橡膠子午線輪胎安全性能研究

張浩 尹鵬勇

【摘要】輪胎作為汽車的主要部件之一，是汽車和路面之間進行連接的橋梁。其能夠承載汽車的載荷，向地面傳遞汽車所發出的驅動力、轉向力和制動力，確保汽車的安全運行。因此汽車輪胎的安全性能直接影響到汽車的行駛安全。基于此，筆者重點探討了橡膠子午線輪胎的安全性能。

【關鍵詞】橡膠輪胎；安全性能；研究

一、橡膠子午線輪胎概述

（一）橡膠子午線輪胎的主要結構

子午線輪胎的主要結構是由胎面、胎體、胎側和胎圈共同組成的。第一，胎面。主要是由胎冠膠及胎側膠兩部分組成的，其外側和地面接觸的部位成為輪胎的胎冠，輪胎的胎面膠又可以分為上層冠部膠和下層基部膠。胎冠膠直接和地面進行接觸，因此其應該具備較好的耐磨損和耐切割的性能及抗打滑性能和較小的滾動阻力，且能夠及時傳遞車輪的制動力和氣動力。位于花紋溝底部的基部膠，主要作用在于緩沖地面成傳遞來的沖擊力和震動力，一般是由耐熱及耐剪切的橡膠做成的。胎側膠的主要作用在于保護側部骨架材料，確保其在使用的過程中不受到損傷，其一般是由屈撓性較好且耐熱氧和太陽光紫外線老化的橡膠構成的；第二，胎體。胎體主要是由輪胎的簾布層所組成的，屬于輪胎的骨架結構，簾布層的強度決定了輪胎的強度。子午線輪胎的簾線排列不同于斜膠胎，子午線輪胎的簾線不是相互交叉排列的，而是與輪胎斷面接近平行，簾布層的兩側邊緣靠近胎圈部的鋼絲圈被固定在了輪毅的凸緣和輪毅的底座上，因此其可以使它保持輪胎的內壓有支撐的載荷及確保胎壁不漏氣；第三，胎側。胎側的主要作用在于保護輪胎的側面的簾布層不受損傷，不承受較大的應力，也不和地面直接接觸，其一般不會受到磨損，且厚度較小。因胎側需要不斷承受彎曲和伸縮，其必須具備較好的耐疲勞性及耐陽光老化；第四，胎圈。胎圈主要是由鋼絲圈、鋼絲圈包補和三角填充膠組成。其主要用途是確保輪胎緊密的固定在輪轂上，且能夠承受不同的載荷，以避免輪胎穿孔時從輪轂上脫落。

（二）橡膠子午線輪胎的特點

第一，減震性能好。子午線的輪胎的胎體簾線呈現子午排列，其和輪胎的變形方向一致，能夠有效利用簾體的強度，減少簾布層的數量和橡膠的使用量。因此輪胎的重量相對較輕，胎體較薄，行駛過程中比較平穩；第二，耐磨性能好。周向排列的帶束層能夠加固胎冠，確保輪胎周向不伸張，有效減少了輪胎滾動中產生的胎面滑移磨損，能夠提高胎面的抗機械損耗及耐磨性；第三，抓地性好。因子午線輪胎的胎體較為柔軟，胎面和路面的接觸面積較大，接觸應力的分布也較為均勻，胎冠的剛度較大，胎面周向滑移較小，所以其具備較好的抓地性能；第四，行駛溫度比較低。由于胎體簾布層呈現子午線型排列，輪胎在行駛過程中能量消耗較少，生熱也比較低，且胎側較薄，散熱性能比較好；第五，使用壽命比較長，其綜合壽命要高于普通斜交輪胎近50%-100%；第六，乘坐舒適性較好。胎側具備良好的柔軟性，能夠發揮充氣輪胎的最佳緩沖性。

二、子午線輪胎失效的主要影響因素

（一）子午線輪胎的胎面磨損

輪胎產生磨損的機理主要有以下幾種方式：第一，彈性磨損。當路面的微凸體的尺寸比較小。光滑性較好，輪胎和路面接觸中產生的應力也相對較小，輪胎和路面在摩擦過程中產生的主要是彈性變形。如果作用在輪胎胎面橡膠內部的拉應力或者剪應力的大小超過了其抗拉或者抗剪強度，橡膠內部或者表面就會產生裂紋。隨著彈性變形的增加，裂紋也隨之增加和擴散，指導橡膠顆粒從輪胎表面上脫落，進而形成磨粒。這就是彈性磨損，該磨損面產生的橡膠磨粒的尺寸是比較大的。第二，塑性磨損。若路面的微凸體尺寸較大，且較為鋒利，輪胎和地面接觸的后死后應力的集中也會較大。若輪胎和路面上的微凸體之間的接觸應力超過了胎面橡膠的屈服應力，則輪胎的生塑性變形將占據輪胎和路面磨損過程中的主要部分，該類磨損稱之為塑性磨損，其產生的磨粒尺寸一般較小；第三，機械—化學腐蝕磨損。因為橡膠材料是熱的不良導體，所以在橡膠的彈性滯后作用和輪胎與路面之間的高摩擦力的作用下，導致輪胎表面層的溫度會急劇的升高，進而使得某些因為摩擦力的作用而急劇地伸長的橡膠分子鏈因此而斷裂。

（二）子午線輪胎的疲勞破壞

輪胎的疲勞現象是一種常見問題。當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用之后，其應力的大小雖未超過材料的強度極限，甚至相比較彈性極限還要低的時候就極為可能發生破壞。材料或者結果在這種變載荷及重復作用的條件下發生的破壞現象，即為疲勞破壞。橡膠輪胎的使用壽命中最為關鍵的因素就是輪胎的疲勞，由于輪胎在行駛過程中輪胎各部分的產生很大的應力應變，進而導致了輪胎的疲勞問題。

（三）輪胎滾動中的生熱

子午線輪胎是一種復合材料結構，它是由橡膠及橡膠一簾線復合材料構成的，簾線以及橡膠全都是強粘彈性的材料。在輪胎滾動的過程中，由于輪胎復合材料所受到的周期性的應力和應變，輪胎中將有一部分的應變能會以熱的形式耗散掉，從而導致了輪胎體內熱量的累積，輪胎溫度將會提高，加快了輪胎損壞。

（四）輪胎的劃傷及裂紋

輪胎在使用過程中受到道路不良情況的影響，輪胎在行駛的過程中與堅硬的物體之間發生了滑移，從而使得輪胎開始發生局部開裂或脫落，進而形成劃傷。劃傷和裂紋的產生是橡膠輪胎材料所受到的應力值超過了其所能承受的極限值所產生的結果，劃傷和裂紋很大的時候會進一步導致簾布層的折斷、胎壁刺穿和胎體爆裂。

（五）輪胎受到的腐蝕作用

因為橡膠輪胎所使用的橡膠是有機物，以及相似相容原理，會受到油料及其他腐蝕性物質的腐蝕破壞，這也是輪胎常見的失效因素之一。橡膠輪胎若受到油料的腐蝕，就會出現氣密層塊狀脫落，胎面出現小面積的橡膠脫落及胎體鋼絲和橡膠脫落等現象。

（六）輪胎氣壓的影響

要想充分的發揮輪胎的基本性能，其中最基本但也是最重要的事情就是適當且正確的進行輪胎氣壓的充氣。在有適當壓力的情況下輪胎才會具備適當的充氣形狀，輪胎的各種性能才可以依據所設計的性能要切得到充分的發揮。

三、不同胎面磨損對輪胎的安全性能影響

由上文的分析我們可以得知，影響輪胎失效的因素是較多的。這里我們僅討論不同胎面磨損對輪胎安全性能的影響。當輪胎和地面接觸的時候，接觸的部分的胎側向外膨脹，產生相對較大的變形，隨著原理地面變形逐漸減小到一定的數值。與純充氣工況相比較，與地面接觸的部位的應力應變變形都有所增大，在胎圈附近及胎肩部位存在較大的剪切應力應變和應變能密度，這將導致汽車輪胎在長時間的超載高速運行過程中產生較大的熱量，且散熱相對較慢，這就會促使這些地方隨著時間的推移而逐漸產生層間剝離和爆破等危險。隨著垂直荷載的增加，輪胎最低斷面處的側向變形逐漸增加，最低處斷面的寬度隨著荷載的增加而逐漸呈現出接近于線形的增加。同時隨著胎面的不斷磨損，輪胎的應力應變等都相應增加，這樣就導致輪胎受到破壞的可能性增加，進而導致輪胎的安全性能降低，嚴重的威脅到了人們的生命財產安全。

綜上所述，輪胎作為汽車主要的部件之一，其汽車和路面進行連接的橋梁，其安全性能直接影響到汽車的行駛速度及行駛安全。由于影響汽車輪胎安全性能的影響因素較多，在實際研究過程中，我們應結合輪胎的具體使用情況及導致其失效的主要因素，采取針對性的措施加以解決，確保輪胎的安全性，進而確保行車的舒適性和安全性。

【參考文獻】

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