輪胎的均勻性淺述

馬義明

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

輪胎的均勻性淺述

馬義明

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

本文主要介紹了輪胎的均勻性

輪胎；均勻性

1.前言

輪胎的均勻性在英文中叫做uniformity，其中包含靜平衡、動(dòng)平衡、徑向力波動(dòng)(RFV)、橫向力波動(dòng)(LFV)、錐度效應(yīng)力(CON)等一系列指標(biāo)。用于評(píng)述輪胎在一定的充氣壓力、一定的負(fù)荷和一定的轉(zhuǎn)速條件下，輪胎的幾何尺寸、質(zhì)量分布和應(yīng)力的不均一性程度。輪胎均勻性的優(yōu)劣，直接影響到乘坐的舒適性、車輛的操控性以及輪胎和車輛零部件壽命等一系列指標(biāo)。均勻性差的輪胎在行駛過程中會(huì)出現(xiàn)徑向跳動(dòng)、側(cè)向擺動(dòng)及跑偏等現(xiàn)象，導(dǎo)致汽車的操縱性、安全性和乘坐舒適性降低，并且增加燃料消耗、降低輪胎的使用壽命。均勻性不良在中、高檔輪胎不良品中占有相當(dāng)大的比例，因此，改善輪胎均勻性是輪胎設(shè)計(jì)和制造過程中的一個(gè)重要課題。

2.影響均勻性的要因分析

2.1 均勻性模型

為了更通俗地理解輪胎的均勻性，我們可以建立一個(gè)合適的模型。其中，輪胎的胎面部分內(nèi)部有剛性帶束層，抗沖擊抗剪切，橫向變形小，斷面方向受力均勻，可視為剛性結(jié)構(gòu)；胎側(cè)部位，柔韌且強(qiáng)度大，耐屈撓，高回彈，可視為彈性部件；胎圈部位，高強(qiáng)度，耐剪切，是輪胎結(jié)構(gòu)中承受剪切力最大的部分，亦可視為剛性結(jié)構(gòu)。如下圖所示：

2.2均勻性指標(biāo)與影響

輪胎的均勻性主要體現(xiàn)在剛性均一性、幾何均一性、質(zhì)量分布均一性三個(gè)方面。其對(duì)均勻性指標(biāo)的主要影響簡(jiǎn)述如下：

1)剛性均一性主要影響RFV和CON指標(biāo)，如圖所示：

2)幾何均一性主要影響RFV指標(biāo)，如圖所示：

3）質(zhì)量分布均一性主要影響RFV和動(dòng)（靜） 平衡指標(biāo)，如圖所示：

2.3 均勻性指標(biāo)對(duì)汽車性能的影響

輪胎均勻性主要有：徑向力波動(dòng)（RFV）、橫向力波動(dòng)（LFV）、錐度效應(yīng)力（CON）、靜平衡（S-BLANCE）、動(dòng)平衡（D-BLANCE）等指標(biāo)。其對(duì)汽車性能的影響如下：

(1) RFV

是指輪胎在一定充氣壓力、一定負(fù)荷、一定轉(zhuǎn)速條件下，輪胎半徑方向上產(chǎn)生的周期性力的波動(dòng)，單位為牛頓（N）。它使輪胎發(fā)生徑向跳動(dòng)，車體震動(dòng)大，噪音大，車輛機(jī)械部件容易受損。

(2) LFV

是指輪胎在一定充氣壓力、一定負(fù)荷、一定轉(zhuǎn)速條件下，輪胎軸向上產(chǎn)生的周期性力的波動(dòng)，單位為牛頓（N）。它使汽車發(fā)生左右搖晃、顫動(dòng)，操縱穩(wěn)定性和高速行駛安全性變差，輪胎壽命降低。

(3) CON

是指輪胎在一定充氣壓力、一定負(fù)荷、一定轉(zhuǎn)速條件下，輪胎軸向上產(chǎn)生的偏向一側(cè)的力，單位為牛頓（N）。它造成輪胎不跑直線，朝一個(gè)方向跑偏，致使輪胎發(fā)生偏磨，使用壽命降低，高速行駛安全性變差。

(4) 動(dòng)（靜）平衡是指輪胎在旋轉(zhuǎn)或靜止?fàn)顟B(tài)下，測(cè)定的質(zhì)量分布的不均一性。它對(duì)汽車性能的影響與RFV、LFV類似。

在上述各項(xiàng)指標(biāo)中，RFV不良發(fā)生率高，原因復(fù)雜，改善難度大，是輪胎均勻性改善的最主要對(duì)象。因此，本文主要針對(duì)影響RFV的原因和改善措施進(jìn)行論述。

3.針對(duì)RFV不良采取的對(duì)策

3.1 剛性因素

所謂剛性，是指單位變形所需要的應(yīng)力，也是模量的意思。可以理解為每毫米變形所需要的應(yīng)力大小。剛性因素中對(duì)RFV影響最大的就是簾布和三角膠接口。接口屬于工程因素，在設(shè)計(jì)輪胎時(shí)并沒有設(shè)計(jì)接口，因?yàn)橛泄こ套鳂I(yè)才有簾布接口及三角膠接口等剛性波動(dòng)因素，而且這種波動(dòng)不可避免，只能減弱其對(duì)RFV的影響。同一條輪胎，由于有簾布及三角膠接口的存在，在周向分布上會(huì)出現(xiàn)剛性的變化，導(dǎo)致周向應(yīng)力的不均勻。不同規(guī)格因?yàn)闃?gòu)造的差別，其本身的模量存在極大差異，同樣的生胎中心跳動(dòng)（RRO）所引起的RFV波動(dòng)大相徑庭。剛性強(qiáng)的輪胎在成型RRO控制上要更嚴(yán)格。剛性因素對(duì)輪胎的RFV性能有決定性的影響，它從根本上決定了此規(guī)格的RFV水平，以及此規(guī)格對(duì)工程波動(dòng)的適應(yīng)能力。因此，同一機(jī)臺(tái)在生產(chǎn)不同的規(guī)格時(shí)，RFV的平均值和分布都會(huì)有不同的表現(xiàn)。同樣，在工程管理上，對(duì)于不同的規(guī)格要有不同的管理標(biāo)準(zhǔn)，一視同仁對(duì)于輪胎的RFV管理是不適用的。

3.2 幾何因素

幾何因素受到輪胎制造過程中生胎成型、生胎存放、生胎搬運(yùn)、硫化設(shè)備精度、模具精度、后充氣定型（PCI）機(jī)構(gòu)的狀態(tài)等多種工程因素影響。從某種意義上講，對(duì)上述因素的控制能力，決定了輪胎的FRV水平。因此，要想制造均勻性好的輪胎，就必須對(duì)所用的部件材料、成型設(shè)備精度、接口擺位、接口量、生胎變形、硫化機(jī)精度、模具精度、裝模精度、PCI精度等環(huán)節(jié)和參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(1)一段生胎的中心跳動(dòng)（RRO）

a.簾布的EPI

簾布是輪胎的骨架材料，EPI（EACH PIECE OF INCH）是每英寸簾布上簾線的根數(shù)，即簾線密度。當(dāng)胎體簾布EPI不均時(shí)，造成胎體各部位應(yīng)力不均，嚴(yán)重影響輪胎的均勻性。造成EPI不良有以下三個(gè)方面的原因，首先是簾布材料本身不良，其次是壓延損傷，第三是成型時(shí)拉伸。

b.成型鼓法蘭膠囊的偏心性

法蘭上的膠囊在某種程度上決定了一段胎坯與二段胎坯接觸時(shí)的周向均勻度；當(dāng)法蘭到達(dá)最小幅時(shí)，法蘭對(duì)于胎坯的徑向約束力最小，胎坯的中心跳動(dòng)受膠囊本身中心跳動(dòng)的影響很大。當(dāng)然生胎的徑向精度要受到法蘭各幅，膠囊充氣壓力及兩者間動(dòng)作的協(xié)調(diào)性以及膠囊自身精度的影響。

c.接口擺位

一段胎坯的接口擺位狀態(tài)不同，周向質(zhì)量分布及生胎的中心跳動(dòng)亦隨之變化，對(duì)輪胎的RFV有重要影響。

d.簾布的CORD_PATH

CORD_PATH，指從一個(gè)鋼圈到另一個(gè)鋼圈之間的簾線的長(zhǎng)度，測(cè)量方法有兩種：①扣圈以后將鋼圈直接取下，切斷簾線測(cè)量；②測(cè)量CORD_PATH的雙倍距離，然后/2。簾線是輪胎的骨架，鋼圈與鋼圈間簾布的長(zhǎng)短對(duì)輪胎的RFV，RRO有決定性的作用。CORD_PATH主要受反包條件、鋼絲圈圓度、鋼絲圈的松緊等因素的影響。

（2）一段生胎與二段生胎的位置匹配

采用層貼法制造輪胎是一段胎坯和二段胎坯分別制作，然后在二段成型鼓上定中貼和在一起。生胎的中心跳動(dòng)（RRO）受到一段胎坯和二段胎坯兩方面的影響。為了避免材料接口重合造成的徑向力波動(dòng)（RFV），兩段胎坯中的各層材料接口應(yīng)盡量在周向均勻分布，在一二段胎坯匹配時(shí)應(yīng)遵循同樣的原則。由于有接口的存在及設(shè)備的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)，一段胎坯及二段胎坯存在自己獨(dú)有的波形形狀（或者說，應(yīng)力分布），如果兩者的結(jié)合角度選擇不好，會(huì)造成某些部位應(yīng)力的增大。例如，兩層簾布的接口重合或一段胎坯中的接口與二段胎坯中的接口重合，會(huì)造成RFV嚴(yán)重不良。因此，合理安排接口分布，并使一段胎坯與二段的接口位置合理匹配，成為降低及穩(wěn)定生胎RRO的有效手段，這對(duì)改善輪胎的均勻性具有重大的意義。

(3)帶束層、冠帶層、胎面

a.帶束層

作為子午線輪胎的標(biāo)志性構(gòu)造，帶束層對(duì)輪胎強(qiáng)度的影響極大，它是輪胎在胎冠部的主要應(yīng)力部件，因此，它的接口，寬度，厚度及相應(yīng)的單位面積重量的變化都會(huì)引起輪胎性能的波動(dòng)。因其單位面積重量較大，對(duì)輪胎的周向質(zhì)量分布也有較大影響。

對(duì)于RFV而言，越靠近外層的材料對(duì)其影響越明顯，外層材料波動(dòng)引起的RFV不良，其波形有明顯的尖峰狀，而內(nèi)層材料引起的 RFV不良，其波形呈現(xiàn)緩慢的一次波動(dòng)。

b.冠帶層

冠帶層分為片狀冠帶和螺旋冠帶兩種。對(duì)于片狀冠帶來說，由于有50mm左右的接口存在，所以接口處的尺寸必然變厚，因此，這種冠帶的接口大小，左右接口的分布，以及接口在圓周上的位置對(duì) RFV都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。這種結(jié)構(gòu)多使用在小直徑、高扁平率、模量比較小的規(guī)格中。

螺旋冠帶，就是將大片的冠帶分成小條來纏繞，其目的是消除片狀冠帶首末端的接口。但這種纏繞方法會(huì)造成線卷傾斜，對(duì)LFV產(chǎn)生一定影響。當(dāng)螺旋冠帶纏繞時(shí)，在拉力的作用下BT鼓會(huì)有一定程度的變形，如果，BT鼓支撐力不足，或者螺旋冠帶的拉力足夠大，則會(huì)引起B(yǎng)T鼓的縮小，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，開始階段纏繞的螺旋冠帶的線卷就會(huì)變松弛，造成斷面方向上的應(yīng)力不均衡，同時(shí)引起帶束層的變形。從而導(dǎo)致RFV、LFV、CON不良。

另外，不管怎樣纏繞還是會(huì)有接口出現(xiàn)，以及因螺旋的開始和結(jié)束而產(chǎn)生的應(yīng)力不均。因此，螺旋冠帶的搭接量及開始與結(jié)束位置的設(shè)定和調(diào)整，對(duì)RFV及靜平衡性能的改善起到至關(guān)重要的作用。

C.胎面

由于橡膠本身的特點(diǎn)，胎面在存放期間，兩端收縮，造成兩端在寬度、厚度，質(zhì)量上明顯高于中間部位。胎面接口作業(yè)完成后，接口處的厚度變化會(huì)一直留到制品中，會(huì)對(duì)RFV造成影響，因此在工程管理中，胎面的長(zhǎng)度，BT鼓的周長(zhǎng)，胎面導(dǎo)向架的壓力等均需要進(jìn)行控制。

一般情況下，BT鼓的轉(zhuǎn)速、導(dǎo)向側(cè)輥的壓力、中心壓輥的壓力、以及胎面本身的軟硬度決定了胎面的拉伸狀態(tài)和貼合后的殘余張力。相同作業(yè)條件下，隨著卷貼速度的增加，端部拉伸也隨之變大。

胎面在受到壓輥滾壓時(shí)，胎體發(fā)生局部變形，接觸點(diǎn)處的胎面會(huì)變薄，如果胎面下的膠漿少，胎面粘性差，會(huì)造成胎面打折，或者胎面與螺旋冠帶的復(fù)合不實(shí)，有氣泡，易產(chǎn)生周向凹凸，及左右偏移，造成RFV，LFV，CON不良。因此，壓輥的操作原則是：“慢出、輕觸、穩(wěn)壓”。

(4)生胎變形

成型的生胎坯存放、搬運(yùn)車，對(duì)生胎的變形也有很大影響，不同寸別的生胎混放，會(huì)造成生胎變形，進(jìn)而影響生胎的裝模、定型。尤其是大規(guī)格輪胎，自身重量比較大，如果選擇的胎坯車寸別不對(duì)，生胎將產(chǎn)生極大變形。

硫化機(jī)的生胎置臺(tái)，對(duì)生胎變形也有很大的影響，置臺(tái)造成的生胎變形會(huì)對(duì)機(jī)械手的抓取精度、裝胎精度、定型精度、以至成品的RFV性能造成影響。

(5)硫化機(jī)和PCI精度

硫化工序，作為對(duì)輪胎RFV產(chǎn)生重要影響的工序在RFV不良對(duì)策中往往被忽略，因?yàn)閷?duì)于硫化設(shè)備來說，其精度管理水平與成型機(jī)相比，相差甚遠(yuǎn)。但在對(duì)應(yīng)高性能輪胎及低扁平率、大規(guī)格的輪胎時(shí)，對(duì)硫化精度的要求顯得格外重要。

a.模具精度與定向硫化

高性能輪胎的硫化一般都采用活絡(luò)模具，受模具加工和組裝的影響，工程上很難制造出真圓的模具。對(duì)應(yīng)相同的機(jī)臺(tái)和模具，制造出的輪胎的不圓度具有一定的相似性。當(dāng)生胎的偏心性與機(jī)臺(tái)和模具的偏心性重合時(shí)，輪胎的偏心性最為明顯，即RFV不良。當(dāng)二者的偏心性互補(bǔ)時(shí)，輪胎的偏心性減弱，RFV值變小。因此，在更換模具后，一般都應(yīng)該進(jìn)行生胎定向入模試驗(yàn)，以確定最佳的入模方向，以抵消模具RR與生胎RR對(duì)RFV的影響，從而獲得最佳的RFV性能。

b.機(jī)械手精度及與模具的同心度

機(jī)械手的裝胎精度，直接決定了輪胎在硫化定型時(shí)的狀態(tài)，這種影響會(huì)一直帶到制品中，有時(shí)這種影響會(huì)超越其他因素，成為左右RFV水平的主要因素，尤其是當(dāng)裝胎精度嚴(yán)重惡化時(shí)，這種影響就更加明顯。機(jī)械手的精度主要包括水平度、與模具的同心度和抓胎爪片張開時(shí)的圓度。為了保證這些參數(shù)正常，設(shè)備維修及模具更換后必須進(jìn)行校驗(yàn)，并堅(jiān)持日常點(diǎn)檢確認(rèn)。

c.中心機(jī)構(gòu)與模具的同心度

中心機(jī)構(gòu)在生胎裝模定型時(shí)，對(duì)生胎起到固定作用，如果它與下模具不同心，則會(huì)造成成品輪胎的中心偏移，嚴(yán)重影響到輪胎的均勻性。因此，在每次更換膠囊或模具后必須對(duì)其中心性進(jìn)行校驗(yàn)。

d. PCI夾盤的平行度及同心度

PCI（POST CURING INFLATION），它是對(duì)硫化后的輪胎進(jìn)行整理的工序，對(duì)制品的“胎面印痕”有較大的影響。而穩(wěn)定及適合的“胎面印痕”又是穩(wěn)定的輪胎性能的保證。

采用螺旋冠帶技術(shù)的輪胎，如果不經(jīng)過PCI，直接在常壓下，空氣冷卻，由于螺旋冠帶為尼龍材質(zhì)，其熱收縮性極強(qiáng)，無內(nèi)壓條件下空冷會(huì)造成輪胎的扭曲變形、并口、“胎面印痕”變小等外觀不良及性能不良。

因此PCI的偏心，不平行，及輪輞配合性都會(huì)對(duì)輪胎的 PCI效果產(chǎn)生影響，從而對(duì)制品的RFV產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

輪胎均勻性的管理是一項(xiàng)復(fù)雜而繁瑣的工作，但它對(duì)保證輪胎的使用性能乃至車輛的性能都有較大的影響。通過此文的拋磚引玉，使讀者在對(duì)策均勻性不良的工作中有更加開放的思路。

2014-4-16