王靜，褚文強

(1.清華大學 車輛與運載學院，北京 100084；2. 安迅物流有限有限公司，北京 100027)

航空輪胎是輪胎產(chǎn)品中一個特殊的分支，它的速度與賽車輪胎類似,單胎負荷跟大規(guī)格工程機械輪胎相差無幾。1980年米其林公司試制出世界第1條航空子午線輪胎，2000年開始,航空輪胎子午化率不斷提高，航空子午線輪胎由技術完善期跨入了市場擴張期。2008年1月，曙光橡膠工業(yè)研究設計院研發(fā)出我國首條航空子午線輪胎，成功通過國家標準規(guī)定的各項靜態(tài)和動態(tài)試驗，達到裝機要求，中國航空子午線輪胎實現(xiàn)了零的突破。這打破了西方發(fā)達國家對這一技術長達28年的壟斷，使中國成為世界上第5個有能力研發(fā)、制造和試驗航空子午線輪胎的國家[1]。

除水上飛機和滑橇式起落架直升機之外, 航空輪胎是所有飛機不可或缺的部件。航空輪胎有三大功能: ①載重，承載飛機在地面時的全部質(zhì)量，緩沖飛機起飛、降落和滑行時產(chǎn)生的振動和沖擊；②輔助飛機在地面上的滑行；③是飛機在地面上最主要的操縱系統(tǒng)，向跑道傳遞制動力,為轉向提供側向力。負荷大、速度高、下沉量大、變形大和充氣壓力高是航空輪胎最常見的特點。航空輪胎必須特別抗沖擊、抗刺扎和耐高溫,能夠滿足抗外物致?lián)p、經(jīng)受飛機高速起飛產(chǎn)生強大離心力和著陸接地瞬間巨大沖擊力的要求。為了保證飛機安全起飛、降落,航空輪胎必須同時具備賽車輪胎的速度能力和巨型工程機械輪胎的負荷能力。[2]因此,航空輪胎的設計尤其是配方設計尤為重要。

1 航空子午線輪胎結構特點與膠料的關系

航空子午線輪胎胎體簾布層有多層組成，帶束層6～8層一般0°～25°角周向排列，其輪胎周長基本不變；通常帶束層承受內(nèi)壓應力的60%～75%；因此，帶束層是一個承受外力的一個剛性的整體，簾線與橡膠的黏合力在熱和機械疲勞作用下應保持較高水平，膠料能承受高度的應變強度，具有生熱低等特點。

子午線輪胎胎體簾線呈徑向排列，胎側徑向變形大，比斜交胎大10%～30%, 而它承受的最大應力比斜交胎高出一倍，在此情況下，胎側中部的膠料經(jīng)受兩向伸張，而胎圈區(qū)和胎側端則為兩向壓縮，從而易使胎圈區(qū)產(chǎn)生曲撓裂口或使帶束層端部與胎面區(qū)和胎面之間發(fā)生脫層，而且輪胎伸張應力是通過橡膠傳遞到帶束層上，因此胎體與緩沖層之間產(chǎn)生相當大的剪切應力。此外，胎面與胎側剛性相差很大，因此剪切應力最大區(qū)域發(fā)生在帶束層的邊端。

由于子午線輪胎鋼絲圈處胎體簾布層少，胎側柔軟，容易造成胎圈剛性不足，變形大、穩(wěn)定性差，因此加大胎圈的剛性是十分重要的。從高剛度的鋼絲圈逐漸向柔軟的胎側過渡，防止胎圈脫層或裂口，可采用膠芯膠過渡的方法，再輔以加強層，并與輪輞接觸的部位增加耐磨性優(yōu)良的子口護膠等。

2 航空子午線輪胎各部位膠料性能匹配

航空輪胎在滑行起飛的側向力、徑向力和周向力的作用，而部件之間的剛性不同，產(chǎn)生的形變也不同，部件變形的差異使界面間產(chǎn)生相對的剪切變形，如果各部件之間的性能配合不當，可能使層間發(fā)生早起損壞。由于子午線輪胎最易壞的區(qū)域是胎肩部位帶束層端點和胎圈區(qū)。由于子午線輪胎胎冠橫斷面上產(chǎn)生的剪切力從胎冠中部至胎肩逐漸增大，而簾布層簾線內(nèi)壓應力在斷面各點上都相等；子午線輪胎胎圈部位的內(nèi)壓應力比其他結構的輪胎高30%～40%，因此必須使每種膠料部件根據(jù)所在的位置的作用，提出相應的物理機械性能要求及相互的匹配條件，才能保證輪胎的性能。

2.1 航空膠料主要部位定伸強度匹配

以49x19.0R20輪胎為例，子午線是由尼龍、芳綸或芳綸尼龍復合簾線作為骨價材料，且胎體簾布膠有5～6層，帶束層7～8層組成。因此，在胎面膠、墊膠、帶束層、外層、內(nèi)層、密封層300%定伸采用階梯型匹配方式，以適用輪胎各部位的應變狀況。具體指標見表1。

表1 航空子午線輪胎膠料300%定伸匹配

2.2 航空子午線輪胎膠料剛性的匹配

子午線輪胎變形時與胎面剛度、胎圈剛度密切相關，子午線輪胎的帶束層、膠芯膠、胎圈膠、子口護膠要求硬度高，以加強相應部位的剛性，膠料的硬度直接反應了各部位的剛性程度，以硬度表示子午線剛性配合更為確切。

胎肩和胎圈部位是子午線輪胎構件最為集中的區(qū)域，也是承受應力應變過渡最為明顯的區(qū)域。是重點解決的問題。

2.2.1 胎肩區(qū)域膠料的剛性分布

胎肩區(qū)是從剛性最大的帶束層端部過渡到剛性低的胎側，為了避免剛性的突然變化而產(chǎn)生的最大剪切變形和屈撓集中點，在主要帶束層的端點上部有一硬度高的墊膠或胎面，以此來確保帶束層的整體剛性；而位于帶束層之下的低硬度胎肩墊膠，則可吸收帶束層部分的變形，防止在帶束層端部產(chǎn)生最大應變的最大點，以保證胎側、墊膠與帶束層合理過渡。

2.2.2 胎圈區(qū)膠料剛性分布

整個胎圈是由剛性最大的鋼絲圈向柔軟的胎側過渡，為了使部件剛性逐漸過渡，避免出現(xiàn)變形突然轉移區(qū)，采用低硬度和高彈性的填充膠與高硬度膠芯膠配合方式，作為剛性過渡的部件，另外還要以胎圈加強層及子口護膠等部件增加胎圈下部的剛性，并在加強層的上端以高彈性的膠料填充，提高過渡區(qū)的耐屈撓疲勞性，整到一個由剛硬到柔軟的彈性整體，以保證耐久性能，膠料硬度匹配見表2。

表2 航空子午線輪胎膠料硬度匹配

2.3 航空子午線輪胎膠料硫化速率的匹配

航空輪胎胎體簾布少傳熱快，各部件膠料溫度歷程與斜交胎有明顯的差異，采用硫化機硫化子午胎時，從硫化膠囊方向的傳熱比外溫要快，且溫度要高，也就是胎體簾布層升溫最快，因此在設計胎體簾布層膠的正硫化時間，應該與胎面膠基本相同或者再慢些。才能不造成簾布層硫化過深而降低其性能，詳見表3。

表3 航空子午線輪胎膠料正硫化時間的匹配表

3 航胎主要部件配方設計

3.1 胎面膠

胎面是輪胎與地面接觸的部分，也是帶束層、胎體的保護層。需經(jīng)受特別苛刻的使用條件，在輪胎高速度、高沖擊、高負荷下，要求胎面膠具有優(yōu)異的耐磨耗性能，動態(tài)生熱也要低，以及具有較高的強伸性能和耐撕裂性能。為飛行安全，胎面配方還要求具有一定的導靜電性能。

在進行胎面膠配方設計時，采用正交試驗方法，對生膠體系、炭黑補強體系、硫化體系等進行變量分析，通過一系列試驗和綜合物理機械性能分析，決定生膠采用綜合性能好的全煙片膠生產(chǎn)，以提高膠料的強伸性能和耐撕裂性能。石墨烯作為新材料之王，應用在輪胎胎面配方中可大幅度提高膠料的耐磨性能和導靜電性能，并進一步降低了輪胎生熱，提高輪胎的使用壽命。在補強體系中選用強力高，伸長率大，耐磨耗性能好的超耐磨和中超耐磨炭黑并用。配方中使用脂肪酸鋅鹽類材料和聚萜烯樹脂和抗硫化返原劑等替代油類助劑和其它助劑，在利于胎面膠生產(chǎn)、分散和壓出的前提下提高膠料交聯(lián)密度，提高耐磨抗撕裂性能，并減少小分子物質(zhì)析出。氧化鋅和硬脂酸搭配提高硫化活性促進分散。使用化學防老劑中綜合性能好的防老劑4020、耐熱氧老化防老劑RD與物理防老劑微晶蠟搭配，增加防老體系的協(xié)同效應，提高膠料的耐熱氧老化和臭氧老化性能。硫化體系使用不溶性硫黃替代普通硫黃，減少硫化膠動態(tài)生熱和降低噴霜風險。

3.2 胎側膠

航空輪胎由于使用負荷大、承受較大的沖擊，使用下沉量大（輪胎下沉量在20%以上）。因此，航空輪胎胎側是側向變形最大的部位，導致其要承受較大的伸張應力，產(chǎn)生大應變下的疲勞。所以，胎側配方設計要求具有良好的耐老化性能、耐疲勞性能及抗屈撓性能。另外胎側還直接與大氣接觸，要求膠料耐天侯老化性能好。加工過程中還要求胎側膠具有較好的流動性和工藝黏性。

胎側配方設計中，我們采用煙片膠與高順式聚丁二烯橡膠并用的方案，提高胎側膠料的耐屈撓，抗龜裂性能。炭黑采用新工藝高結構爐黑和通用爐黑并用，在保證膠料定伸性能和柔順性的同時，提高膠料的耐撕裂性能和耐屈撓性能。配方中加入增黏樹脂提高膠料的自黏性，同時提高胎側膠與外層簾布膠的黏合強度，減少脫層。使用物理防老劑中性能好的雙峰防護蠟和化學防老劑4020/RD搭配使用，加強防老劑之間的協(xié)同效應，以有效防護熱氧老化、動態(tài)疲勞老化和紫外線老化。硫化體系選用環(huán)保型促進劑NS和工藝性能優(yōu)異的不溶性硫黃，采用半有效硫化體系使膠料具有較高的耐熱性和耐氧性。

3.3 帶束層膠配方

航空子午線輪胎帶束層較斜交胎的緩沖層承受更大的剪切力，因此膠料應有較高的拉伸強度、耐疲勞性、耐熱性以及與芳綸或芳綸/尼龍復合簾線的黏合強度，尤其是黏合性能是評價好壞的主要指標。為了得到最好的橡膠與芳綸或芳綸/尼龍復合材料的黏合性能，各大輪胎公司以及原材料廠家都進行了廣泛的試驗研究，總體上采用天然膠和間甲白黏合體系是獲得較好黏合體系的有效手段。間甲白增黏體系基本上是由間苯二酚、亞甲基給予體和白炭黑所組成。在硫化過程中，間苯二酚與亞甲基給予體產(chǎn)生樹脂化反應，同時橡膠分子也進行樹脂化交聯(lián)，這樣增黏劑起到協(xié)調(diào)硫化和參與交聯(lián)的作用，以增進橡膠與芳綸或芳綸尼龍復合簾線RFL滲漬乳膠層的黏合，研制配方膠與芳綸復合簾線黏合力H抽出達135 V/根，老化后達170 V/根：橡膠與芳綸黏合力H抽出達149 V/根，老化后達182 V/根，帶束層膠料與芳綸簾線黏合力H抽出高于膠料與芳綸／尼龍復合簾線，達到很好的黏合效果。

3.4 肩墊膠配方

為了將胎體簾布層與帶束層端點隔離，并使帶束層的弧度和胎面基本保持平行，減少芳綸或芳綸復合簾線承受的彎曲變形，起到轉移和吸收動態(tài)下胎肩最大的應力，因而在胎肩部帶束層下設計有一定形狀的墊膠，肩部墊膠處于胎冠到胎側的過渡區(qū)，它使胎肩平緩地過渡到胎側區(qū)，避免厚度突然變化引起肩部膠料的疲勞損壞。肩墊膠的特征主要為高彈性、低生熱以及較低定神強度。配方中以天然膠為主，配入40～50 份炭黑；硫化體系采用正常硫化體系。

3.5 胎體膠

胎體膠要求與骨架材料有良好的黏著性能，較低的生熱、耐疲勞，變形小。配方設計中采用全煙片膠配方，配方彈性高，生熱低，工藝性能好。補強體系采用低結構高耐磨炭黑和新工藝炭黑并用，使膠料具有較低的生熱和高的強伸性能。為保證胎體層間的黏合強度，應用部分增黏樹脂和抗撕裂樹脂。膠料與纖維簾線的黏合采用間甲體系，使膠料有較高的黏合強度和黏合保持率。硫化體系采用高硫低促體系，以提高膠料和骨架材料的黏合力。

3.6 填充膠

航空胎填充膠要求一般性能要求易于接頭、定伸模量適中、硫化速度快等特點。配方中選擇煙片膠作為主體材料，搭配低生熱炭黑，硫化體系設計中兼顧膠料的回彈性和低生熱，采用普通硫化體系。防老劑使用化學防老劑和物理防老劑搭配。

3.7 內(nèi)襯層膠

航空胎氣密層膠的性能要求是氣密性好、硫化速度與其它膠料匹配，半成品自黏性能良好。生膠體系選用綜合性能好的煙片膠，補強體系選用可以提供較高的拉伸強度和撕裂強度，而滾動損失較小的高補強型爐法炭黑。使用氧化鋅和硬脂酸作為活性劑。加入部分增黏樹脂提高膠料的黏性，防止脫層。防老體系選用化學防老劑和物理防老劑配用。硫化體系使用常規(guī)的硫化體系使硫化速度匹配。

3.8 鋼絲圈膠

鋼絲幅膠性能要求有與胎圍鋼絲良好的黏合性、覆膠性能好，較高的梗度，較高的定伸模量，強度和伸長率較低。配方生膠采用煙片膠和高順式聚丁二烯橡股并用其目的是使鋼絲表面附膠均勻，不易破斷，填充高份數(shù)炭黑，且以表面積小的通用炭黑為主，使膠料柔軟。

硫黃用量高，硫黃用量高還起增硬的作用。但需注意硫黃用量高可能導致膠料噴霜。

3.9 硬膠芯膠

硬膠芯膠性能要求半成品黏性好、硫化速度快、膠料硬度高，提高子口部位的挺性。這種膠料應具有較高的硬度，要獲得高硬度的膠料，從以下三個方面進行①適當增加炭黑用量；②不溶性硫黃量份數(shù)較多；③補強樹脂＋HMT有增硬和增韌作用。

3.10 子口耐磨膠

輪胎要求使用速度高、載荷大、壽命長，子口護膠位于輪胎胎圈與輪輞接觸的部位，需具備優(yōu)異的性能來滿足要求，為防止在輪胎轉動過程中輪胎與輪輞有相對滑移，胎圈部位與輪輞箍的很緊，子口護膠與輪輞緊密接觸，受力很大，需要子口護膠具備優(yōu)異的耐磨性能，防止胎圈被輪輞磨損。同時，航空輪胎胎圈部位剛性很大，需要子口護膠具備較高的硬度與其匹配，飛機在剎車過程中輪輞溫度會很高，還需要子口護膠具有優(yōu)異的耐熱性能。在配方設計中，選用煙片膠和高順式聚丁二烯橡膠并用，填充大量新工藝高耐磨爐黑，提高膠料的硬度和耐磨性能。配方中增加部分增黏樹脂，提高膠料間的黏合力。使用雙－馬來酰亞胺類抗硫化返原劑減少硫化膠的過硫后帶來的性能損失。硫化體系采用次磺酰胺類促進劑與不溶性硫黃并用半有效硫化體系。

4 子午線航空輪胎各部位膠料的物理機械性能

依據(jù)以上設計思路制備的各部位膠料，可滿足輪胎的各標準要求。各部位膠料的物理機械性能見表4。

表4 各部位膠料的物理機械性能

5 結論

面對國際航空輪胎發(fā)展趨勢的新格局與我國航空業(yè)發(fā)展需求，國內(nèi)航空輪胎業(yè)應增強自主研發(fā)能力，掌握關鍵技術，打破國外壟斷[3]。

5.1 加強研發(fā)隊伍建設，加大研發(fā)資金投入

航空輪胎業(yè)是技術和資金密集型產(chǎn)業(yè)，因此必須擁有一支高技術素質(zhì)的研發(fā)隊伍，盡快組建國家級航空輪胎研發(fā)中心，避免高水平人才流失。加大研發(fā)經(jīng)費投入，為提高企業(yè)核心競爭力提供必要的經(jīng)濟支撐。

5.2 加強基礎設計理論研究

以航空輪胎為研究對象，開展基礎設計理論研究，建立數(shù)學、力學和熱學模型，利用計算機技術和有限元仿真分析方法，分析輪胎結構和材料的力學性能，研究胎體和輪胎接地面的應力應變和溫度場分布，提出先進適用的航空輪胎基礎設計理論，用以指導航空輪胎設計。

5.3 加強新材料、新配方的研究和應用

國內(nèi)應加強新型骨架材料的研究以及在航空輪胎上的應用。錦綸簾線具有強度高、密度小、彈性好、吸濕率低和抗沖擊強度高等優(yōu)點，非常適宜用作輪胎的骨架材料。航空輪胎的骨架材料已普遍采用高強力和改性錦綸簾線。由于芳綸具有高模量、高強度、高熱穩(wěn)定性和質(zhì)量小等一系列優(yōu)異性能，近年來國外已采用芳綸以及芳綸/錦綸復合簾線作為航空輪胎胎體骨架材料和帶束層骨架材料，國內(nèi)應加緊芳綸以及芳綸/錦綸復合簾線在航空輪胎的應用。 加緊開展新型橡膠配合劑應用研究，如新型炭黑和白炭黑等橡膠補強材料以及各種新型助劑等，研發(fā)高性能航空輪胎膠料配方。

5.4 加強與飛機制造商合作

航空輪胎是飛機起落架上必不可少的部件，需要與起落架系統(tǒng)匹配良好，滿足飛機一系列使用性能要求。因此，航空輪胎企業(yè)應加強與飛機制造商的技術協(xié)調(diào)與合作，在飛機研發(fā)的同時，按照飛機的性能要求研發(fā)與之相配套的航空輪胎。