任振興，王鷺飛，韓 磊，馬麗華，王 君，徐 偉，劉 杰，孫 超

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，燃油汽車尾氣排放造成的大氣污染問題逐步得到遏制。但輪胎磨損會(huì)產(chǎn)生有害的微小顆粒物，也會(huì)造成環(huán)境污染。

輪胎是完全暴露在外界唯一與地面接觸的汽車部件。車輛能夠在路面上產(chǎn)生橫向、縱向等運(yùn)動(dòng)，完全是由輪胎與地面接觸的作用結(jié)果。在車輪滾動(dòng)過程中，由于輪胎與地面之間的相對運(yùn)動(dòng)，使輪胎的胎面、胎側(cè)和胎圈等部位受到應(yīng)力作用，根據(jù)能量守恒定律，在受力變形過程中必然消耗一定的能量。胎面磨耗是輪胎與地面在各種作用形式和環(huán)境條件下相互作用、胎面膠逐漸脫落的過程。胎面磨耗直接影響輪胎的使用壽命[1]。

1 輪胎磨耗的影響因素

1.1 外部因素

輪胎在使用過程中受到外部環(huán)境的影響，初期具有的機(jī)械性能、外觀、形狀等隨著使用時(shí)間的延長而發(fā)生變化。

在氧氣和臭氧的作用下，橡膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)與氧氣和臭氧發(fā)生反應(yīng)，使得膠料的物理性能下降。橡膠在高溫下會(huì)產(chǎn)生分解，低溫下會(huì)發(fā)生脆化現(xiàn)象。在外界高低溫度的影響下，當(dāng)受外力作用時(shí)橡膠會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部和外部的開裂等問題。在光的作用下橡膠也會(huì)劣化，橡膠分子鏈之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生斷裂，輪胎表面出現(xiàn)斷裂、發(fā)粘、硬化、噴霜和龜裂等現(xiàn)象。橡膠遇到油或有機(jī)溶劑時(shí)會(huì)膨脹，導(dǎo)致膠料的物理性能下降。油的擴(kuò)散速度隨著溫度升高而加快，因此在高溫下橡膠的劣化速度更快。

在外界因素的影響下，橡膠的彈性和抗撕裂性能等大幅降低，對輪胎磨耗產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，不同車輛的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)裝置以及駕駛方式和習(xí)慣等都對輪胎的磨耗產(chǎn)生一定的影響。研究表明[2]：輪胎的行駛速度越快、充氣壓力越小或負(fù)荷越大，胎面的磨耗速率越大；制動(dòng)和側(cè)偏工況下胎面的磨耗速率均遠(yuǎn)大于自由滾動(dòng)下胎面的磨耗速率。

1.2 內(nèi)部因素

由于輪胎是由多部件、多材料組合而成，不同的胎體材料、花紋角度、花紋飽和度等都對輪胎的磨耗產(chǎn)生一定的影響。

陳龍等[3]研究了花紋角度對輪胎磨耗的影響。結(jié)果表明：花紋塊的磨耗主要發(fā)生在前進(jìn)方向的側(cè)面，且與該側(cè)面垂直的前表面也易產(chǎn)生磨耗，在兩個(gè)表面交界處的磨耗最顯著；花紋磨耗偏角明顯影響花紋塊的耐磨性能，隨著花紋角度的增大，花紋塊同一位置區(qū)域磨耗寬度逐漸增大，磨耗表面形成的凹坑也逐漸變大；在仿真分析中，應(yīng)力分布可以表征花紋塊的磨耗程度。

龍飛飛等[4]研究了不同煉膠工藝對半鋼輪胎耐磨性能的影響。結(jié)果表明，采用新型煉膠工藝可以改善炭黑和白炭黑的分散性，提高胎面膠的耐磨性能。

2 輪胎磨耗機(jī)理

輪胎不僅承載汽車質(zhì)量，而且還起到驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的作用，因受到各方向應(yīng)力的作用會(huì)導(dǎo)致胎面磨耗。輪胎從剛開始的緩慢磨耗到最終的嚴(yán)重磨耗可分為不同的種類。

2.1 變形損失摩擦磨耗

不同路面的粗糙程度不同，由于路面的凹凸導(dǎo)致胎面部位的橡膠產(chǎn)生變形，車輛在行駛過程中，壓縮與回彈反復(fù)進(jìn)行，在這個(gè)過程中產(chǎn)生一定的能量損失，橡膠發(fā)生細(xì)小的劣化，輪胎產(chǎn)生輕微破損磨耗，一般為輪胎自由轉(zhuǎn)動(dòng)下產(chǎn)生的細(xì)小輕微磨損。

2.2 粘著摩擦磨耗

在制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力的作用下，輪胎與路面產(chǎn)生粘著摩擦力，在行駛過程中，輪胎與路面反復(fù)產(chǎn)生脫離與粘著，發(fā)生能量損失，橡膠表面產(chǎn)生磨耗。

2.3 彎曲摩擦磨耗

車輛在行駛過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)彎等情況，輪胎會(huì)沖擊路面，橡膠受到較強(qiáng)的剪切應(yīng)力而發(fā)生能量損失，輪胎產(chǎn)生鱗狀粗糙磨耗，輪胎表層至里層產(chǎn)生磨耗。

2.4 沖擊摩擦磨耗

車輛在混凝土和瀝青等粗糙路面上行駛時(shí)受到較強(qiáng)的剪切應(yīng)力作用，輪胎表面出現(xiàn)破損磨耗，路面越粗糙，車輛行駛速度越快，負(fù)荷越大，剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于胎面膠的拉伸強(qiáng)度，輪胎磨耗越嚴(yán)重。

3 輪胎異常磨損

3.1 胎肩磨損

輪胎兩側(cè)胎肩產(chǎn)生異常磨損的主要原因是輪胎充氣壓力偏低或輪輞寬度大于標(biāo)準(zhǔn)輪輞，因此輪胎在使用過程中需要及時(shí)補(bǔ)足充氣壓力且采用標(biāo)準(zhǔn)輪輞進(jìn)行安裝。胎肩異常磨損實(shí)例見圖1。

圖1 胎肩異常磨損

3.2 中心部位磨損

胎面圓周中心部位出現(xiàn)異常磨損的主要原因是輪胎充氣壓力偏高或輪輞寬度小于標(biāo)準(zhǔn)輪輞，因此輪胎在使用過程中需要及時(shí)調(diào)整充氣壓力且采用標(biāo)準(zhǔn)輪輞進(jìn)行安裝。中心部位異常磨損實(shí)例見圖2。

圖2 中心部位異常磨損

3.3 對角磨損

胎肩部位至對面胎肩部位出現(xiàn)一定角度或不規(guī)則角度磨損的主要原因是車輪定位異?；蛑苿?dòng)鎖死，因此輪胎在使用過程中需要定時(shí)對車輛進(jìn)行四輪定位。胎面對角磨損實(shí)例見圖3。

圖3 胎面對角磨損

3.4 羽毛狀磨損

胎面圓周方向呈羽毛狀或波浪狀磨損的主要原因是車輪定位異常、急側(cè)偏或車輛打滑，因此需要定期對車輛進(jìn)行保養(yǎng)定位。羽毛狀磨損實(shí)例見圖4。

圖4 羽毛狀磨損

3.5 偏磨

胎面圓周上一側(cè)產(chǎn)生磨損的主要原因是不適當(dāng)?shù)能囕喍ㄎ?、輪胎安裝不當(dāng)或沒有按輪胎交換時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行交換，因此在偏磨發(fā)生時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查輪胎的安裝是否合適，并對車輛進(jìn)行四輪定位。偏磨實(shí)例見圖5。

圖5 偏磨

4 出租車專用輪胎的開發(fā)

4.1 技術(shù)要求

參照GB/T 2978—2014，確定205/55R16 91V出租車專用輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：充氣外直徑（D′） 626 ～638 mm，充氣斷面寬（B′）205～223 mm，標(biāo)準(zhǔn)輪輞 6.5J，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力250 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 615 kg，負(fù)荷指數(shù) 91，速度級別 H，輪胎前輪要求使用壽命為12萬km。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

由于輪胎在充氣后會(huì)在橫向和縱向產(chǎn)生膨脹，不同B的輪胎在橫向和縱向產(chǎn)生的膨脹大小不同，一般高系列的輪胎，B方向的膨脹大于D方向的膨脹；低系列的輪胎主要是D方向的膨脹，B方向的膨脹小。

為保證成品輪胎的D和B滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，本次設(shè)計(jì)D取629 mm，B取219 mm。

4.2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b與輪胎的寬度息息相關(guān)，b過小，輪胎容易早期磨肩；b過大，容易發(fā)生肩空等問題。

為確保輪胎的耐磨性能，本次設(shè)計(jì)b取172 mm，h取8.7 mm。

4.2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

為了保證輪胎在使用過程中易拆卸和安裝，同時(shí)保證輪胎在高速行駛過程中不會(huì)產(chǎn)生脫圈問題，本次設(shè)計(jì)d取404.2 mm，C取182 mm。

4.2.4 胎面花紋

根據(jù)耐磨輪胎的行駛路況和使用條件，胎面花紋針對節(jié)距、花紋飽和度和花紋溝深度等進(jìn)行設(shè)計(jì)。合理的花紋塊形狀能保證花紋塊每個(gè)部位的強(qiáng)度均衡，避免異常磨損，提高操縱穩(wěn)定性；5種節(jié)距的引入會(huì)使各節(jié)距間的變化更加合理，節(jié)距序列更加穩(wěn)定，有效減小噪聲峰值能量；最佳的主溝位置與寬度設(shè)定能夠保持接地壓力均衡，提高耐磨和抗?jié)窕阅埽缓侠淼匿撈瑪?shù)量以及形態(tài)設(shè)定可以獲得更好的接地壓力分布；另外鋼片能有效地劃破水膜，使輪胎獲得更好的抗?jié)窕阅?；使用鋼片加封閉式胎肩設(shè)計(jì)，在保證更好的通過噪聲同時(shí)獲得更長的行駛里程；多節(jié)距數(shù)量設(shè)定，可以減小大節(jié)距尺寸，有效降低噪聲。

輪胎胎面花紋見圖6。

圖6 胎面花紋示意

（1）節(jié)距設(shè)計(jì)。采用5種節(jié)距，節(jié)距數(shù)量為70，平均節(jié)距寬度為28.2 mm。

（2）花紋飽和度設(shè)計(jì)。為提高輪胎的耐磨性能，采用較高的花紋飽和度，平均花紋飽和度為70%，橫向花紋寬度約為節(jié)距寬度的11%，中間兩條縱溝寬度為行駛面寬度的5.5%，肩部兩條縱溝寬度為行駛面寬度的5.8%。

（3）花紋溝深度設(shè)計(jì)。為保證輪胎的使用壽命，確保輪胎能夠達(dá)到目標(biāo)行駛里程，結(jié)合胎面膠配方的耐磨體系，模具中心花紋溝深度為8.5 mm。

4.3 施工設(shè)計(jì)

4.3.1 胎面

考慮到出租車行駛路況復(fù)雜的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的原則是平衡普通路面和苛刻路面的耐磨性能。通過重點(diǎn)設(shè)計(jì)胎面膠配方的生膠體系和補(bǔ)強(qiáng)填充體系，在保證普通路面耐磨性能的同時(shí)兼顧沙石等苛刻路面的耐磨性能。同時(shí)，胎面基部膠采用低生熱膠料，其厚度比普通輪胎胎面基部膠偏大，以避免輪胎行駛時(shí)間過長導(dǎo)致生熱過高而出現(xiàn)鼓包的問題。同時(shí)增大胎面整體厚度，以確?；y溝底基部膠厚度大于2.0 mm，較厚的花紋溝底膠能夠有效地避免輪胎在行駛過程中出現(xiàn)溝底裂的問題。

胎面膠配方特點(diǎn)如下。

（1）生膠體系：順丁橡膠（BR）由于分子鏈柔順性好，玻璃化溫度較低，具有優(yōu)異的耐磨性能，因此胎面膠通常采用40～45份BR（牌號9000），同時(shí)并用55～60份（以干膠計(jì)）乳聚丁苯橡膠（ESBR，牌號1723），其相對溶聚丁苯橡膠[5]在苛刻路面有更好的拉伸性能和抗撕裂性能，可以減少尖銳石子帶來的損傷，但在普通路面耐磨性能會(huì)有一定的損失。天然橡膠（NR）雖然強(qiáng)度高，但其耐老化性能較差，不利于后期磨耗，因此胎面膠配方不選用NR。

（2）補(bǔ)強(qiáng)填充體系：由于BR的模量和強(qiáng)度較小，需選用結(jié)構(gòu)性較高的細(xì)粒子炭黑來提高膠料的模量和強(qiáng)度，炭黑VQ和N234都具有較高的結(jié)構(gòu)度和較大的比表面積，但炭黑VQ的比表面積更大，補(bǔ)強(qiáng)性能和耐磨性能更好，因此胎面膠的補(bǔ)強(qiáng)填充體系采用68～72份炭黑VQ或炭黑N234并用5～10份高分散性白炭黑，白炭黑可以提高膠料的抗撕裂性能。但高結(jié)構(gòu)細(xì)粒子炭黑的分散相對困難，尤其是ESBR體系，炭黑分散性對膠料的耐磨性能產(chǎn)生影響，因此需要優(yōu)化混煉工藝，另外再增加2份加工助劑可以提高炭黑分散性。

（3）軟化增塑體系：除ESBR自身含油外，可再增加5份以內(nèi)的油，以平衡膠料的硬度，但油用量過大會(huì)降低膠料的耐磨性能。

（4）防護(hù)體系：防老劑6PPD/4020用量為2～2.5份，防老劑TMQ/RD用量為1～2份，防護(hù)蠟用量為1.5份。

（5）活化體系：氧化鋅和硬脂酸的用量為4.5份。

（6）硫化體系：硫黃和促進(jìn)劑的用量為3份，硫黃用量過大會(huì)生成不穩(wěn)定多硫鍵，對膠料的耐老化性能不利。

4.3.2 胎側(cè)、胎體和帶束層

由于出租車行駛里程高，日均行駛里程約為300 km，這就需要輪胎具有優(yōu)異的耐久性能，同時(shí)出租車行駛路況復(fù)雜，要求胎面和胎側(cè)具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。為提高輪胎的耐久性能，本次設(shè)計(jì)胎體采用2層1100dtex聚酯簾布，帶束層采用2層2×0.30ST鋼絲簾線。為減少耐久性能試驗(yàn)過程中胎肩部位帶束層端點(diǎn)重復(fù)剪切和胎側(cè)簾布反包端點(diǎn)處頻繁屈撓生熱，1#帶束層邊部加貼1層厚度為0.7 mm、寬度為20 mm的貼邊膠，同時(shí)1#胎體的反包高度增大，距離行駛面約25 mm。為提高胎側(cè)的抗撞擊性能，本次設(shè)計(jì)胎側(cè)厚度比普通轎車輪胎增大10%。

4.3.3 胎圈和三角膠

本次設(shè)計(jì)鋼絲圈采用直徑為0.96 mm的鋼絲，排列方式為4-5-4，安全倍數(shù)大于6。三角膠高度為35 mm。

4.4 成品輪胎性能

4.4.1 充氣外緣尺寸

輪胎的充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2018進(jìn)行測量。輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的D′為630 mm，B′為212 mm，達(dá)到了技術(shù)要求。

4.4.2 強(qiáng)度和脫圈阻力

輪胎的強(qiáng)度和脫圈阻力按照GB/T 4502—2023進(jìn)行測試。試驗(yàn)充氣壓力為180 kPa，國家標(biāo)準(zhǔn)要求輪胎的最小破壞能為295 J，最小脫圈阻力為8 890 N。經(jīng)測試，輪胎的破壞能為551 J，脫圈阻力為12 460 N，兩項(xiàng)性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4.3 高速性能

輪胎的高速性能按照GB/T 4502—2023進(jìn)行測試。試驗(yàn)條件為：充氣壓力 280 kPa，負(fù)荷率為80%，要求在（38±3） ℃的溫度下停放3 h以上。輪胎高速性能試驗(yàn)步驟見表1。

表1 輪胎高速性能試驗(yàn)步驟

經(jīng)測試，輪胎的高速性能通過270 km·h-1×2 min階段，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)要求（≥240 km·h-1）。

4.4.4 耐久性能

輪胎的耐久性能先按照GB/T 4502—2023進(jìn)行測試，超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求（≥34 h）后再按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。試驗(yàn)條件為：充氣壓力180 kPa，要求在（38±3） ℃的溫度下停放3 h以上，試驗(yàn)速度 120 km·h-1；低氣壓下行駛時(shí)間≥1.5 h，低氣壓為140 kPa，要求在（38±3） ℃的溫度下停放3 h以上，試驗(yàn)速度與常規(guī)耐久性能試驗(yàn)相同。輪胎耐久性能試驗(yàn)步驟見表2。

經(jīng)測試，輪胎的累計(jì)行駛時(shí)間為60 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎未損壞，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4.5 實(shí)車行駛里程

選擇205/55R16 91V燃油出租車為試驗(yàn)車型，整車4條輪胎換裝，路試期間不更換輪位，試驗(yàn)地點(diǎn)為青島市，城市鋪裝路面約占90%，高速道路約占10%，中長途距離為50～500 km，短途距離小于50 km，車輛平均行駛速度為60 km·h-1，載質(zhì)量小于0.7 t，輪胎充氣壓力為250 kPa。

經(jīng)過約14個(gè)月的實(shí)車行駛里程試驗(yàn)，輪胎的行駛里程約為11萬km，前輪平均磨耗量為3.4 mm，平均單位磨耗里程為33 000 km·mm-1；后輪平均磨耗量為2.2 mm，平均單位磨耗里程為51 600 km·mm-1，預(yù)計(jì)輪胎前輪的使用壽命約為20萬km，后輪的使用壽命約為27萬km。

5 結(jié)語

輪胎對汽車的承載、操縱和制動(dòng)等起到?jīng)Q定性的作用，輪胎的耐磨性能越好，不僅能夠節(jié)約汽車的使用成本，更能降低空氣中有害顆粒的排放，減少大氣污染。輪胎的耐磨性能受內(nèi)部和外部等因素的影響，同時(shí)輪胎的結(jié)構(gòu)和配方等都對輪胎的耐磨性能產(chǎn)生重要影響。205/55R16 91V出租車專用輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度、脫圈阻力、高速性能和耐久性能均達(dá)到相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)輪胎的耐磨性能滿足出租車行駛里程需要。