低滚动阻力轮胎的设计和开发探讨.docx

低滚动阻力轮胎的设计和开发探讨陈忠茂罗吉良（广州市华南橡胶轮胎有限公司）节能是未来汽车的发展方向，目前，欧盟各成员国、美国等已纷纷立法，对轮胎的滚动阻力提出限值 要求，希望通过轮胎的技术进步，进一步降低汽车的 燃料消耗和废气排放。 低滚阻轮胎是指比现有的子 午线轮胎滚动阻力更小、耗油更低、 更耐磨、 车辆乘 坐更舒适的新一代轮胎产品，凸现了环保、 节能、 新 工艺、新材料等多方面的优势，是轮胎技术进步的集 中体现。 据米其林公司估算，如果世界上所有的轿车 和载货车都配备了低滚动阻力的轻质轮胎， 每年可 节约 200 亿升燃油，减少 5000 万吨 CO2排放。轮胎的滚动阻力受其结构、重量、骨架材料特性及使用条件等因素的影响， 要降低滚动阻力， 需综 合考虑各影响因素，同时保证轮胎的安全性能，即要 先确保不降低轮胎的抗湿滑性。 本文从轮胎的结构 设计、 材料选择两方面来探讨降低轮胎滚动阻力的 途径。因为轮胎断面宽增加时，其胎侧部位刚性减小，使对滚动阻力影响较小的侧部变形增加， 对滚动阻力影 响较大的胎面部位变形减小。 另外，随着轮胎断面宽 度的加宽， 胎面、 带束层等主要部位的能量损失减小。因此，加大轮胎断面宽度对降低滚动阻力有利。3.三角胶高度低端化如果胎圈部位的三角胶高度增高， 则滚动阻力也会增加。 因为随着三角胶高度的增加，胎侧下部的能量损失也增加。 而且会因胎侧的刚性增加而使胎 侧部变形减小，胎面的变形相对增大，从而导致滚动 阻力增加。4.胎冠弧半径增大化胎冠弧半径增大时，可降低轮胎的滚动阻力。 当 胎冠弧半径增大时，轮胎产生平面接地屈挠变形，使 因轮胎断面方向的屈挠变形所产生的应变能变小 。 也就是说，滚动阻力随着胎冠弧半径的增大而减小。5.有限元分析法作为轮胎结构研究， 不能仅凭过去的直觉和经 验， 还要采用计算机模拟技术来加速低滚动阻力轮 胎的开发。 目前，已经开发出通过用有限元法模拟轮 胎滚动阻力，进行低滚阻轮胎设计的方法。 有限元法 采 用 橡 胶 材 料 的 能 量 结 构 方 程 式 已 有 数 十 年 的 历 史，已从线性弹性方程式过渡到 Mooney-Rivlin 方程 式，最近还在大变形领域引入了非线性结构方程式。 作为以轮胎为代表的许多工业橡胶材料使用的填充 橡胶，在 0%100%的应变领域中的储能模量、损耗模 量和 tan 这些粘弹特性使应变具有非线性， 一般被 理解为佩因效应(弗莱彻-金特效应)。 损耗因子（tan） 为 粘 性 响 应 （ 损 耗 模 量 ） 与 弹 性 响 应 （ 储 存 模 量 ） 之 比，其值越小，滚动阻力越低。 考虑这一点的非线性 结构方程式近几年也被提出来了。 在正常车轮转动一、低滚动阻力轮胎的结构设计1.胎体结构子午化轮胎结构大体可分为两种， 即子午线结构和斜 交结构。 子午线结构与斜交结构的根本区别在于胎 体层与带束层。 斜交胎的胎体为非径向排列，带束层 也不像子午线结构那样采用周向排列的钢丝帘线， 子午胎的这种结构使帘线强度能够得到充分利用， 使其帘布层数比斜交胎少 40%50%。由于子午胎胎体的特殊结构， 使其在行驶中对路面抓地力很好，与斜交胎汽车相比，耐磨性可提高50%100%，滚动阻力降低 20%30%，从而可以节约 油耗约 6%8%。2.轮胎断面宽度增大化轮胎断面宽度增大，滚动阻力呈下降趋势。 这是38中国橡胶状态下，应变在轮胎变形中也占大部分，控制该应变领域的黏弹性对控制轮胎滚动阻力也尤为重要。 实 际上，通过将表示填充橡胶在 0%100%的应变领域 的储能模量、损耗模量、tan 这些粘弹特性的非线性 粘弹性结构方程式应用于 FEA， 可使轮胎滚动阻力 的预测精度较传统预测有大幅度的提高。 因此，降低 轮胎滚动阻力的轮胎结构设计、 新材料开发和配方设计的精度和效率就相应地得到提高。轮胎结构参数对滚动阻力的影响并非完全独立 作用，而是相互有所牵制，单独改变某个参数难以达 到理想效果， 优秀的结构设计需要全面考虑各项参 数和材料的配置。特种天然橡胶。与NR 相比，ENR 具有完全不同的粘弹性和热力学性能，如具有优良的气密性、粘合性、耐湿 滑性和良好的耐油性。 ENR 可与极性填充剂(如白炭 黑) 强烈结合， 在无填充剂时，ENR 硫化胶仍能保持 NR 所具有的高模量和拉伸强度。 ENR50 具有良好的 耐油性和阻尼性，在轮胎胎面胶中应用时，在没有偶 联剂的情况下，ENR 与白炭黑强的相互作用是提高滚 动阻力和湿抓着力综合性能的重要因素，ENR25 与白 炭黑/炭黑填充剂混合可获得最佳的耐磨性。接枝天然橡胶目前研究得最多的是甲基丙烯酸甲酯 (MMA)与 NR 接枝共聚，MMA 接枝 NR 后，其拉断伸长率变大， 硬度提高，且具有良好的抗冲击性能、 耐屈挠龟裂、 动态疲劳性能、粘合性和较好的可填充性。 工业上主 要用来制造具有良好冲击性能的弹性制品， 如无内 胎轮胎中的气密层等。 如果与丁苯胶共混，可用作胎 圈三角胶胶料， 其生胶强度及与钢丝圈的粘合力明 显提高，并能增加钢丝圈的挺性，保持钢丝圈的形状 稳定。（2）溶聚丁苯橡胶(SSBR)溶聚丁苯橡胶 （SSBR） 具有较窄相对分子量分 布、较大的相对分子质量和优异的分子链特性，故其 滞后损失较乳聚丁苯橡胶（ESBR）小，且其玻璃化温 度可以通过在聚合过程中改变主链结构进行控制 ， 即改变苯乙烯基、乙烯基和顺反式结构单元的比例。 在聚合物的生产过程中， 通过添加其它的化学助剂 来改变聚合物的链节终端， 显著增强聚合物与炭黑 之间的作用，减少填料与填料之间的作用，从而可减 低轮胎的滚动阻力。（3）SSBR 的改性体SSBR 通过分子设计和链结构的优化组合，可以 产生 3 种改性的的产品： 一是异戊二烯-丁二烯-苯 乙烯共聚物(SIBR)，二是渐变式序列结构分布的嵌段 型 SSBR，三是硅烷改性 SSBR。 以上三种改性 SSBR 都将是以后轮胎生产的发展方向， 都能较好地降低 轮胎的滚动阻力。（4）聚氨酯弹性体与橡胶相比， 聚氨酯弹性体具有更优异的耐磨 性能、较高的撕裂强度和较宽的硬度范围等特性，是 低滚动阻力轮胎胎面的理想材料， 但由于诸多关键 技术问题没有得到解决， 聚氨酯作为胎面材料的应 用还没有得到商业化的推广。二、低滚动阻力轮胎的材料选择通常在材料方面，要降低轮胎的滚动阻力，可以 通过减少轮胎质量和减小材料能耗(滞后损失) 两种 方法实现。减小轮胎质量是降低轮胎滚动阻力 最快速 、 最 有效的方法。 为了在确保轮胎使用性能的前提下减 轻轮胎质量，必须采用最小的部件厚度。 轮胎生产厂 必须严格控制工艺，以保证部件达到最小厚度，绝不 允许工厂擅自采取加大部件厚度的办法来解决生产 问题。 采用轻质材料制造各轮胎部件也是减小轮胎 质量的一种有效方法， 例如采用芳纶带束层替代钢 丝带束层进行生产。降低轮胎滚动阻力的第二种方法是减小轮胎材 料的能量损失(滞后损失)。 轮胎材料的滞后损失主要 集中于胎冠部位，轮胎滚动时，胎面胶、胎圈包布、三 角胶、带束层、内衬层、胎侧、帘布层和基部胶所占轮 胎能耗的比例分别为 39% 、14% 、13% 、8% 、8% 、7% 、6%和 5%。 从数据可以看出，在通过原材料来降低轮胎滚动时，胎面胶是最重要的设计改进部件。1.聚合物体系（1）天然橡胶(NR)在传统的胎面配方中，一般采用 NR、SBR 和 BR 等胶种，SBR 可以改善轮胎的操控性能和抗湿滑性 能，但会提高轮胎的滚动阻力，NR 和 BR 有利于降低 轮胎的滚动阻力， 但会降低轮胎的操控性能和抗湿 滑性能，NR 是非极性橡胶， 其分子中含有不饱和双 键，通过改性可以很好地克服其在性能上的不足。环氧化天然橡胶环氧化天然橡胶(ENR)是 NR 经化学改性制得的中国橡胶39应用技术Applied Technology2.补强体系（1）白炭黑与炭黑相比，白炭黑粒子更小、表面积更大,在胎 面 胶 中 加 入 白 炭 黑 能 使 轮 胎 在 降 低 滚 动 阻 力 的 同 时，仍能保持较好的抗湿滑性能。 AhmadA 研究表明， 使用加入白炭黑的 SBR/BR 胶料的轿车轮胎胎面胶 滚动阻力可降低 50%， 而其湿滑性能并无明显变化。 将白炭黑与炭黑应用于乙烯基质量分数分别为 0.235，0.35 和 0.45 的 3 种充油 ESBR 中， 比较两者对胶料滞后 损失的影响， 结果表明，3 种胶料都表现为低温下白 炭黑胶料的 tan 值比炭黑胶料大， 抗湿滑性能比炭 黑胶料好； 高温下白炭黑胶料的 tan 值比炭黑胶料 小，滚动阻力比炭黑胶料低。 在 ESBR/BR 并用的轿 车轮胎胎面胶中掺用占炭黑总用量 50%的改性白炭 黑， 可以降低滚动 阻力 25% ； 在充油 NR/BR 并用的 轿车轮胎胎面胶中掺用占炭黑总用量 60%的改性白 炭黑，可以降低滚动阻力 18%，同时不会损失抗湿滑 性能和耐磨性能。白炭黑的自身结构决定其在与聚合 物结合时 ， 不会像炭黑那样容易，需要加入偶联剂，如多硫硅烷 来提高其分散性，降低胶料的滞后损失。 对白炭黑进 行改性，如对其进行烷基化改性，可增强白炭黑与聚 合物的结合性能。（2）新型炭黑在胎面中加入白炭黑能有效降低轮胎的滚动阻 力，但胶料在混炼时能耗大， 加工性能差、 粘度高及 导电性差等。 通过对炭黑进行改性，科研人员研究出 具有低滚动阻力及良好湿滑性能的新型炭黑， 如表 面具有无数棱边的转化炭黑、 内部具有较多高度枝 状聚集体的高结构炭黑、 炭黑粒子至少有一维尺寸 小于 100nm 的纳米结构炭黑， 以及利用炭黑表面的 多种官能团进行化学反应的改性炭黑等。目前在轿车轮胎胎面胶中采用白炭黑/硅烷偶联 剂补强体系比采用炭黑更具技术优势， 但由于不同 轮胎品种对技术性能和经济性要求不同， 有可能采 用炭黑、白炭黑和炭黑/白炭黑并用等各种补强体系， 从而使轮胎的总体性能达到最佳。3.骨架材料体系轮胎用的骨架材料包括带束层的钢丝及胎体层 的帘线，带束层对轮胎的滚动阻力影响约占 8%，胎体 层的帘线对轮胎的滚动阻力影响约占 7%， 应用高强 度的钢丝作为轮胎的带束层及新型高性能纤维材料作为轮胎的胎体层，能有效地降低轮胎的滚动阻力。（1）钢丝由于钢丝高强度的特性， 使得钢丝的滞后损失 较低， 这也是半钢子午线轮胎的滚动阻力低于同规 格的斜胶胎的原因之一。 近年来，一些新型高强度的 钢丝研发成功并投入使用后， 使得在确保轮胎安全 性的基础上，减少轮胎的质量，从而达到降低轮胎滚 动阻力的目的。 固特异公司开发的专用于跑气保用 轮胎的超细超强钢丝 （25mm 内可排列 7000 根），成 功开创了轿车轮胎胎体帘线使用钢丝的先河。（2）涤纶工业丝高模量低收缩（HMLS）涤纶工业丝具有模量高、 强力高、热收缩低（比普通涤纶低 50%）、尺寸稳定性 好等优点， 可在较低成本的投入下降低子午线轮胎 的滚动阻力。 但由于涤纶生热大的特性，在高温下会 胺解，所以不适用于高速和高性能的轮胎。（3）人造丝对于高速及高性能的轮胎， 人造丝用作轮胎的 胎体是其它纤维所无法取代的， 这主要得益于其高 温条件小良好的尺寸稳定性。 人造丝到目前已经有70 多年的历史，产品也在不断更新换代，但由于人造 丝耗用天然森林资源和生产过程严重污染环境等问 题，人们正在研究新的纤维来替代人造丝。（4）芳纶芳纶帘线具有质量小、模量高、动态性能好等优 点，将其用在轮胎中代替钢丝或胎体层时，能很好地 改善轮胎的高速和耐久性能、减少轮胎的质量、降低 轮胎的滚动阻力。 虽然芳纶性能优良，但价格居高不 下，且存在刚性大、断裂伸长率小等缺点， 在轮胎的 使用中受到一定的限制。