橡胶子午线轮胎安全性能研究

igeyowdagu

【摘要】轮胎作为汽车的主要部件之一，是汽车和路面之间进行连接的桥梁。其能够承载汽车的载荷，向地面传递汽车所发出的驱动力、转向力和制动力，确保汽车的安全运行。因此汽车轮胎的安全性能直接影响到汽车的行驶安全。基于此，笔者重点探讨了橡胶子午线轮胎的安全性能。
【关键词】橡胶轮胎；安全性能；研究
一、橡胶子午线轮胎概述
（一）橡胶子午线轮胎的主要结构
子午线轮胎的主要结构是由胎面、胎体、胎侧和胎圈共同组成的。第一，胎面。主要是由胎冠胶及胎侧胶两部分组成的，其外侧和地面接触的部位成为轮胎的胎冠，轮胎的胎面胶又可以分为上层冠部胶和下层基部胶。胎冠胶直接和地面进行接触，因此其应该具备较好的耐磨损和耐切割的性能及抗打滑性能和较小的滚动阻力，且能够及时传递车轮的制动力和气动力。位于花纹沟底部的基部胶，主要作用在于缓冲地面成传递来的冲击力和震动力，一般是由耐热及耐剪切的橡胶做成的。胎侧胶的主要作用在于保护侧部骨架材料，确保其在使用的过程中不受到损伤，其一般是由屈挠性较好且耐热氧和太阳光紫外线老化的橡胶构成的；第二，胎体。胎体主要是由轮胎的帘布层所组成的，属于轮胎的骨架结构，帘布层的强度决定了轮胎的强度。子午线轮胎的帘线排列不同于斜胶胎，子午线轮胎的帘线不是相互交叉排列的，而是与轮胎断面接近平行，帘布层的两侧边缘靠近胎圈部的钢丝圈被固定在了轮毅的凸缘和轮毅的底座上，因此其可以使它保持轮胎的内压有支撑的载荷及确保胎壁不漏气；第三，胎侧。胎侧的主要作用在于保护轮胎的侧面的帘布层不受损伤，不承受较大的应力，也不和地面直接接触，其一般不会受到磨损，且厚度较小。因胎侧需要不断承受弯曲和伸缩，其必须具备较好的耐疲劳性及耐阳光老化；第四，胎圈。胎圈主要是由钢丝圈、钢丝圈包补和三角填充胶组成。其主要用途是确保轮胎紧密的固定在轮毂上，且能够承受不同的载荷，以避免轮胎穿孔时从轮毂上脱落。
（二）橡胶子午线轮胎的特点
第一，减震性能好。子午线的轮胎的胎体帘线呈现子午排列，其和轮胎的变形方向一致，能够有效利用帘体的强度，减少帘布层的数量和橡胶的使用量。因此轮胎的重量相对较轻，胎体较薄，行驶过程中比较平稳；第二，耐磨性能好。周向排列的带束层能够加固胎冠，确保轮胎周向不伸张，有效减少了轮胎滚动中产生的胎面滑移磨损，能够提高胎面的抗机械损耗及耐磨性；第三，抓地性好。因子午线轮胎的胎体较为柔软，胎面和路面的接触面积较大，接触应力的分布也较为均匀，胎冠的刚度较大，胎面周向滑移较小，所以其具备较好的抓地性能；第四，行驶温度比较低。由于胎体帘布层呈现子午线型排列，轮胎在行驶过程中能量消耗较少，生热也比较低，且胎侧较薄，散热性能比较好；第五，使用寿命比较长，其综合寿命要高于普通斜交轮胎近50%-100%；第六，乘坐舒适性较好。胎侧具备良好的柔软性，能够发挥充气轮胎的最佳缓冲性。
二、子午线轮胎失效的主要影响因素
（一）子午线轮胎的胎面磨损
轮胎产生磨损的机理主要有以下几种方式：第一，弹性磨损。当路面的微凸体的尺寸比较小。光滑性较好，轮胎和路面接触中产生的应力也相对较小，轮胎和路面在摩擦过程中产生的主要是弹性变形。如果作用在轮胎胎面橡胶内部的拉应力或者剪应力的大小超过了其抗拉或者抗剪强度，橡胶内部或者表面就会产生裂纹。随着弹性变形的增加，裂纹也随之增加和扩散，指导橡胶颗粒从轮胎表面上脱落，进而形成磨粒。这就是弹性磨损，该磨损面产生的橡胶磨粒的尺寸是比较大的。第二，塑性磨损。若路面的微凸体尺寸较大，且较为锋利，轮胎和地面接触的后死后应力的集中也会较大。若轮胎和路面上的微凸体之间的接触应力超过了胎面橡胶的屈服应力，则轮胎的生塑性变形将占据轮胎和路面磨损过程中的主要部分，该类磨损称之为塑性磨损，其产生的磨粒尺寸一般较小；第三，机械—化学腐蚀磨损。因为橡胶材料是热的不良导体，所以在橡胶的弹性滞后作用和轮胎与路面之间的高摩擦力的作用下，导致轮胎表面层的温度会急剧的升高，进而使得某些因为摩擦力的作用而急剧地伸长的橡胶分子链因此而断裂。
（二）子午线轮胎的疲劳破坏
轮胎的疲劳现象是一种常见问题。当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用之后，其应力的大小虽未超过材料的强度极限，甚至相比较弹性极限还要低的时候就极为可能发生破坏。材料或者结果在这种变载荷及重复作用的条件下发生的破坏现象，即为疲劳破坏。橡胶轮胎的使用寿命中最为关键的因素就是轮胎的疲劳，由于轮胎在行驶过程中轮胎各部分的产生很大的应力应变，进而导致了轮胎的疲劳问题。
（三）轮胎滚动中的生热
子午线轮胎是一种复合材料结构，它是由橡胶及橡胶一帘线复合材料构成的，帘线以及橡胶全都是强粘弹性的材料。在轮胎滚动的过程中，由于轮胎复合材料所受到的周期性的应力和应变，轮胎中将有一部分的应变能会以热的形式耗散掉，从而导致了轮胎体内热量的累积，轮胎温度将会提高，加快了轮胎损坏。
（四）轮胎的划伤及裂纹
轮胎在使用过程中受到道路不良情况的影响，轮胎在行驶的过程中与坚硬的物体之间发生了滑移，从而使得轮胎开始发生局部开裂或脱落，进而形成划伤。划伤和裂纹的产生是橡胶轮胎材料所受到的应力值超过了其所能承受的极限值所产生的结果，划伤和裂纹很大的时候会进一步导致帘布层的折断、胎壁刺穿和胎体爆裂。
（五）轮胎受到的腐蚀作用
因为橡胶轮胎所使用的橡胶是有机物，以及相似相容原理，会受到油料及其他腐蚀性物质的腐蚀破坏，这也是轮胎常见的失效因素之一。橡胶轮胎若受到油料的腐蚀，就会出现气密层块状脱落，胎面出现小面积的橡胶脱落及胎体钢丝和橡胶脱落等现象。
（六）轮胎气压的影响
要想充分的发挥轮胎的基本性能，其中最基本但也是最重要的事情就是适当且正确的进行轮胎气压的充气。在有适当压力的情况下轮胎才会具备适当的充气形状，轮胎的各种性能才可以依据所设计的性能要切得到充分的发挥。
三、不同胎面磨损对轮胎的安全性能影响
由上文的分析我们可以得知，影响轮胎失效的因素是较多的。这里我们仅讨论不同胎面磨损对轮胎安全性能的影响。当轮胎和地面接触的时候，接触的部分的胎侧向外膨胀，产生相对较大的变形，随着原理地面变形逐渐减小到一定的数值。与纯充气工况相比较，与地面接触的部位的应力应变变形都有所增大，在胎圈附近及胎肩部位存在较大的剪切应力应变和应变能密度，这将导致汽车轮胎在长时间的超载高速运行过程中产生较大的热量，且散热相对较慢，这就会促使这些地方随着时间的推移而逐渐产生层间剥离和爆破等危险。随着垂直荷载的增加，轮胎最低断面处的侧向变形逐渐增加，最低处断面的宽度随着荷载的增加而逐渐呈现出接近于线形的增加。同时随着胎面的不断磨损，轮胎的应力应变等都相应增加，这样就导致轮胎受到破坏的可能性增加，进而导致轮胎的安全性能降低，严重的威胁到了人们的生命财产安全。
综上所述，轮胎作为汽车主要的部件之一，其汽车和路面进行连接的桥梁，其安全性能直接影响到汽车的行驶速度及行驶安全。由于影响汽车轮胎安全性能的影响因素较多，在实际研究过程中，我们应结合轮胎的具体使用情况及导致其失效的主要因素，采取针对性的措施加以解决，确保轮胎的安全性，进而确保行车的舒适性和安全性。
【参考文献】
[1]辛振祥，邓涛，王伟.现代轮胎结构设计[M].北京：化学工业出版社，2011
[2]俞淇等.子午线轮胎结构设计与制造技术[M].北京：化学工业出版社，2006