載重輪胎設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)大觀（七）

于清溪

載重輪胎設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)大觀（七）

于清溪

隨著載重輪胎子午化、扁平化、無(wú)內(nèi)胎化進(jìn)程的不斷深入，對(duì)載重輪胎的設(shè)計(jì)開發(fā)也逐漸趨于成熟。系統(tǒng)介紹了載重輪胎的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并就其某些代表性性能的設(shè)計(jì)進(jìn)行了思考。

橡膠；老化；防老劑；配合

5 對(duì)輪胎代表性能與特性的思考

5.1 載重輪胎耐久性

載重輪胎，尤其是子午胎，應(yīng)力主要集中在帶束層和胎圈區(qū)域，也是輪胎最易損壞的地方。為此，帶束層和胎圈在使用中的牢固性成為提高載重輪胎耐久性的關(guān)鍵。

5.1.1 帶束層耐久性

改善帶束層的耐久力，一言以蔽之，就是要抑制帶束層內(nèi)相互交錯(cuò)的層間的應(yīng)力變形。載重輪胎在較高的充氣壓力下使用，一般為700～930 kPa，輪胎的徑增大可達(dá)1.5～3.0 mm。它常隨胎體部和帶束層所承受的負(fù)擔(dān)而變化，亦即其增量是隨形狀輪廓和帶束層的結(jié)構(gòu)而變的。如輪胎為高扁平狀，則帶束層的張力負(fù)擔(dān)還要更加增大。同時(shí)，不但要抑制輪胎充氣時(shí)的應(yīng)力，還要充分考慮輪胎在負(fù)荷條件下行駛（旋轉(zhuǎn)）時(shí)帶束層發(fā)生的應(yīng)力變形量。

輪胎在充氣時(shí)周方向要伸張施以張力，負(fù)荷時(shí)壓附在地平面上的輪胎更要對(duì)帶束層端部施加張力。受使用條件的影響，當(dāng)施加側(cè)向力時(shí)，在側(cè)向力的反向力一側(cè)的帶束層端部，由于周向的伸張張力增大，又使帶束層的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)一步增加?，F(xiàn)今，如何將這個(gè)帶束層上發(fā)生的應(yīng)力應(yīng)變控制在最小的范圍內(nèi)，已成為輪胎設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

5.1.2 胎圈部耐久性

提高輪胎胎圈部的耐久性，最為重要的應(yīng)是提高胎體簾線反包上部端點(diǎn)的耐久力。而提高其強(qiáng)力，又會(huì)出現(xiàn)生熱大和引起應(yīng)力變形的情況。它們會(huì)使簾線端頭處的線層橡膠內(nèi)產(chǎn)生龜裂，然后從剛性側(cè)和背面?zhèn)仁过斄堰M(jìn)一步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致橡膠破壞。探其基本機(jī)理，是因?yàn)樵诔溥M(jìn)內(nèi)壓時(shí)首先是線層簾線被施加了很大張力，線層簾線發(fā)生了拉伸性的拔出力所致。

當(dāng)輪胎在上述狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，在垂直負(fù)荷下要施加壓縮方向的力。經(jīng)過(guò)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，生熱的橡膠逐漸裂化，而使內(nèi)壓變形增大，線層端點(diǎn)地區(qū)發(fā)生龜裂。正因如此，胎圈故障出現(xiàn)的原因，不管是裂口還是脫層、折斷，可以概括歸納為來(lái)自“內(nèi)壓變形”、“負(fù)荷變形”和“熱老化”三個(gè)方面。因此，為提高胎圈耐久性，必須要設(shè)法降低線層端點(diǎn)處變形的絕對(duì)值和旋轉(zhuǎn)時(shí)變形的振幅。TcOT設(shè)計(jì)是有效提高載重輪胎耐久性的一個(gè)典型實(shí)例。

5.2 載重輪胎磨耗壽命

5.2.1 耐整體磨耗性

對(duì)載重輪胎來(lái)說(shuō)，整體磨耗壽命是經(jīng)濟(jì)性，也是關(guān)系到環(huán)保性的最重要體現(xiàn)。決定磨耗量大小和磨下胎粉多少的要素，可以說(shuō)是來(lái)自胎面所用的橡膠，其特性主導(dǎo)了耐磨損橡膠含量和補(bǔ)強(qiáng)填料的級(jí)別，胎面接地的花紋類型種類，以及帶束層、胎體的剛性等諸多方面。然而，不可忽視的是，輪胎磨耗也因在輪胎給力時(shí)受設(shè)計(jì)的定應(yīng)力和定變形的影響而發(fā)生改變。例如，從胎體的剛性上觀察，如為定應(yīng)力給力時(shí)，則胎體的剛性大，可抑制變形，使磨耗量減少。由于目前輪胎使用時(shí)定應(yīng)力給力的場(chǎng)合尤多，因此胎體剛性大的磨耗壽命也相對(duì)較高。

圖15 充入內(nèi)壓時(shí)線層端部的應(yīng)力變形

5.2.2 耐偏磨耗性

偏磨耗是載重輪胎最常見的問(wèn)題，并在很大程度上決定著輪胎的商品價(jià)值，因而倍受生產(chǎn)和使用雙方的關(guān)注。耐偏磨耗性能好的輪胎，不僅可以提高輪胎的整體壽命，還可以削減輪胎的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，由此能減少輪胎的購(gòu)置費(fèi)用和減輕勞動(dòng)的支出，偏磨耗發(fā)生的原因甚多，出現(xiàn)的形態(tài)也多種多樣。從外形上觀察，大體上約有10余種之多，主要原因有：

一是車輛的完好狀況，輪胎內(nèi)壓和載荷條件，行駛狀態(tài)以及路面好壞；

二是輪胎設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形狀（含胎面花紋），胎面橡膠及配方的適應(yīng)程度；

三是輪胎在接地面上驅(qū)動(dòng)行駛時(shí)發(fā)生的種種力能，如該種力能出現(xiàn)不均一性的擴(kuò)大，即有可能發(fā)生偏磨耗現(xiàn)象。

如何正確調(diào)節(jié)施加于輪胎偏磨耗上的力（剪切力）是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。目前已經(jīng)開發(fā)的調(diào)節(jié)剪切力分布的技術(shù)，大致有以下四種方法：

（1）在胎面上設(shè)計(jì)偏磨耗吸收槽，使磨耗力向最易磨耗處集中，從而抑制其他部位偏磨耗的發(fā)生。

（2）在胎面靠近胎肩處設(shè)計(jì)橫力防御槽，防止胎肩處產(chǎn)生局部磨耗。

（3）對(duì)胎面花紋的斷面設(shè)計(jì)成帽狀，分散花紋塊角邊的力，以抑制花紋塊的偏磨（鋸齒狀磨損）。

（4）胎面順向花紋設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法達(dá)到合理分配，即通過(guò)對(duì)肩側(cè)部與中心部順向幾個(gè)溝槽的分布排列（大小、距離、角度、濕度、形狀和加強(qiáng)筋），使之抑制邊緣地帶的偏磨耗。

另外，輪胎胎面接地部的設(shè)計(jì)弧度、寬度，選定和保持氣壓更是基本的條件。

5.3 載重輪胎燃油效率性

從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的觀點(diǎn)出發(fā)，輪胎燃油效率的重要性已呈飛躍上升的趨勢(shì)。對(duì)燃油效率性的好壞，目前主要是從輪胎滾動(dòng)阻力的大小來(lái)評(píng)價(jià)的。不過(guò)，滾動(dòng)阻力對(duì)燃油效率的影響，常隨使用條件而發(fā)生很大變化，有時(shí)很難測(cè)出效果。只有當(dāng)以高速為主的時(shí)候，由于行駛中“剎車—驅(qū)動(dòng)—?jiǎng)x車”的次數(shù)相對(duì)較少，才明顯顯出滾動(dòng)阻力對(duì)于節(jié)油的效果。通常，在一般行駛（50 km/h）和高速行駛（80 km/h）中，汽車能量損失的構(gòu)成比較詳見表14。

表14 載重汽車不同行駛速度的能量損失變化

輪胎滾動(dòng)阻力實(shí)際上是輪胎各部件能量損失的總結(jié)果。其中能量損失最大的部件為胎面，占到43%；其次為帶束，占了42%；胎體和胎圈合計(jì)占15%。詳見表15。

表15 載重輪胎能量損失分布

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，如對(duì)上述橡膠部件進(jìn)行新的開發(fā)，以自動(dòng)進(jìn)化設(shè)計(jì)法（GUTT）設(shè)計(jì)新的輪胎形狀輪廓和骨架材料的合理配置，以控制輪胎各部件尤其是胎冠區(qū)的能量損失，可使?jié)L動(dòng)阻力下降20%，獲得節(jié)省燃油的輪胎。再加上配方設(shè)計(jì)方面，選用S-SbR橡膠做輪胎胎面膠和帶束膠又可使?jié)L動(dòng)阻力降低20%～30%，如為PUR（聚氨酯橡膠）則可達(dá)45%以上。同時(shí)，還可設(shè)計(jì)出滾動(dòng)阻力低，又能提高關(guān)系到安全性的抗?jié)窕院筒挥绊懡?jīng)濟(jì)性的耐磨耗性，使三者得到兼顧、協(xié)調(diào)、平衡的綜合性燃油效率輪胎——綠色輪胎。

5.4 載重輪胎抗?jié)瘢ㄋ┗?/p>

5.4.1 抗?jié)窕?/p>

作為安全性的重要特性之一的抗?jié)窕?，是載重輪胎必須具備的條件。

（1）濕滑剎車性，即在低μ（摩擦）路面的剎車性能，如柏油路、石板路等的制動(dòng)能力。另外，還有載荷狀態(tài)下的在常規(guī)路面上的剎車性，如瀝青路、混凝土路，尤其是在高速行駛時(shí)的剎車能力。

（2）濕滑低μ路面的停開車性（空車狀態(tài)下）。

（3）濕滑狀態(tài)下的汽車輪胎旋轉(zhuǎn)性（轉(zhuǎn)向性和直行性）。

（4）水浮狀態(tài)下輪胎的通過(guò)能力，即不打滑。

對(duì)于要求特別重視低μ路面的載重輪胎來(lái)說(shuō)，塊狀花紋的抗?jié)窕Ч软樝蚧y要好，因此改善抗?jié)窕?，?yīng)該選實(shí)際接地面積大、邊緣花紋塊多的輪胎。對(duì)于高速下行駛的輪胎抗?jié)窕?，?yīng)特別注意提高花紋的排水性，即花紋溝容積大的才更為有效。當(dāng)然，從胎面橡膠的配方設(shè)計(jì)上增大μ對(duì)整個(gè)抗?jié)窕?，?yīng)是更為有效的舉措。

改善濕滑低μ路面上停開車的剎車性的措施，基本上就是上面這些方法，但要注意提高花紋的剛性和牽引性，設(shè)計(jì)能有效提高邊緣壓力的剛性花紋。尤其對(duì)可扁平輪胎，更需在花紋的剛性上狠下功夫。

5.4.2 冰雪路面通過(guò)性

適于冰雪地上行駛的載重輪胎亦稱冬用或冬季輪胎，分為雪地目的雪地輪胎和冰上行駛的鑲釘和非鑲釘輪胎兩種類型。鑲釘輪胎因?yàn)樾旭傊挟a(chǎn)生粉塵公害污染環(huán)境，近年幾乎已全部改為非鑲釘輪胎。

提高非鑲釘輪胎的冰上通過(guò)性能，主要對(duì)策是解決摩擦系數(shù)的問(wèn)題，即必須提高輪胎橡膠與冰雪的摩擦力。另外，還有像盡量增大接觸面積、盡快除去水、保持在冰面上的抓著效果等等，也都是必不可少的條件。特別值得一提的是，近年更為此專門開發(fā)了可有效提高冰上性能的用于胎面的發(fā)泡橡膠。這種均勻分散在橡膠之中的氣泡，連續(xù)呈現(xiàn)于胎面的外表面，且多數(shù)從微孔出現(xiàn)坑洼的形態(tài)，它能起到對(duì)造成冰上滑動(dòng)主要原因“水膜”的除水和排水的效果，從而達(dá)到提高接地性能的目的。另外，在這些氣泡的周圍還有所謂“邊緣效果”，也能提高冰上的摩擦力。

發(fā)泡橡膠開發(fā)利用的歷史雖然只有僅僅十幾年的時(shí)間，但現(xiàn)今已發(fā)展到第四代技術(shù)。非鑲釘輪胎最初采用的第一代發(fā)泡橡膠，雖然已經(jīng)導(dǎo)致冰上性能的大幅提高，但很快又進(jìn)入到排水性好的第二代，即小孔徑連續(xù)發(fā)泡橡膠。接著，為進(jìn)一步提高排水性能和發(fā)泡部位的邊緣效果，強(qiáng)化發(fā)泡部位的邊緣強(qiáng)度和提高耐磨耗性能，出現(xiàn)了第三代的大孔徑氣孔+PE（聚乙烯）強(qiáng)化的發(fā)泡橡膠。現(xiàn)在，又進(jìn)一步開發(fā)出排水性和耐磨耗性更優(yōu)的第四代，稱之為筒狀的發(fā)泡橡膠，并已成為載重輪胎的專用橡膠，習(xí)慣上稱之為喇叭筒發(fā)泡橡膠。

從花紋方面說(shuō)，提高冰上性能必須要增大實(shí)際接觸面積，也要增加邊緣的成分。然而，雪地輪胎的胎面多為充油的NR，硬度和定伸應(yīng)力一般偏低，如一味增加邊緣成分會(huì)使花紋塊的剛性下降，當(dāng)輪胎給力時(shí)要引起花紋形變，使實(shí)際面積減少，結(jié)果造成冰上性能反而無(wú)法提高。為此，現(xiàn)已開發(fā)出一種可防滑動(dòng)的花紋塊。它的特點(diǎn)是細(xì)縫溝槽采取不均等分布形式夾在大花紋塊之中，以保證實(shí)地接觸面積和邊緣的兩優(yōu)化，達(dá)到提高冰上性能的效果。

表16 載重輪胎各部設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.5 載重輪胎直行性

重型載重汽車用的大型輪胎，在不良道路有車轍、坑洼的傾斜路面上行駛時(shí)，由于載荷量大、易偏移，常會(huì)發(fā)生直行中的不必要橫力而影響汽車的直行前進(jìn)。尤其是對(duì)子午胎來(lái)說(shuō)，主要發(fā)生在車轍的底部，因而造成輪胎直進(jìn)的蛇行現(xiàn)象。而當(dāng)改變行車路線時(shí)，還要跨越車轍，施以很大的保舵力，跨越之后又會(huì)發(fā)生相反的振動(dòng)力，導(dǎo)致汽車司機(jī)神經(jīng)非常緊張，上下左右顛簸，極易產(chǎn)生疲勞。因此，輪胎的直行性也是輪胎設(shè)計(jì)必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。特別是對(duì)于輕卡輪胎，由于車轍的間距不相一致，出現(xiàn)橫力和振動(dòng)的機(jī)會(huì)更多。

解決抑制傾斜路面行駛發(fā)生的不必要橫力問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上的主要措施是設(shè)法降低胎面部，尤其是接地端部的接地壓，使胎面部的曲率半徑減小。為使其不會(huì)出現(xiàn)影響耐磨耗性下降的現(xiàn)象，通常采取盡量不使花紋、外形輪廓的接地端部接地壓上升的手段來(lái)處理。同時(shí)，充氣壓力也要相對(duì)降低。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)和代表性能與特性是載重輪胎設(shè)計(jì)開發(fā)的三大組成部分，互相聯(lián)系，密不可分，缺一不可，三者形成一個(gè)整體。只有實(shí)現(xiàn)完美的結(jié)合，才能獲得最佳的效果。而取得市場(chǎng)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的統(tǒng)一，更是中心指導(dǎo)思想的體現(xiàn)，是設(shè)計(jì)開發(fā)人員的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。

在這里，載重輪胎作為承載壓力的滾動(dòng)構(gòu)件，安全性應(yīng)是第一要素。在設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮輪胎給力的動(dòng)態(tài)及振幅變化，對(duì)各部位設(shè)定不同的安全系數(shù)，一般帶束層6～9倍，胎圈部為3～6倍。根據(jù)市場(chǎng)需求，在特種場(chǎng)合下，可分別增至50%～100%，以達(dá)到評(píng)價(jià)要求的破壞能之上。對(duì)輪胎各部設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，可總結(jié)歸納為表16。

載重輪胎的設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上可分為斜交和子午兩大系列。對(duì)中型和大型輪胎來(lái)說(shuō)，目前子午胎已占95%以上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，且無(wú)內(nèi)胎化、扁平化也正成為當(dāng)今的時(shí)尚，已分別達(dá)到80%和60%的比例，已基本實(shí)現(xiàn)了“三化”目標(biāo)。輪胎骨架材料全部為鋼簾線，同運(yùn)輸型的工程子午胎相互交叉，進(jìn)入全鋼胎時(shí)代。但輕卡輪胎目前仍處于斜交與子午結(jié)構(gòu)各半的狀態(tài)。由于相當(dāng)部分是在短途、多用、壞路面和慢速的條件下使用，子午胎的優(yōu)越性難以充分發(fā)揮，加工制造工藝復(fù)雜、成本高、產(chǎn)品質(zhì)量大，因此，斜交輪胎仍具一定優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)。且輕卡子午胎的骨架材料也同乘用胎一樣，胎體為化纖簾布，帶束層為鋼簾線即可完全滿足實(shí)際使用要求，與乘用子午胎并無(wú)太大區(qū)別，故仍停留在半鋼胎的階段。

總體來(lái)說(shuō)，已經(jīng)連續(xù)多年的結(jié)構(gòu)“三化”（子午化、無(wú)內(nèi)胎化、扁平化）以及近年興起的性能上的“新三化”（低滾阻化、抗?jié)窕⒌驮肼暬┮咽禽d重輪胎設(shè)計(jì)發(fā)展的總趨勢(shì)。目前，低斷面的70-80系列的扁平載重輪胎正成市場(chǎng)新寵，比例不斷擴(kuò)大。扁平比達(dá)到65～55程度的可取代復(fù)輪雙胎的寬基載重輪胎也已得到普遍推廣，它對(duì)載重輪胎的設(shè)計(jì)開發(fā)又提出了新的要求。另外，正在快速發(fā)展的安全、智能輪胎等新的品種，如跑氣保用輪胎、漏氣自補(bǔ)輪胎、零氣壓輪胎、自動(dòng)調(diào)壓輪胎、防爆報(bào)警輪胎、信息儲(chǔ)存輪胎、電腦輪胎等等，使輪胎結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜化，它為載重輪胎的設(shè)計(jì)開發(fā)又開辟了更為廣闊的空間。

目前，我國(guó)在載重輪胎開發(fā)技術(shù)上已基本掌握了現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段，部分產(chǎn)品已達(dá)到世界級(jí)技術(shù)水平。預(yù)計(jì)在未來(lái)從世界輪胎大國(guó)走向輪胎強(qiáng)國(guó)的道路上，必將進(jìn)一步有所發(fā)展和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)新的突破。

[1] 普利司通編. 汽車輪胎基礎(chǔ)與實(shí)際[M].東京：山海堂，2006：317-333.

[2] 劉軼成. 汽車輪胎工學(xué)[J]. 橡膠工業(yè)(中國(guó)臺(tái)灣), 2011(14)：1-6.

[3] 渡邊徹郎. 輪胎漫話[M]. 東京：日本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì), 2002：91-99.

[4] 楊衛(wèi)民. 輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝創(chuàng)新的發(fā)展方向[J]. 輪胎工業(yè), 2012(11)：515-521.

[5] 于清溪. 輪胎工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步[J]. 橡塑技術(shù)與裝備, 2008(11)：6-14; 2008(12)：5-14.

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（全文完）

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Hexpol公司在美國(guó)收購(gòu)橡膠混煉業(yè)務(wù)

主要從事先進(jìn)橡膠混煉膠業(yè)務(wù)、領(lǐng)先的聚合物集團(tuán)瑞典Hexpol公司于2014年12月1日宣布：它已經(jīng)以1320萬(wàn)美元的價(jià)格從創(chuàng)始人道格?哈特利（Doug Hartley）和他的家族手中收購(gòu)了美國(guó)橡膠混煉膠供應(yīng)商Portage Precision聚合物公司。Portage Precision聚合物公司在俄亥俄州Ravenna和Mogadore擁有兩套生產(chǎn)設(shè)施，2013年?duì)I業(yè)收入為2900萬(wàn)美元。Ravenna設(shè)施不包括在交易中，其業(yè)務(wù)將被轉(zhuǎn)移到Hexpol的其他設(shè)施中。

此次收購(gòu)是Hexpol公司在美國(guó)混煉膠業(yè)務(wù)很好的補(bǔ)充，將拓寬并鞏固Hexpol公司在橡膠混煉業(yè)務(wù)的地位。Portage Precision聚合物公司也在俄亥俄州Mogadore擁有硅橡膠混煉設(shè)施，這將補(bǔ)充和擴(kuò)展Hexpol公司現(xiàn)有的產(chǎn)品業(yè)務(wù)。

（錢伯章）

TQ336.1

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2013-10-10