芳綸簾線在半鋼子午線輪胎中的應用及室外場地實驗

趙淑霞，秦增輝，茍金峰，李光亭，尚榮武

( 山東萬達寶通輪胎有限公司，山東 東營 257500)

自1895年米其林首個充氣輪胎問世，輪胎制造業取得了快速發展與提升，出現了許多優質輪胎，全球輪胎制造商也相繼建立起完整的、高效的生產線，滿足了汽車制造對輪胎的需求。進入新世紀，隨著我國汽車的普及，汽車進入普通家庭，越來越多的人開始追求高品質及環保輪胎，并且越來越重視輪胎的骨架材料，據相關研究顯示，使用芳倫簾線作為輪胎框架結構，能降低纖維材料的數量，降低生產成本。因此，有必要在相關研究的基礎上，對芳倫簾線作為輪胎框架結構的輪胎進行實車使用實驗，為進一步研究提供實證依據。

1 半鋼子午輪胎的特點

半鋼子午線輪胎是子午線輪胎的一種，子午胎名字的得來是因為里面的鋼絲的排布就像子午線一樣交叉，故得名。一般而言，轎車胎都是半鋼子午胎，全鋼一般是指卡車胎，當然也有特殊的，比如輕卡胎，一般為半鋼，也有部分全鋼的，還有現在大力發展的全鋼工程車胎。所謂半鋼和全鋼的區別，半鋼是指胎面部位用鋼絲來作為補強層，胎體是用尼龍或者聚酯材料；全鋼，除了胎面，胎體也全部是用鋼絲來承擔力。子午胎是相對于斜交胎而言的。斜交胎的支撐受力（專業術語叫骨架材料）的主要材料是尼龍。

2 輪胎骨架材料的分類與芳綸簾線和其他簾線材料對比

在橡膠制品中，骨架材料是其中的重要受力層，決定了使用的性能、時間及價值。較為優質的骨架材質，應具有以下性能：抗疲勞；高強度和模量；蠕變、密度較低；抗高低溫、抗氧化以及能阻燃等特性。汽車輪胎的骨架材質一般有四種類型，都有其長處與缺陷。

（1）人造絲簾線有出色的耐高溫性能，且收縮性低，其尺寸穩定性比錦綸及聚酯簾線更加優越，因此在子午線輪胎胎體上的應用更加廣泛，可以提供更好的操縱性能。然而，由于其濕強度較低，容易導致生產過程中的污染。

（2）聚酯簾線由于其有特殊特征，其模量、硬度、伸長率、熱收縮率、尺寸的穩定性以及干濕程度均較為理想，耐疲勞、抗沖擊特性遠超過人造絲簾線，然而，隨著溫度上漲，也可能出現胺解現象。

（3）錦綸簾線也具有許多出色特性，如較高的強度、較小的相對密度、發生滯后的虧損較小、較低的吸水率、較高的濕強度及良好的彈性，它的耐屈撓性能超過了人造絲的十倍，在抗疲勞方面也更勝一籌。然而，其最大問題在于具有較大的熱收縮率，較弱的熱穩定性及尺寸穩定性。

（4）近幾年，由于芳綸簾線具備良好的耐熱、堅固、高模量、不易變形，其應用范圍越來越廣泛，既可以減輕輪胎的重量，又可減小滾動摩擦阻力，同時還可改善輪胎的抗撕裂、抗磨損等性能。如表1，不同的骨架材料具有不同的特點。

表1 輪胎常用骨架材料的性能對比

根據表1 的數據，芳綸簾線材料在-200～200 ℃之間依舊維持良好，即使在抗張強度不變的情況下，也能夠顯著降低橡膠制品的重量，從而滿足極端環境的需求。芳綸簾線有著較好的抗蠕變、耐疲勞、熱收縮低以及抗化學腐蝕特性，它不僅能夠大幅提升橡膠的尺寸穩定性，還能夠大大增加其使用時間，所以，芳綸簾線無疑十分合適作為輪胎的支撐材料。

3 芳綸簾線骨半半綱子午輪胎室外場地實驗

隨著芳綸簾線的優異特性，已被廣泛應用于輪胎制造中，為檢驗其在半鋼子午線輪胎中的使用效果，進行了一系列的室外實車實驗，以期獲得更好的結果：

3.1 客觀性能測試

客觀性能試驗是運用相關技術指標衡量車輪特性，包括噪聲、干濕制動等，可以對輪胎骨架性能進行客觀評價。

（1）濕地制動功能

為提高濕地行駛的安全性，須對輪胎進行特殊處理。其中，最重要的是改善胎面花紋及配方設計。輪胎的花紋最重要的作用是用來排水，一般來說，V 字形單導向花紋或者帶有較深周邊溝槽的直線型花紋能快速清除輪胎表面的積水，恢復行駛時輪胎表面和道路的接觸。

（2）干地制動特性

汽車行駛的路面最常見的是干地，在干旱的道路條件下提高干地性能，確保汽車行駛安全，顯得尤為重要。通過干地制動測試，我們可以更好地了解輪胎的干地性能。為了提高輪胎的干地制動性能，可以采取措施，如擴大胎面的觸地面積，減小膠的硬度，以及其他措施。

（3）通過噪聲檢測輪胎性能

為了有效地減少輪胎的噪聲，設計者應該對其表面花紋及其組成部分進行改進。其中，可以使用變節距的技術，以減少輪胎滾行時產生的固有頻率，并應用計算機模擬計算對節距進行優化，更好的抑制噪聲。在經過嚴格檢驗的場景中，經驗豐富的駕駛員可以清晰地觀察到來自外界的各種噪音，包括輪胎發出的噪音。這些噪音能在胎體、車輪以及骨架中傳播，也會和汽車的其他零件一起發生振動，增加噪音量。汽車駕駛員可以從輪胎的反饋信息中獲得有關輪胎性能的信息進而檢測輪胎的等級。例如在低速行駛中的嗡嗡聲、在平坦道路表面的刺耳鳴叫。由于各種噪聲，輪胎的設計變得更為復雜。通過提高輪胎面膠的厚度，同時盡可能減小三角膠的硬度，可以獲得在粗糙道路表面噪音的消減，但這樣做也輪胎的滾動阻力也會增加，從而損害汽車行駛的平穩與可操控性能。

3.1.1 試驗要求

（1）在進行測試時，道路應該是光滑的。此外，在進行車外噪音檢測和濕地制動時，道路也應該符合ISO 標準。

（2）在沒有雨水和霧氣的情況下，將實驗的環境溫度控制在5～40 ℃之間的范圍，路面的溫度控在在5～50 ℃之間的范圍，其中路面溫度基本穩定變化要小手10 ℃以下，同時，風速要小于5 m/s。

3.1.2 干地/ 濕地制動測試

（1）測試儀器和要求：①使用的VBOX 數據采集器必須具備以下功能：可以準確地檢測出實際汽車的瞬時速度、剎停時間以及剎停距離；②其檢測速度以及距離的準確率必須達到1% 以上，而時間檢測準確率則必須達到0.1 s 以上；③在檢測剎停時，其檢測踏板制動力準確率必須達到1% 以上。輪荷儀的準確性必須保持在±5 kg 的范圍之內。

（2）實驗時對輪胎的要求：①測試輪胎必須按照輪胎生產商指定的位置安裝，并且記錄輪胎的寬度數。②輪胎的總成必須保證合理的動平衡。③對于新輪胎，在進行測試以前必須經過輪胎的磨合。輪胎的磨合程度大約相當于在一般公路上駕駛100 km。④若安裝舊輪胎，那么舊輪胎必須具備良好的花紋，其中花紋的深度要達到50% 以上。⑤此外，在試驗開始之前，輪胎必須預先行駛最少5 km，以保證輪胎的溫變。

（3）輪胎的負荷要求：經過實驗測試，輪胎的負荷指數不小于（65±5）%，其中，單個輪胎的負荷值不得低于負荷指數的50%，不得高于90%。

（4）標準型的壓力范圍在210±10 kPa 之間，而增強型的壓力范圍則在250±10 kPa 之間。

（5）試驗的操作步驟：①在實驗中，車輛起始速度要在80 km/h 為宜，并將其制動速度穩定地操控到80±1 km/h 范圍內。②當實驗車輛進入實驗范圍，立即采取措施，將踏板力維持到400±50 N 之間，以確保汽車能停止。③在這項實驗中，采用了一種單向的方法，并且要求重復完成五次。

（6）整理記錄每次試驗的制動距離和時間。

（7）測試的結果：經過5 次測試，我們得出了輪胎的制動性能。在干地上，制動速度在100 km/h 到0之間，而在濕地上，制動速度應該在控制在80 km/h到20 km/h 之間為宜。

3.1.3 通過噪聲測試

（1）測試方法

當汽車發動機停止運行并在變速器空擋時，汽車分別按照60 km/h、70 km/h、80 km/h 和90 km/h 經過測試場所，觀察它們經過的每個測量點時，麥克風上的最大聲壓強度。在不同的運動狀態下，應該進行3 次以上的測量。為了確保準確性，麥克風的安裝應該在離地面1.2±0.02 m 的范圍內，并且離車輛的正中央7.5±0.05 m。

（2）測試結果

必須對測試的結果認真分析，畫出壓級和速度對數之間的回歸曲線，從而可以獲得80 km/h 的聲壓級，并更好地反映出輪胎的噪音特性。

3.2 主觀性能測試

主觀性能測試是一種重要的汽車測試技術，它旨在評估汽車在戶外環境下的行駛性能，包括輪胎的平順度、振動和噪音水平、轉向精度、操控靈活性以及穩定性等，以上都是汽車駕駛員非常重視的性能指標。

3.2.1 試驗要求

在實驗室中，對實驗場所以及環境設備的要求要與客觀性的能測驗保持一致。

3.2.2 測試內容

（1）測試項目內容。測試項目內容請參考表2。

表2 主觀測試項目

（2）測試結果評分。通過十分制評分方法，將全部測試項目內容進行評分，將7 分當做基準分，±0.25分當做一個等級，將這些分數的平均分可以當做輪胎主觀性能的最終分數，作為對輪胎實際性能的評定。從表3 可以看出每個分值的獨特含義。

表3 各分值對應的含義

3.3 測試數據對比

在這個戶外環境中，使用的是235/55R18 以及255/50ZR19 兩種不同的輪胎，并且為尼龍840D/2 以及芳綸1000D×1/ 尼龍840D×1 這兩類不同的冠帶條簾線提供4 條個不同的輪胎配置。為確保實驗準確性，使用的是同一個駕駛員和汽車，并沿著同一道路進行實驗，以減少外界環境（如溫度、濕度、風速）的變化，以確保實驗的準確性。

3.3.1 客觀數據對比

經過表3 發現更換芳綸混紡簾線會使輪胎的干地制動效果稍微改善，但改善的程度并不明顯。濕地制動以及通過噪音這兩個簾線的效果各有利弊。研究表明，影響干地制動的關鍵在于胎面特點以及60% 的接地覆蓋面積。兩個冠帶條簾線輪胎的表面結構特點幾乎一致，而60% 的接地覆蓋面積也幾乎一致，這就使得它們的制動效果幾乎沒有差異。兩個冠帶條簾線的胎面配方、花紋排水功能都對濕地制動有著重大的作用，這兩種性能的一致性使得濕地制動性能基本一致。通過進行客觀的性能測試，我們可以看到相關的差異，詳情請見表4。

表4 客觀性能測試中的數據對比

3.3.2 主觀數據對比

根據表4 的兩種不同的材料的主觀性能測量結果，我們發現尼龍簾線與芳綸混紡的整體效果大致一致，但是前者的轉彎特性略勝一籌，而芳綸混紡簾線的操控流暢度、振動以及噪音等指標略占優勢。根據實驗，我們可以看到主觀性能的差異，詳情請參見表5。

表5 主觀性能測試數據對比

根據表5 的結果發現，汽車的轉向性能與輪胎的橫向剛度以及肩部接觸的印跡面積密切相關。當這些指標較高時，汽車的轉向性能就會更優秀。相比之下，尼龍簾線的橫向剛度以及肩部接觸的印跡面積略微更高，這也會更有利于汽車的轉向。汽車輪胎的徑向剛性影響了汽車的行駛穩定性、振動以及噪音，其數值高的對汽車的這些特性越好。隨著芳綸混紡簾線的徑向剛度增加，可以快速地衰弱受到的沖擊或進行傳播，從而提升車輛的行駛穩定性、振動及噪音水平。經過比較，兩種冠帶條材質的性能幾乎沒有區別，因此它們的主觀性能幾乎沒有任何不同。

3.4 室外場地實車測試結論

經過精心挑選，選擇的兩種不同規格的尼龍與芳綸混紡簾線當做冠帶條，并對它們開展主客觀性能對比實驗。經過對測試結果的綜合分析，發現芳倫簾線能夠提供出色的操縱性能，從而實現汽車工業的需求，并且能廣泛應用在各種輪胎的生產中。

4 總結與展望

本文通過回顧半鋼子午輪胎的特點，輪胎骨架材料的基本分類，根據相關研究對芳綸簾線和其他簾線作為輪胎骨材料的性能對比，并對芳綸簾線輪胎與其他輪胎進行了室外場地實車實驗分析，從而使得以上研究結果。如今，市場中對于汽車輪胎有著更高的性能要求，也更加關注骨架材料的性能，然而市場上芳綸簾線應用依然有限，隨著汽車輪胎行業的轉型升級，芳綸簾線作為輪胎骨架材料將有更為廣泛的應用。