載重輪胎設(shè)計開發(fā)技術(shù)大觀（五）

于清溪

載重輪胎設(shè)計開發(fā)技術(shù)大觀（五）

于清溪

隨著載重輪胎子午化、扁平化、無內(nèi)胎化進(jìn)程的不斷深入，對載重輪胎的設(shè)計開發(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)計思路，并就其某些代表性性能的設(shè)計進(jìn)行了思考。

橡膠；老化；防老劑；配合

4 輪胎材料設(shè)計

4.1 輪胎用橡膠配方設(shè)計

4.1.1 橡膠材料基本特性

橡膠是輪胎構(gòu)成的肌肉，并將作為骨骼的化學(xué)纖維和金屬鋼絲簾線以及鋼絲圈緊密、牢固地結(jié)合在一起，起著保護(hù)和聯(lián)結(jié)的重要作用。而且隨著所處部位的不同還有其他一系列的性能要求。因此，在說明輪胎橡膠配方設(shè)計之前，必須首先要了解輪胎主導(dǎo)材料——橡膠的基本特性，也就是橡膠的黏彈性特征。

橡膠物理特性的最基本特征是，它既是固體又是液體，具有其他材料所沒有的介于固體與液體之間的性能。以金屬材料來說，如一端施力變形，則所有力即在極短的瞬時時間內(nèi)傳遞到金屬棒的另一端。然而，同樣屬于固體的橡膠則完全不同，變形施力的傳導(dǎo)需要一定的時間才能達(dá)到彼岸，即產(chǎn)生一種所謂“時間的滯后現(xiàn)象”。甚至還會使力能在中途損耗掉，根本無法把全部能傳達(dá)到對面一端。這就是因為橡膠同時也具有液體性質(zhì)所引起的現(xiàn)象。如圖11所示，將橡膠試樣黏固在元件板上，在一定周期內(nèi)按拉伸方向施力，對另一側(cè)的元件板用檢測器檢測出力，則此時即可觀察到出現(xiàn)無時間滯后的固體成分的出力和有時間滯后傳遞的液體成分（或稱黏性成分）的兩種不同出力。

圖11 橡膠黏彈性測定

圖11中看出，在一定周期內(nèi)，對橡膠試樣給力檢出的兩個給力，它們之間持有一定的相位差δ。如將無時間滯后的給力成分定義為貯存彈性系數(shù)（E'），對一定時間滯后檢出的給力成分定義為損耗彈性系數(shù)（E"），即E'表示橡膠的固體成分和E"表示液體（或黏性）成分的彈性系數(shù)（黏性系數(shù)）。從中顯示，相位差δ值越大，則橡膠擁有的液體（或黏性）的性能愈多，因而能量的損失也越大。

為了在一定條件下，對該能量損失的大小進(jìn)行比較，人們將一定貯存彈性系數(shù)（E'）和損失彈性系數(shù)（E"）作為能量損失的測定計量單位，以相位差滯后的δ的正切，即tan δ來計算它的值。

該值說明tan δ的數(shù)值越大，橡膠的能量損失也越大；反之，tan δ越小，其橡膠的能量損失也越小。

4.1.2 橡膠材料在輪胎中的分布狀況

輪胎是上下硬、中間軟的剛性柔體，由胎面、帶束、胎體和胎圈四大部分構(gòu)成，各起著不同的作用（詳見圖12）。

圖12 載重輪胎各部構(gòu)成及使用的橡膠材料

根據(jù)輪胎各部位不同的要求，四大部分所用的橡膠材料又可具體細(xì)化為至少16個膠件配方。胎面部有胎冠膠、胎肩膠、胎基膠和胎側(cè)膠，帶束部有帶束簾線膠、帶束封端膠、帶帽（簾線或簾布）膠；胎體部有胎體簾線膠、內(nèi)襯（內(nèi)外）膠；胎圈部有鋼圈膠、膠芯（上下）膠、子口包布（簾線）膠、子口護(hù)（邊底）膠等。它們充分發(fā)揮橡膠的基本特性——黏彈性（tan δ值大?。?，配制成不同的剛性（即硬度和定伸應(yīng)力）以及強伸性等其他性能，同骨架的金屬簾線和鋼絲結(jié)合分布于輪胎各個部位。其代表性能的膠料硬度從54跨越到88，具體各膠件的變化幅度詳見表4。

輪胎是厚壁制品，斷面厚度可達(dá)20～40 mm，質(zhì)量在20～60 kg之間，而橡膠又是熱的不良導(dǎo)體。從輪胎外表傳到深層內(nèi)部往往需要60～100 min以上才能達(dá)到內(nèi)外一致（150～160 ℃），因此，各膠件經(jīng)受的熱歷程相差很大，而其硫化的平坦性和最佳硫化時間點十分有限，一般僅在10～20 min的范圍內(nèi)。因而在一個硫化周期（30～60 min）之內(nèi)，輪胎內(nèi)外硫化溫度往往要相差10 ℃以上。而溫度每相差10 ℃，則硫化速度要快或慢達(dá)一倍。為此，各膠件的硫化速度在輪胎中的合理匹配，如何達(dá)到同步硫化程度，還有不同種類橡膠，特別是高不飽和雙鍵橡膠（NR、BR、SBR）與低不飽和雙鍵橡膠（IIR、EPDM）的共硫化，不同硫化體系配合劑硫磺、促進(jìn)劑的相互移棲產(chǎn)生的界層過硫、欠硫等，都是在調(diào)節(jié)膠件硬度和定伸應(yīng)力時必須思考的問題。

除此之外，膠件之間的粘合性，尤其是同鋼簾線和鋼絲的結(jié)合性，減少輪胎的生熱性，提高輪胎的散熱性，降低橡膠的拉伸和壓縮永久變形，也是不能忽視的大問題。因為載重輪胎是在露天的情況下使用，支撐著相當(dāng)于橡膠強力幾十倍以上的靜動負(fù)荷，在行駛中要多次彎曲變形，內(nèi)部由于生熱使溫度達(dá)到80～105 ℃以上。因此，要求橡膠必須具有高強度和耐破壞的特性，并且要兼?zhèn)淠蜔崃踊吞旌蚶匣染C合性能。

表4 載重輪胎各膠件硬度變化及定伸應(yīng)力

4.1.3 輪胎對各橡膠部件的性能要求

輪胎對各部位橡膠材料要求的物理性能，概括起來如表5所示。

從表5所列物理性能項目和數(shù)據(jù)可以看出，載重輪胎對各部件要求的性能已有14個之多，它們既有在力學(xué)性能上的許多相似之處，更有在特性方面的不同之點。因此，要選用不同種類的橡膠和設(shè)計多種特性的橡膠配方才能滿足上述不同要求。雖然輪胎用的橡膠通常僅有NR、BR、SBR、IR和IIR等5～6種，但它們的配方中使用的副料和配合助劑則達(dá)數(shù)十種之多，而可供優(yōu)選的原材料更多達(dá)百種以上。因此，配合材料的篩選，以及配合量的確定，成為配方設(shè)計的核心。

然而，選定能滿足輪胎各部件性能的配方，常常是一個復(fù)雜的、反復(fù)不斷的實驗過程。其中既有材料的基本性能和附加特性試驗，而且更要有制成輪胎后從成品上驗證的結(jié)果。在這里，一般載重輪胎與輕卡、重型載重的配方也是不同的，甚至同一種類的載重輪胎也因使用用途的不同，以及經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的各種原因，而設(shè)計有3～5套配方。另外，在生產(chǎn)過程中，不同季節(jié)（冬夏）、原材料產(chǎn)地來源變更、工藝條件的改變，配方內(nèi)容也要隨之調(diào)整。一個最佳優(yōu)選、經(jīng)過考驗的好配方常要花費很大的代價，所以生產(chǎn)企業(yè)對其特點細(xì)節(jié)嚴(yán)加保密。它們不僅出于專利的保護(hù)和技術(shù)絕竅的保密，還有經(jīng)濟(jì)上的成本降低、市場競爭力等不可對外公開的問題。

表5 載重輪胎各部件橡膠要求的性能

（未完待續(xù))

[責(zé)任編輯：朱 胤]

TQ 336.1

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1671-8232(2014)10-0001-03

2013-10-10