芳纶帘线在半钢子午线轮胎中的应用及室外场地实验

赵淑霞，秦增辉，苟金峰，李光亭，尚荣武

( 山东万达宝通轮胎有限公司，山东 东营 257500)

自1895年米其林首个充气轮胎问世，轮胎制造业取得了快速发展与提升，出现了许多优质轮胎，全球轮胎制造商也相继建立起完整的、高效的生产线，满足了汽车制造对轮胎的需求。进入新世纪，随着我国汽车的普及，汽车进入普通家庭，越来越多的人开始追求高品质及环保轮胎，并且越来越重视轮胎的骨架材料，据相关研究显示，使用芳伦帘线作为轮胎框架结构，能降低纤维材料的数量，降低生产成本。因此，有必要在相关研究的基础上，对芳伦帘线作为轮胎框架结构的轮胎进行实车使用实验，为进一步研究提供实证依据。

1 半钢子午轮胎的特点

半钢子午线轮胎是子午线轮胎的一种，子午胎名字的得来是因为里面的钢丝的排布就像子午线一样交叉，故得名。一般而言，轿车胎都是半钢子午胎，全钢一般是指卡车胎，当然也有特殊的，比如轻卡胎，一般为半钢，也有部分全钢的，还有现在大力发展的全钢工程车胎。所谓半钢和全钢的区别，半钢是指胎面部位用钢丝来作为补强层，胎体是用尼龙或者聚酯材料；全钢，除了胎面，胎体也全部是用钢丝来承担力。子午胎是相对于斜交胎而言的。斜交胎的支撑受力（专业术语叫骨架材料）的主要材料是尼龙。

2 轮胎骨架材料的分类与芳纶帘线和其他帘线材料对比

在橡胶制品中，骨架材料是其中的重要受力层，决定了使用的性能、时间及价值。较为优质的骨架材质，应具有以下性能：抗疲劳；高强度和模量；蠕变、密度较低；抗高低温、抗氧化以及能阻燃等特性。汽车轮胎的骨架材质一般有四种类型，都有其长处与缺陷。

（1）人造丝帘线有出色的耐高温性能，且收缩性低，其尺寸稳定性比锦纶及聚酯帘线更加优越，因此在子午线轮胎胎体上的应用更加广泛，可以提供更好的操纵性能。然而，由于其湿强度较低，容易导致生产过程中的污染。

（2）聚酯帘线由于其有特殊特征，其模量、硬度、伸长率、热收缩率、尺寸的稳定性以及干湿程度均较为理想，耐疲劳、抗冲击特性远超过人造丝帘线，然而，随着温度上涨，也可能出现胺解现象。

（3）锦纶帘线也具有许多出色特性，如较高的强度、较小的相对密度、发生滞后的亏损较小、较低的吸水率、较高的湿强度及良好的弹性，它的耐屈挠性能超过了人造丝的十倍，在抗疲劳方面也更胜一筹。然而，其最大问题在于具有较大的热收缩率，较弱的热稳定性及尺寸稳定性。

（4）近几年，由于芳纶帘线具备良好的耐热、坚固、高模量、不易变形，其应用范围越来越广泛，既可以减轻轮胎的重量，又可减小滚动摩擦阻力，同时还可改善轮胎的抗撕裂、抗磨损等性能。如表1，不同的骨架材料具有不同的特点。

表1 轮胎常用骨架材料的性能对比

根据表1 的数据，芳纶帘线材料在-200～200 ℃之间依旧维持良好，即使在抗张强度不变的情况下，也能够显著降低橡胶制品的重量，从而满足极端环境的需求。芳纶帘线有着较好的抗蠕变、耐疲劳、热收缩低以及抗化学腐蚀特性，它不仅能够大幅提升橡胶的尺寸稳定性，还能够大大增加其使用时间，所以，芳纶帘线无疑十分合适作为轮胎的支撑材料。

3 芳纶帘线骨半半纲子午轮胎室外场地实验

随着芳纶帘线的优异特性，已被广泛应用于轮胎制造中，为检验其在半钢子午线轮胎中的使用效果，进行了一系列的室外实车实验，以期获得更好的结果：

3.1 客观性能测试

客观性能试验是运用相关技术指标衡量车轮特性，包括噪声、干湿制动等，可以对轮胎骨架性能进行客观评价。

（1）湿地制动功能

为提高湿地行驶的安全性，须对轮胎进行特殊处理。其中，最重要的是改善胎面花纹及配方设计。轮胎的花纹最重要的作用是用来排水，一般来说，V 字形单导向花纹或者带有较深周边沟槽的直线型花纹能快速清除轮胎表面的积水，恢复行驶时轮胎表面和道路的接触。

（2）干地制动特性

汽车行驶的路面最常见的是干地，在干旱的道路条件下提高干地性能，确保汽车行驶安全，显得尤为重要。通过干地制动测试，我们可以更好地了解轮胎的干地性能。为了提高轮胎的干地制动性能，可以采取措施，如扩大胎面的触地面积，减小胶的硬度，以及其他措施。

（3）通过噪声检测轮胎性能

为了有效地减少轮胎的噪声，设计者应该对其表面花纹及其组成部分进行改进。其中，可以使用变节距的技术，以减少轮胎滚行时产生的固有频率，并应用计算机模拟计算对节距进行优化，更好的抑制噪声。在经过严格检验的场景中，经验丰富的驾驶员可以清晰地观察到来自外界的各种噪音，包括轮胎发出的噪音。这些噪音能在胎体、车轮以及骨架中传播，也会和汽车的其他零件一起发生振动，增加噪音量。汽车驾驶员可以从轮胎的反馈信息中获得有关轮胎性能的信息进而检测轮胎的等级。例如在低速行驶中的嗡嗡声、在平坦道路表面的刺耳鸣叫。由于各种噪声，轮胎的设计变得更为复杂。通过提高轮胎面胶的厚度，同时尽可能减小三角胶的硬度，可以获得在粗糙道路表面噪音的消减，但这样做也轮胎的滚动阻力也会增加，从而损害汽车行驶的平稳与可操控性能。

3.1.1 试验要求

（1）在进行测试时，道路应该是光滑的。此外，在进行车外噪音检测和湿地制动时，道路也应该符合ISO 标准。

（2）在没有雨水和雾气的情况下，将实验的环境温度控制在5～40 ℃之间的范围，路面的温度控在在5～50 ℃之间的范围，其中路面温度基本稳定变化要小手10 ℃以下，同时，风速要小于5 m/s。

3.1.2 干地/ 湿地制动测试

（1）测试仪器和要求：①使用的VBOX 数据采集器必须具备以下功能：可以准确地检测出实际汽车的瞬时速度、刹停时间以及刹停距离；②其检测速度以及距离的准确率必须达到1% 以上，而时间检测准确率则必须达到0.1 s 以上；③在检测刹停时，其检测踏板制动力准确率必须达到1% 以上。轮荷仪的准确性必须保持在±5 kg 的范围之内。

（2）实验时对轮胎的要求：①测试轮胎必须按照轮胎生产商指定的位置安装，并且记录轮胎的宽度数。②轮胎的总成必须保证合理的动平衡。③对于新轮胎，在进行测试以前必须经过轮胎的磨合。轮胎的磨合程度大约相当于在一般公路上驾驶100 km。④若安装旧轮胎，那么旧轮胎必须具备良好的花纹，其中花纹的深度要达到50% 以上。⑤此外，在试验开始之前，轮胎必须预先行驶最少5 km，以保证轮胎的温变。

（3）轮胎的负荷要求：经过实验测试，轮胎的负荷指数不小于（65±5）%，其中，单个轮胎的负荷值不得低于负荷指数的50%，不得高于90%。

（4）标准型的压力范围在210±10 kPa 之间，而增强型的压力范围则在250±10 kPa 之间。

（5）试验的操作步骤：①在实验中，车辆起始速度要在80 km/h 为宜，并将其制动速度稳定地操控到80±1 km/h 范围内。②当实验车辆进入实验范围，立即采取措施，将踏板力维持到400±50 N 之间，以确保汽车能停止。③在这项实验中，采用了一种单向的方法，并且要求重复完成五次。

（6）整理记录每次试验的制动距离和时间。

（7）测试的结果：经过5 次测试，我们得出了轮胎的制动性能。在干地上，制动速度在100 km/h 到0之间，而在湿地上，制动速度应该在控制在80 km/h到20 km/h 之间为宜。

3.1.3 通过噪声测试

（1）测试方法

当汽车发动机停止运行并在变速器空挡时，汽车分别按照60 km/h、70 km/h、80 km/h 和90 km/h 经过测试场所，观察它们经过的每个测量点时，麦克风上的最大声压强度。在不同的运动状态下，应该进行3 次以上的测量。为了确保准确性，麦克风的安装应该在离地面1.2±0.02 m 的范围内，并且离车辆的正中央7.5±0.05 m。

（2）测试结果

必须对测试的结果认真分析，画出压级和速度对数之间的回归曲线，从而可以获得80 km/h 的声压级，并更好地反映出轮胎的噪音特性。

3.2 主观性能测试

主观性能测试是一种重要的汽车测试技术，它旨在评估汽车在户外环境下的行驶性能，包括轮胎的平顺度、振动和噪音水平、转向精度、操控灵活性以及稳定性等，以上都是汽车驾驶员非常重视的性能指标。

3.2.1 试验要求

在实验室中，对实验场所以及环境设备的要求要与客观性的能测验保持一致。

3.2.2 测试内容

（1）测试项目内容。测试项目内容请参考表2。

表2 主观测试项目

（2）测试结果评分。通过十分制评分方法，将全部测试项目内容进行评分，将7 分当做基准分，±0.25分当做一个等级，将这些分数的平均分可以当做轮胎主观性能的最终分数，作为对轮胎实际性能的评定。从表3 可以看出每个分值的独特含义。

表3 各分值对应的含义

3.3 测试数据对比

在这个户外环境中，使用的是235/55R18 以及255/50ZR19 两种不同的轮胎，并且为尼龙840D/2 以及芳纶1000D×1/ 尼龙840D×1 这两类不同的冠带条帘线提供4 条个不同的轮胎配置。为确保实验准确性，使用的是同一个驾驶员和汽车，并沿着同一道路进行实验，以减少外界环境（如温度、湿度、风速）的变化，以确保实验的准确性。

3.3.1 客观数据对比

经过表3 发现更换芳纶混纺帘线会使轮胎的干地制动效果稍微改善，但改善的程度并不明显。湿地制动以及通过噪音这两个帘线的效果各有利弊。研究表明，影响干地制动的关键在于胎面特点以及60% 的接地覆盖面积。两个冠带条帘线轮胎的表面结构特点几乎一致，而60% 的接地覆盖面积也几乎一致，这就使得它们的制动效果几乎没有差异。两个冠带条帘线的胎面配方、花纹排水功能都对湿地制动有着重大的作用，这两种性能的一致性使得湿地制动性能基本一致。通过进行客观的性能测试，我们可以看到相关的差异，详情请见表4。

表4 客观性能测试中的数据对比

3.3.2 主观数据对比

根据表4 的两种不同的材料的主观性能测量结果，我们发现尼龙帘线与芳纶混纺的整体效果大致一致，但是前者的转弯特性略胜一筹，而芳纶混纺帘线的操控流畅度、振动以及噪音等指标略占优势。根据实验，我们可以看到主观性能的差异，详情请参见表5。

表5 主观性能测试数据对比

根据表5 的结果发现，汽车的转向性能与轮胎的横向刚度以及肩部接触的印迹面积密切相关。当这些指标较高时，汽车的转向性能就会更优秀。相比之下，尼龙帘线的横向刚度以及肩部接触的印迹面积略微更高，这也会更有利于汽车的转向。汽车轮胎的径向刚性影响了汽车的行驶稳定性、振动以及噪音，其数值高的对汽车的这些特性越好。随着芳纶混纺帘线的径向刚度增加，可以快速地衰弱受到的冲击或进行传播，从而提升车辆的行驶稳定性、振动及噪音水平。经过比较，两种冠带条材质的性能几乎没有区别，因此它们的主观性能几乎没有任何不同。

3.4 室外场地实车测试结论

经过精心挑选，选择的两种不同规格的尼龙与芳纶混纺帘线当做冠带条，并对它们开展主客观性能对比实验。经过对测试结果的综合分析，发现芳伦帘线能够提供出色的操纵性能，从而实现汽车工业的需求，并且能广泛应用在各种轮胎的生产中。

4 总结与展望

本文通过回顾半钢子午轮胎的特点，轮胎骨架材料的基本分类，根据相关研究对芳纶帘线和其他帘线作为轮胎骨材料的性能对比，并对芳纶帘线轮胎与其他轮胎进行了室外场地实车实验分析，从而使得以上研究结果。如今，市场中对于汽车轮胎有着更高的性能要求，也更加关注骨架材料的性能，然而市场上芳纶帘线应用依然有限，随着汽车轮胎行业的转型升级，芳纶帘线作为轮胎骨架材料将有更为广泛的应用。