载重轮胎设计开发技术大观（五）

于清溪

载重轮胎设计开发技术大观（五）

于清溪

随着载重轮胎子午化、扁平化、无内胎化进程的不断深入，对载重轮胎的设计开发也逐渐趋于成熟。系统介绍了载重轮胎的材料和结构设计思路，并就其某些代表性性能的设计进行了思考。

橡胶；老化；防老剂；配合

4 轮胎材料设计

4.1 轮胎用橡胶配方设计

4.1.1 橡胶材料基本特性

橡胶是轮胎构成的肌肉，并将作为骨骼的化学纤维和金属钢丝帘线以及钢丝圈紧密、牢固地结合在一起，起着保护和联结的重要作用。而且随着所处部位的不同还有其他一系列的性能要求。因此，在说明轮胎橡胶配方设计之前，必须首先要了解轮胎主导材料——橡胶的基本特性，也就是橡胶的黏弹性特征。

橡胶物理特性的最基本特征是，它既是固体又是液体，具有其他材料所没有的介于固体与液体之间的性能。以金属材料来说，如一端施力变形，则所有力即在极短的瞬时时间内传递到金属棒的另一端。然而，同样属于固体的橡胶则完全不同，变形施力的传导需要一定的时间才能达到彼岸，即产生一种所谓“时间的滞后现象”。甚至还会使力能在中途损耗掉，根本无法把全部能传达到对面一端。这就是因为橡胶同时也具有液体性质所引起的现象。如图11所示，将橡胶试样黏固在元件板上，在一定周期内按拉伸方向施力，对另一侧的元件板用检测器检测出力，则此时即可观察到出现无时间滞后的固体成分的出力和有时间滞后传递的液体成分（或称黏性成分）的两种不同出力。

图11 橡胶黏弹性测定

图11中看出，在一定周期内，对橡胶试样给力检出的两个给力，它们之间持有一定的相位差δ。如将无时间滞后的给力成分定义为贮存弹性系数（E'），对一定时间滞后检出的给力成分定义为损耗弹性系数（E"），即E'表示橡胶的固体成分和E"表示液体（或黏性）成分的弹性系数（黏性系数）。从中显示，相位差δ值越大，则橡胶拥有的液体（或黏性）的性能愈多，因而能量的损失也越大。

为了在一定条件下，对该能量损失的大小进行比较，人们将一定贮存弹性系数（E'）和损失弹性系数（E"）作为能量损失的测定计量单位，以相位差滞后的δ的正切，即tan δ来计算它的值。

该值说明tan δ的数值越大，橡胶的能量损失也越大；反之，tan δ越小，其橡胶的能量损失也越小。

4.1.2 橡胶材料在轮胎中的分布状况

轮胎是上下硬、中间软的刚性柔体，由胎面、带束、胎体和胎圈四大部分构成，各起着不同的作用（详见图12）。

图12 载重轮胎各部构成及使用的橡胶材料

根据轮胎各部位不同的要求，四大部分所用的橡胶材料又可具体细化为至少16个胶件配方。胎面部有胎冠胶、胎肩胶、胎基胶和胎侧胶，带束部有带束帘线胶、带束封端胶、带帽（帘线或帘布）胶；胎体部有胎体帘线胶、内衬（内外）胶；胎圈部有钢圈胶、胶芯（上下）胶、子口包布（帘线）胶、子口护（边底）胶等。它们充分发挥橡胶的基本特性——黏弹性（tan δ值大小），配制成不同的刚性（即硬度和定伸应力）以及强伸性等其他性能，同骨架的金属帘线和钢丝结合分布于轮胎各个部位。其代表性能的胶料硬度从54跨越到88，具体各胶件的变化幅度详见表4。

轮胎是厚壁制品，断面厚度可达20～40 mm，质量在20～60 kg之间，而橡胶又是热的不良导体。从轮胎外表传到深层内部往往需要60～100 min以上才能达到内外一致（150～160 ℃），因此，各胶件经受的热历程相差很大，而其硫化的平坦性和最佳硫化时间点十分有限，一般仅在10～20 min的范围内。因而在一个硫化周期（30～60 min）之内，轮胎内外硫化温度往往要相差10 ℃以上。而温度每相差10 ℃，则硫化速度要快或慢达一倍。为此，各胶件的硫化速度在轮胎中的合理匹配，如何达到同步硫化程度，还有不同种类橡胶，特别是高不饱和双键橡胶（NR、BR、SBR）与低不饱和双键橡胶（IIR、EPDM）的共硫化，不同硫化体系配合剂硫磺、促进剂的相互移栖产生的界层过硫、欠硫等，都是在调节胶件硬度和定伸应力时必须思考的问题。

除此之外，胶件之间的粘合性，尤其是同钢帘线和钢丝的结合性，减少轮胎的生热性，提高轮胎的散热性，降低橡胶的拉伸和压缩永久变形，也是不能忽视的大问题。因为载重轮胎是在露天的情况下使用，支撑着相当于橡胶强力几十倍以上的静动负荷，在行驶中要多次弯曲变形，内部由于生热使温度达到80～105 ℃以上。因此，要求橡胶必须具有高强度和耐破坏的特性，并且要兼备耐热劣化和天候老化等综合性能。

表4 载重轮胎各胶件硬度变化及定伸应力

4.1.3 轮胎对各橡胶部件的性能要求

轮胎对各部位橡胶材料要求的物理性能，概括起来如表5所示。

从表5所列物理性能项目和数据可以看出，载重轮胎对各部件要求的性能已有14个之多，它们既有在力学性能上的许多相似之处，更有在特性方面的不同之点。因此，要选用不同种类的橡胶和设计多种特性的橡胶配方才能满足上述不同要求。虽然轮胎用的橡胶通常仅有NR、BR、SBR、IR和IIR等5～6种，但它们的配方中使用的副料和配合助剂则达数十种之多，而可供优选的原材料更多达百种以上。因此，配合材料的筛选，以及配合量的确定，成为配方设计的核心。

然而，选定能满足轮胎各部件性能的配方，常常是一个复杂的、反复不断的实验过程。其中既有材料的基本性能和附加特性试验，而且更要有制成轮胎后从成品上验证的结果。在这里，一般载重轮胎与轻卡、重型载重的配方也是不同的，甚至同一种类的载重轮胎也因使用用途的不同，以及经济和技术上的各种原因，而设计有3～5套配方。另外，在生产过程中，不同季节（冬夏）、原材料产地来源变更、工艺条件的改变，配方内容也要随之调整。一个最佳优选、经过考验的好配方常要花费很大的代价，所以生产企业对其特点细节严加保密。它们不仅出于专利的保护和技术绝窍的保密，还有经济上的成本降低、市场竞争力等不可对外公开的问题。

表5 载重轮胎各部件橡胶要求的性能

（未完待续)

[责任编辑：朱 胤]

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1671-8232(2014)10-0001-03

2013-10-10