于清溪

載重輪胎設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)大觀（四）

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(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

2.3.3 胎體及內(nèi)襯層結(jié)構(gòu)

載重子午胎的胎體有化學(xué)纖維簾布和鋼絲簾線兩種結(jié)構(gòu)形式，前者為2～4層，后者只有1層。由于鋼簾線的單根強(qiáng)力高，伸長率很低，單層結(jié)構(gòu)更易發(fā)揮效能，因此，現(xiàn)今除部分輕卡和特種越野子午胎外，已全部采用單層鋼簾線的胎體結(jié)構(gòu)，稱之為全鋼載重子午胎。為使胎體能與胎面和帶束層以及鋼圈等形成牢固體，鋼簾線表面要覆以能使多根簾線相互隔離的橡膠層，簾線周邊的膜厚一般不低于簾線本身粗度的1/3，形成平整的鋼簾線膠布，使之可均勻地呈放射狀伸張。

同時(shí)，在胎體的內(nèi)側(cè)還要貼上內(nèi)襯層，以保持高度氣密，防止胎內(nèi)的氣體竄進(jìn)胎體，并保護(hù)鋼簾線免遭損傷。內(nèi)襯層多由粘接層和密封層兩部分貼合組成，前者膜厚為0.5～1.0 mm，后者為1.0～2.0 mm ，粘接層（Cl-IIR）起到密封層（IIR）與胎體層（NR/BR）充分粘合的作用。

2.3.4 胎圈結(jié)構(gòu)

載重輪胎胎圈結(jié)構(gòu)一般采用在鋼圈上包卷一層由胎體上延伸下來的覆膠鋼簾線的形式，并用覆膠的鋼簾線或尼龍簾布帶進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)加固。其補(bǔ)強(qiáng)方式視輪胎的規(guī)格及使用條件，大體分為全包、半包、高包和低包等幾種形態(tài)，詳見圖4。

圖4 載重輪胎胎圈結(jié)構(gòu)

為使胎圈能均勻過渡到胎側(cè)，鋼圈上部的兩側(cè)簾線之間還夾有長三角形的填充膠。這種填充膠應(yīng)能緊密與鋼圈和覆膠鋼簾線粘著，由不同硬度橡膠的三角膠復(fù)合組成一個(gè)從硬到軟的大三角膠，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。鋼圈由多鋼絲組成，有圓形、方形、六角形、長菱形多種，無內(nèi)胎載重輪胎多以長菱形為主，而圓形鋼圈的適應(yīng)性更廣。

2.4 載重輪胎形狀應(yīng)力平衡技術(shù)

載重輪胎的外形輪廓以及它們的應(yīng)力應(yīng)變是左右輪胎使用性能的極為重要的部分，尤其對壽命安全影響甚大?，F(xiàn)今載重輪胎已由傳統(tǒng)的圓形向橢圓形、扁圓形的方向發(fā)展，扁平比由標(biāo)準(zhǔn)型的0.96～1.00逐步進(jìn)入到0.80、0.70、0.60和0.50的程度。詳見圖5。

圖5 載重輪胎形狀變化

隨著扁平比的不斷擴(kuò)大，載重輪胎的外形輪廓和應(yīng)力應(yīng)變?nèi)找媸艿饺藗兊闹匾?，成為輪胎設(shè)計(jì)強(qiáng)化質(zhì)量性能的又一重點(diǎn)。

2.4.1 靜態(tài)輪廓應(yīng)力平衡

過去很長一段時(shí)間，在設(shè)計(jì)上一直以為載重輪胎的輪廓形狀應(yīng)采取自然平衡的形式，并認(rèn)為在充入內(nèi)壓時(shí)，簾線強(qiáng)力和形狀變化是均一的自然平衡形態(tài)的輪胎，其耐久力也認(rèn)為是最為優(yōu)越的。上世紀(jì)50年代，美國的霍弗博茨正式確立了輪胎自然充氣平衡輪廓理論，在斜交輪胎上得到了普遍應(yīng)用和發(fā)展，使輪胎的性能和壽命較前有了大幅提高。

然而到了70年代，子午線輪胎大發(fā)展之后，由于斜交輪胎和子午線輪胎的實(shí)際滾動(dòng)輪廓差別較大，靜態(tài)法的自然平衡形態(tài)理論受到了質(zhì)疑。出現(xiàn)了子午胎在提高磨耗壽命的同時(shí)，帶束層的耐久性要降低，滾動(dòng)阻力也隨之增大，存在著單一性能提高而另一種性能下降的相互矛盾、無法解決的所謂“二律背反”的現(xiàn)象。一段時(shí)間，這個(gè)問題已成為開發(fā)新載重輪胎的難點(diǎn)之一。雖對輪胎的構(gòu)成部件進(jìn)行了種種改進(jìn)，研究了多種新的輪胎結(jié)構(gòu)，進(jìn)行過各種各樣的嘗試，但只收到有限的效果，處于踏步不前的狀態(tài)。

2.4.2 動(dòng)態(tài)輪廓應(yīng)力平衡

進(jìn)入80年代，由于有限元計(jì)算技術(shù)在輪胎設(shè)計(jì)中得到了成功應(yīng)用，不僅對輪胎充氣后的自然形狀進(jìn)行有效的應(yīng)力應(yīng)變分析，而且還可以模擬分析出輪胎在行駛滾動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)際變化。因此，相繼出現(xiàn)了輪胎輪廓由充氣狀態(tài)下自然平衡的理論，轉(zhuǎn)向滾動(dòng)狀態(tài)下充氣輪胎非自然平衡的新論點(diǎn)，即從靜態(tài)的輪廓應(yīng)力平衡轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)的輪廓應(yīng)力平衡的理論。它是輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一次提升，將輪胎輪廓應(yīng)力平衡理論深化到一個(gè)新的階段。

（1）最佳張力控制理論（TCOT）

1988 年，日本普利司通公司在成功地創(chuàng)造出適于乘用輪胎的RCOT最佳滾動(dòng)輪廓理論之后，又提出用于載重輪胎的最佳張力控制理論，簡稱TCOT。它可使載重子午線輪胎的行駛里程提高10%～20%，滾動(dòng)阻力降低2%～5%，節(jié)油1%，制動(dòng)剎車性能提高2%～5%。

TCOT是以新的滾動(dòng)輪廓應(yīng)力平衡為基礎(chǔ)，控制輪胎充氣時(shí)形狀變化的設(shè)計(jì)。更詳細(xì)地說，是在輪胎充入內(nèi)壓時(shí)，由于輪胎施加張力對其部件端頭所產(chǎn)生的應(yīng)力變形，視輪胎的用途而預(yù)先加以最佳控制的技術(shù)。它是抑制載重輪胎在負(fù)荷狀態(tài)下行駛時(shí)，不使輪胎中各部件端頭由破壞核發(fā)生龜裂和進(jìn)一步擴(kuò)展的輪胎形狀設(shè)計(jì)理論。利用這個(gè)理論技術(shù)，可以有效解決載重輪胎提高性能遇到的“二律背反”難題，從而達(dá)到通過改變形狀即可提高從耐久性到綜合性能的目的。

圖6 輪胎胎體簾線張力分布比較

圖7 輪胎充氣時(shí)胎圈部簾線層端點(diǎn)變形比較

充入內(nèi)壓時(shí)的TCOT形狀，胎側(cè)部靠近帶束層部位的曲率半徑變小，而胎圈部的曲率半徑變大。從張力分布看，TCOT形狀同以前的自然形狀在均一狀態(tài)時(shí)，胎側(cè)張力減小，帶束層和胎圈張力增大（詳見圖6）。TCOT形狀在胎圈部的變位矢量也同原來傳統(tǒng)的形狀相反，而是走向輪輞一側(cè)，因而使胎圈部簾線層的端點(diǎn)應(yīng)力變形減低（詳見圖7）。

圖8 輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶束層端部變形分布比較

TCOT形狀由于帶束層的張力大和胎側(cè)部的張力小，因而偏心變形所占的比例要增大，結(jié)果是帶束層的應(yīng)力變形減小，使帶束層端點(diǎn)的應(yīng)力變形減低（詳見圖8）。TCOT形狀因?yàn)樘トΣ康膹埩Υ蟆傂詮?qiáng)，故能抑制輪胎旋轉(zhuǎn)胎圈部的應(yīng)力變形，降低簾線層端點(diǎn)的應(yīng)力變形（詳見圖9）。

圖9 輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)胎圈部簾線層端點(diǎn)變形分布比較

另外，由于TCOT形狀輪胎在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能將內(nèi)部消費(fèi)的無功之能轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫懦?，使輪胎生熱溫度下降和滾動(dòng)阻力降低，破壞核的生長，其擴(kuò)張也得到抑制，從而使輪胎耐久性大幅提高。

（2）預(yù)應(yīng)力輪廓理論（PSP、PSP-F）

1987 年，日本住友橡膠公司對載重子午線輪胎研究提出了預(yù)應(yīng)力輪廓理論，簡稱PSP。主要目的是通過輪廓設(shè)計(jì)使輪胎肩部變形大于胎面中心，實(shí)現(xiàn)胎面平坦化，帶束層端點(diǎn)相應(yīng)獲得一定的預(yù)伸張力，使之端點(diǎn)剛性提高和張力均勻化，重點(diǎn)提高胎面的耐磨耗性能和減少帶束層端點(diǎn)的剪切應(yīng)變。比起傳統(tǒng)的從調(diào)整胎冠弧度高以解決胎面平坦化的手段，其綜合性能效果要好得多。其接地印痕對比詳見圖10。

圖10 PSP形狀輪胎與普通輪胎接地印痕對比

PSP形狀輪胎可使行駛里程提高15%～30%，滾動(dòng)阻力降低5%～12%，濕路抓著力提高5%～15%。突出表現(xiàn)是胎面接地面積大，印痕面積近似矩形，耐磨耗性顯著提高。1989年該公司又將此技術(shù)擴(kuò)大發(fā)展到第四代，稱為PSP-F。主要是將輪胎的使用變形控制在最小的限度之內(nèi)，除胎面的平坦化和最佳接地形狀和分布壓力之外。重點(diǎn)選取胎側(cè)部輪廓上下弧度半徑R1/ R2的最佳取值范圍，使輪胎在行駛中一直保持胎體形狀不變，以有利于輪胎多次翻新。

同年，其子公司大津輪胎也跟著開發(fā)出輪胎綜合概念技術(shù)（ITTC），在耐久、耐磨耗基礎(chǔ)上同時(shí)兼顧其他性能，全面提高載重輪胎的質(zhì)量。ITTC輪胎的耐磨性提高了30%，帶束層和胎圈的耐久性提高了80%和70%，剪切變形分別下降40%和35%，使輪胎的安全性、經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性均有了很大提高。

（3）應(yīng)變能最小理論（STЕM）

1988 年，日本橫濱橡膠公司開發(fā)了內(nèi)輪廓呈圓形、充氣狀態(tài)的形狀變化最小的載重輪胎，簡稱STЕM。其特點(diǎn)是以帶束層結(jié)構(gòu)的第一層中部配置呈0°角的尼龍簾布層，兩邊的大角度鋼絲簾線帶束層的端點(diǎn)剛性高于中部，以降低帶束層端點(diǎn)的應(yīng)變能，使其同胎圈部簾線層反包端點(diǎn)的應(yīng)變能同時(shí)降至最低值，達(dá)到6%和21%。

（4）動(dòng)態(tài)模擬最佳輪廓理論（DSOC）

與橫濱橡膠同年，日本東海橡膠公司經(jīng)用大型電子計(jì)算機(jī)對載重輪胎的行駛狀態(tài)進(jìn)行解析之后，針對接地的狀態(tài)和內(nèi)部變形提出了最佳輪廓形狀設(shè)計(jì)方案，簡稱DSOC。它用4個(gè)輪廓半徑組成輪胎基本輪廓，即胎面中部和胎肩分別用2個(gè)弧度半徑，胎里R1及R2用2個(gè)弧度半徑。次年，又在DSOC基礎(chǔ)上提出動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最佳接地面理論（DSOC-T），擴(kuò)大用于乘用子午線輪胎。

（5）輪胎部件應(yīng)力應(yīng)變周期優(yōu)化設(shè)計(jì)理論（CSSOT）

1990 年，蘇聯(lián)輪胎工業(yè)科學(xué)研究院發(fā)表了輪胎部件應(yīng)力應(yīng)變周期設(shè)計(jì)理論，簡稱CSSOT。主要是針對輪胎形狀和結(jié)構(gòu)對帶束層和胎圈應(yīng)力應(yīng)變周期的影響，找出最佳的優(yōu)化周期解決方案。認(rèn)為扁平化輪胎可以提高應(yīng)力應(yīng)變周期，減輕橡膠與簾線之間的疲勞損壞，保證花紋磨損均勻，使用壽命延長10%～15%，滾動(dòng)阻力降低10%，質(zhì)量下降2%～3%。

（6）輪胎輪廓綜合大統(tǒng)一理論（GUTT）

進(jìn)入21世紀(jì)，針對上述各種輪廓設(shè)計(jì)理論，又進(jìn)一步進(jìn)化和統(tǒng)合發(fā)展，形成“綜合進(jìn)化”，又稱“大統(tǒng)一”的理論，簡稱GUTT。這種自動(dòng)進(jìn)化設(shè)計(jì)法的發(fā)明，使高性能輪胎的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了可能，現(xiàn)已廣泛用在綠色環(huán)保、低碳節(jié)能輪胎的開發(fā)上。

現(xiàn)在，輪胎各部件的張力分布、應(yīng)力應(yīng)變、接地面形狀、壓力分布變化，仍是設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，輪胎輪廓設(shè)計(jì)理論有待繼續(xù)深化和研究發(fā)展。雖然在輪胎設(shè)計(jì)中，有限元分析法是一項(xiàng)極為有效而又靈活的模擬技術(shù)，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)輔助工具對輪胎結(jié)構(gòu)和力學(xué)動(dòng)態(tài)分析以及尺寸參數(shù)的優(yōu)選上達(dá)到了前所未有的快速性和精確性，但對輪胎設(shè)計(jì)工作者來說，目前仍處于經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的階段。

（未完待續(xù))

[責(zé)任編輯：朱 胤]

TQ 336.1

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1671-8232(2014)09-0001-04

2013-10-10