎与车辆）、激振理论（轮胎与路面）、振动阻尼理论、振动传递机理—傅里叶函数传递数学模型。这些振动相关的科学机理与轮胎平衡轮廓理论，与基础的轮胎力学特性矢量相匹配，可为车辆提供舒适性极佳的轮胎。7.轮胎数学模型用于车辆技术轮胎性能设计从简单的“经验设计+测试”为主，逐步融入设计理论，进一步演化到先进的、理论指导的轮胎性能的“目标设计法”。在不断丰富、成熟的轮胎力学基础之上，又衍生了轮胎动力学。用于轮胎的多种学科数学模型相互渗透，在车辆和轮胎之间搭起桥梁。轮胎性能设计直
接影响甚至决定了车辆操控性，包括稳定性、舒适性、低噪音等。而科学机理则指导如何设计轮胎，以匹配车辆操控性。通过科学机理，能够获悉目标车辆的操控性能要求，获悉车辆运动学及动 力学性能要求及几何性能参数，采用轮胎性
能的目标设计（而绝不是模仿设计）精准 设计充气平衡轮廓，微调相关设计参数。选择适合的生产工艺，确保产品性能一致性等，从而为车辆提供稳定的、匹配的轮胎力学性能。
现今流行的轮胎动力学模型—虚拟送样，通过轮胎力学模型与车辆动力学相融
合，协同作战，将虚拟轮胎甚至游戏机技术也加入其中，展现出颇为逼真的车辆驾驶画面，助力车辆技术升级。
四、轮胎发展中科学与技术的互动轮胎发展过程中，科学和技术相辅相成，密切互动。有几个方面需要重点提及，
一是科学先于技术的创新，引导轮胎性能突破的案例；二是轮胎技术实践仍然是检验科学理论的唯一标准；三是轮胎技术为上下游
相关产业的科学融入提供了平台。
1.科学引导轮胎技术突破的案例
前文提到，轮胎发展中后两个技术发明
（绿轮胎和液体黄金轮胎）是科学机理在先，然后实现轮胎产品技术性能重大突破。（1）绿轮胎科学机理
科学家发现，轮胎的抓地力与滚阻虽然都用到轮胎胎面材料的滞后损失，但所处的频率段完全不同，抓地力对应频率为106～8，而滚阻对应的频率只有102。此科学机理的发现，使轮胎滚阻与抓地力原本线性相关的
变量，变为两个独立的变量，促成了绿轮胎技术的发明和应用。
绿轮胎科技创新使轮胎其他性能不变，而滚阻显著下降，湿抓性能大幅度提升，成为轮胎发展的第三个里程碑。（2）液体黄金轮胎科学机理
成功利用多学科机理（聚合物/填料补强、初粒子表面能、流体力学等）解决了纳
米级白炭黑的均匀分散问题。从科学理论上提出：填料—聚合物强联合、填料—填料弱