炭黑在轮胎中的应用

第一节 轮胎概述

　　一、轮胎的概念、分类、组成与标识

(一)概念与分类

轮胎是汽车、工程车、拖拉机、飞机的主要部件，是由弹性体和骨架材料组成的复杂结构体。其主要功能是支撑车辆重量，传递牵引力、转向力和制动力，并吸收道路不平所产生的震动。

轮胎按工作原理不同可分为实心轮胎和充气轮胎。按组成又可分为有内胎和无内胎两种，其中有内胎轮胎由外胎、内胎和垫带组成。外胎由胎面、胎体和胎圈三大部分组成。按照轮胎结构可分为子午线轮胎和斜交轮胎。子午线轮胎的胎体骨架材料呈子午线方向排列，并采用刚性的带束层结构。根据带束层和胎体使用的帘线材料不同，子午线轮胎又可分为三种:

胎体和带束层全部采用钢丝帘线，称为全钢子午胎，钢丝胎体通常只有一层;胎体用纤维材料，如尼龙、聚酯、人造丝等，而带束层用钢丝帘线的称为半钢子午胎;胎体和带東层全用纤维材料的子午胎称为全纤维子午胎。

斜交轮胎胎体由帘布层和缓冲层组成，帘布层由多层挂胶帘布按一定角度贴合而成，缓冲层是位于胎面和帘布层之间的多层挂胶帘布。

轮胎按照用途分类又可分为工程机械轮胎、载重轮胎、轻卡轮胎、轿车轮胎、航空轮胎等，每种轮胎因使用性能要求不同，结构和配方各不相同。

(二)组成

通常轮胎由如下几大部件组成。

1.胎面

胎面是轮胎与地面接触的部件，很多重要的轮胎使用性能要靠胎面胶体现。因此胎面应具有较高耐磨性，以提高轮胎行驶里程;胎面还应具有尽可能低的滚动阻力和高的抗湿滑性，从而降低油耗并提高安全性;胎面胶应具有高强度，以抵抗不同路面作用;因为轮胎胎冠很厚，胎面胶应尽量采用低生热配合。而对于有特殊用途的轮胎，如越野胎、工程胎等还应具有抗刺扎性和抗崩花掉块性。胎面是轮胎十分重要的部件，性能要求很高，但橡胶材料的某些性

能往往相互矛盾，就目前材料科学和配合技术的发展水平而言，一种配合满足所有要求不可能实现，所以胎面胶必须从使用条件和用途出发，进行有针对性的设计。

2.胎侧

胎侧部件主要起保护胎体的作用。轮胎在使用过程中胎侧部位承受持续不断的屈挠疲劳，变形很大。同时胎侧又是直接暴露于阳光、空气和雨水等介质中，因此是耐老化性能和耐疲劳性能要求最高的部件。

3.带束层

带束层是子午线轮胎主要受力部件，除极少数轮胎采用高模量纤维帘线外，一般均为钢丝骨架材料。因带束层承受巨大剪切应力，胶料应具有高定伸、高强度，并与钢丝帘线实现良好黏合。

4.胎肩垫胶

载重轮胎尤其是全钢载重轮胎，胎肩部位是从柔软的胎侧到刚性的胎冠的过渡区域，在行驶过程中应变最明显，最容易产生应力集中。同时胎肩部位位于轮胎内部，是使用中生热最高的部位。在带束层下设计胎肩垫胶目的是缓解肩部应力集中，避免疲劳破坏。肩垫胶要求高弹性、低生热。高性能轿车轮胎为提高成型效率，通常采用冠包侧工艺。柔软的胎侧代替肩垫胶深人到带束层下，可以省去肩垫胶部件。

5.胎体胶

不论是全钢子午胎的钢丝胎体还是半钢子午胎的纤维胎体，亦或是斜交轮胎的帘布层在轮胎使用过程中都会承受较大的应变，尤其是子午线轮胎胎侧区域变形很大。胎体胶应具有较高强度，较好的耐疲劳、耐热和抗老化性能， 同时还应与骨架材料具有良好的黏合性。

6.气密层胶或油皮胶

无内胎轮胎在胎里设计有内村层，除了可以保护胎体外，还防止轮胎在使用中漏气。气密层胶必须具有良好的气密性，耐老化而且耐疲劳。油皮胶主要适用于有内胎斜交胎，出于成本考虑，降低了对气密性的要求，单纯保护帘布层。

7.三角胶

斜交轮胎三角胶只起填充作用，对胶料性能要求不高，往往用一些低成本胶料填充。子午线轮胎由于胎体柔软而胎圈刚性很大，三角胶不仅仅作为填充胶，还应该起到加强胎圈的作用，并在刚性区与柔性区之间过渡。一般轿车胎采用单胶芯，胶料硬度非常高。中型及以上载重轮胎一般采用上下复合胶芯，既保证胎圈部分有足够刚性，又能合理过渡。下胶芯要求高硬度，而上胶芯要求低生热、耐屈挠。

8.子口胶

子口胶又称耐磨胶条，是子午线轮胎胎圈外表面的保护层，与轮辋直接接触。因为胎圈和轮辋刚性很高，子口胶应具有高硬度，还应具有一定耐磨性和抗屈挠性。因为子口胶要求具有规整的形状，一般其混炼胶门尼黏度很高，在硫化过程中胶料不易流动，尺寸稳定。斜交轮胎一般没有子口胶，而使用子口包布。

9.钢丝圈胶

钢丝圈胶应与胎圈钢丝具有良好的黏合性，使覆胶后的钢丝结合成整体，还应易于压出，并具有高硬度。

总之，轮胎是由上述部件组成的协调统一的整体，在设计上不仅要关注每个部件的性能，还必须做到整体匹配，具体来讲就是各部件的刚性必须符合轮胎受力特点，实现合理过渡。同时根据具体的硫化条件，整条轮胎要达到硫化速度匹配。

(三)标识

轮胎规格标识方法有传统沿用和国际标准两种。传统沿用法是以用减号或字母R连接的两组数字来标记，其中减号代表斜交轮胎，而字母R代表子午线轮胎，第一组数字标明轮胎断面宽度，第二组数字标明轮辋直径。这种标记法起源于美国，故两组数字均采用英制单位——英寸来表示，如9.00-20、11R22.5、26. 5R25等。由于轮胎规格不断发展变化，传统标识法远不能适应新的要求，国际标准方法应运而生。该方法以轮胎断面宽(mm)、 扁平率(%)、结构代号(一/R)和轮辋直径(in) 四项表示，如205/55R16、385/65R22. 5等。

轮胎标识还包含负荷能力和速度级别。传统表示负荷能力的方法是用棉帘线的层数，也就是通常所说的层级表示，随着新型帘线不断应用，这种表示法被负荷指数取代。国际标准将轮胎全部能预计到的负荷量从小到大依次划分为280个等级负荷指数，每个指数数字代表一 级负荷能力，其差级约为3%。国际标准化组织(ISO)还对轮胎速度等级有详尽规定，具体内容如表3-1所示。

由表3-1所知，轮胎标记应包括规格、结构、负荷和速度，例如：轮胎标识25/55R16 91V表明该轮胎名义断面宽205mm;名义扁平率55%;为子午线轮胎;名义轮辋直径16in(1in=0. 0254m);使用负荷615kgf (1kgf =9. 80665N);使用速度240km/h。