扁平率对轮胎性能的影响
何 敏
(中橡集团曙光橡胶工业研究设计院广西桂林541004)
摘 要:通过降低轮胎的扁平率可以改善轮胎的应力分布和变形情况,提高操纵性能、抗水滑性,降低滚动阻力和胎面磨耗,提高高速性能、安全性(跑气保用性)和制造性能等。
关键词:轮胎;性能;扁平率
在赛车这项体育运动开始后不久,人们就意识到获得在路面行驶性能更优异的橡胶是提高汽车转弯速度的一种方法。但是,更普通的解决方法是采用具有更宽胎面和断面宽度较大的轮胎。这是最初降低轮胎扁平率的方法。从那以后,随着对车辆驾驶性能的要求和对高性能轮胎的要求越来越高,轿车轮胎的扁平率越来越小。至今为止,赛车轮胎扁平率已经减小到25%。
扁平率即轮胎高宽比,指的是轮胎断面高与断面宽的比值,它决定了轮胎的轮廓。用公式表示为:扁平率=高宽比×100%
。
图1 轮胎扁平率示意图
现代轿车轮胎的扁平率多为50～70%之间,
这个百分比数值又称为系列,例如70%称为70系列。系列越小,轮胎形状越扁平。从汽车轮胎
的发展历史来看,20世纪初的汽车轮胎横截面几
乎是圆形,断面高与断面宽相同,因此扁平率为100%。二次世界大战后才出现了扁平率为1.0以下的稍微扁平的轮胎;60年代初,美国出现了扁平率为80%的轮胎;60年代末则出现了扁平率为70%的轮胎。轮胎扁平率的发展见表1。本文将从以下几个方面阐述扁平率对轮胎性能的影响。
表1 轮胎扁平率的发展
年份
801)75706560555045403530合计198562)111801501400006419907112311287191220111199571528143010206641141200061835274018341214812132001619352841213514191212312002619373245243717201412522003622393347253919221442702004520343038243522231442492005
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注:1)轮胎扁平率;2)轮胎规格的数量。
自1990年以来,由轮胎&轮辋协会认可的
轮胎规格从111种增加到了262种。其中112种新规格的轮胎(占74%)中的高性能轮胎的64%的扁平率较低。
1 轮胎扁平率对轮胎应力和变形的影响
应力和变形在轮胎中的分布是最基本的性
能之一,它们决定着许多其它的轮胎特性和性能。应力和变形受轮胎扁平率的影响较大。
研究表明,当减小轮胎扁平率时,在带束层内的应力就会增加。同时,沿着胎体帘布层的应力和钢丝圈的周应力减小。由此可见,扁平率小的轮胎的应力分布似乎更均匀。根据这种新的轮胎结构设计理论(像T COT,DS OC理论),在带束层应力增大和胎体帘布层的张力减小时,可使轮胎性能得到大幅度提高。减小轮胎扁平率还可以减小胎侧部的正常位移和在胎冠中心线的径向位移。
2 操纵性
在扁平率较小的轮胎中,减小可屈挠的胎侧的高度可改善轮胎结构的整体性,增大径向、横向以及周向刚性。提高横向刚性可改善转向性能。周向刚性的增大提高了加速、减速,特别是在转向时的操纵性能。在扁平率小的轮胎中,由于胎侧高度较低,所以可在不改变轮胎外直径的情况下增大轮辋直径。较大的轮辋直径可安装防抱死制动系统(ABS)。但是值得注意的是,当车轮驶过深坑或其它物体时极有可能将轮胎损坏。此外,减少径向屈挠可以将轮胎驶过凹凸不平路面时产生的不规则力直接从轮胎传送到车辆的悬挂系统。
3 抗水滑性
汽车在有水的路面上行驶会导致轮胎浮离路面而失去附着力叫做水滑现象。当轮胎的扁平率变小或轮胎宽度变大时,轮胎的接地面积就会增大。较大的接地面积能够降低轮胎接地部分所承受的平均压力。由于轮胎的接地面积与抗水滑性紧密相关,因此,扁平率较小的轮胎的抗水滑性比扁平率高的轮胎的抗水滑性好。胎面花纹沟有助于提高轮胎的抗水滑性,但它会使轮胎在无水路面的转向性能下降。
4 滚动阻力
从理论上讲,降低轮胎的扁平率将增大轮胎的径向刚性和提高尺寸稳定性。它还能减小轮胎的变形,降低滚动阻力,提高燃油经济性,减少尾气排放对环境造成的污染。
降低轮胎的扁平率还能增大周向刚性,因而可以降低高速行驶时的能量损失。斜交轮胎在低速行驶时,降低轮胎断面的径向高度对降低滚动阻力不太有效。但是,在高速行驶时降低轮胎断面的径向高度能够有效地降低滚动阻力。
5 胎面磨耗
正如前面所说,降低轮胎的扁平率可以减小轮胎接地面积承受的平均压力,且可提高轮胎的尺寸稳定性进而减小轮胎的变形。这些措施最终都能降低胎面磨耗。
图2为轮胎扁平率对胎面磨耗的影响。在轮胎扁平率对胎面磨耗的影响方面,斜交轮胎要比子午线轮胎显著。当轮胎花纹空隙容积较大或轮胎的使用条件较为苛刻时,轮胎的扁平率就显得尤为重要。
6 高速性能
试验结果表明,轮胎的持续高速能力与下列两个因素有关
:
图2 扁平率对胎面磨耗的影响
●相对较低的生热;
●胎面胶具有良好的抗热撕裂强度。
胎面胶的抗撕裂强度与胎面胶的硬度有关。当胶料较硬时,抗撕裂强度增大,但是附着力下降。附着力与室内试验高速性能的关系如图3所示。
图3 胎面附着力对室内试验高速性能的影响
从图中的关系曲线可看出,扁平率小的轮胎可以使用较为柔软的胎面胶。这大概是由于扁平率小的轮胎的应力比扁平率大的轮胎的应力分布得更均匀的缘故。使用较软的胶料增大了胎面花纹的附着性能。附着性能对车辆在高速行驶时的操纵性能至关重要。
7 安全性(跑气保用性能)
当正常的充气压力丧失时,例如,当轮胎被扎破时,薄而柔软的胎侧会变瘪并纵向弯曲,从而丧失了它的正常功能。它的正常功能包括:径向屈挠、承载车辆重量、传递从车轮到路面的加速力、减速力以及转向力。
在扁平率较小的轮胎中,由于改善了轮胎结构的整体性,减小了车轮的下降高度(在跑气时车轮下降的距离),因而胎圈脱离圈座的机率降低。这就使得车辆在行驶过程中出现轮胎跑气现象后能够安全停车。
8 制造性能
扁平率小的轮胎的生产过程要比扁平率大的轮胎的生产过程更为复杂和困难。
由于轮胎的宽度增加,扁平率小的轮胎会产生“反向弯曲”的问题。反向弯曲指的是胎冠部位的帘布层在中心平面有径向下陷的趋势。这种变形会产生变形拐点进而导致轮胎损坏。因此,在扁平率小的轮胎中,正确的结构设计,合理的带束层与帘布层组合是非常重要的。
胎侧的性能与轮胎的扁平率有关。在扁平率小的轮胎中,由于胎侧的高度变小,使得胎侧部位的工作情况极为恶劣。如图4所示。当轮胎扁平率降低时,胎侧拉伸变形的峰值变化较大,这会导致龟裂现象,而且龟裂数量随着高宽比的降低而增多。因此,扁平率较低的轮胎需要使用性能最优的胎侧胶
。
图4 扁平率对胎侧性能的影响
胎圈部位在扁平率小的轮胎中的作用也是比较重要的。由于轮辋与路面的距离更短,很难产生较好的硬度和刚性,因此需要轮胎的胎体和胎侧提供较大的支撑力,从而加强拉伸的平稳性能。要达到这些目的,胎圈结构就要比扁平率大的轮胎复杂。例如,对胎圈的不同部位来说,三角胶条的总体高度需增加约100%,且需采用更高硬度的胶料。扁平率小的轮胎还要采用较厚的护圈胶。护圈胶是较硬且具有高定伸应力的胶条,位于胎侧下方,可使轮胎的胎圈部更坚硬、刚性更高,这有助于将轮胎固定在轮辋上。与此同时,它还能在轮胎遭受大屈挠变形时避免轮胎胎侧被轮辋凸缘损坏。
要得到适用于扁平率小的轮胎的较软胎面胶料和刚性更高的胎圈胶料,需要更谨慎地考虑混炼和挤出工艺过程。
在绿色轮胎中,轮胎部件的贴合和成型较复杂,需要的精度更高,因此,低扁平率轮胎的生产率要比高扁平率轮胎的低。
9 其他因素
除了上述提到的几点以外,扁平率较小的轮胎有一个更美观的外观和圆滑的形状来与现代汽车的新式空气动力学设计相匹配。出于这些理由,不断降低轮胎扁平率,满足对轮胎高性能的要求是一个持续的过程。目前已经发明了一种没有胎侧,扁平率为20%的新型轮胎。
扁平率不断减小的趋势并不局限在轿车轮胎,在最近获得专利权的发明中,普利司通开发了一种针对大客车和卡车的超低扁平率轮胎。这项技术是用宽断面单胎代替传统的并装双胎。据报道这种轮胎具有许多种优点,如较长的使用寿命、低噪音、提高了乘坐舒适性,减小了滚动阻力(达到10%),减轻了驱动轴80～110kg的重量,宽度(175mm)小于等效的并装双胎。
参考文献:
[1]Vahdat Vahedy,M ir Ha m id Reza Ghoreihshi.Effects of as pect rati o
on tire perf or mance[J].RubberWorld,2005,232(6):20-22. [2]Gr owth in tire as pect rati o[N].Tire Business,2006-02-13.
资讯速递
横滨公司开发出新型子午线航空轮胎Advan
横滨公司最近开发出了新型子午线航空轮胎“ADVAN AC Y-255”。该轮胎用于波音777 -200和777-300飞机。产品规格为50×20.0R22(26PR和32PR)。
航空轮胎的工作条件远比F1赛车轮胎苛刻。例如波音777-300的轮胎,需要在承重高达300吨,速度为340km/h的条件下完成重复的起飞和着陆。由于高科技和试验的要求,全世界仅有一定数量的轮胎制造商具有生产航空轮胎的能力。横滨橡胶公司自1940年开发航空轮胎开始,已为航空业提供了各种各样的轮胎。ACY-255是横滨公司生产的第一条以Advan命名的航空轮胎。
何敏编译自Tyre&Access ories,2006,(5): 152.
普利司通公司的泄气保用轮胎累计出货突破300万条
普利司通公司在八十年代初就开始制造在失压状态下也能行驶到安全场所的轮胎。最初是在1987年作为标准原装胎装于 959型汽车。1999年以后,由于装备泄气保用轮胎的汽车相继走向市场,所以普利司通公司向汽车厂家运送泄气保用轮胎的数量也在增加,截至2005年9月,普利司通公司的泄气保用轮胎累计出货已经突破300万条。
该公司2004年2月之前累计出货为100万条,而2004年2月至2005年9月仅仅1年零7个月时间就出货200万条。
泄气保用系统一般有两种方式,一是补强轮胎胎侧部,在失压状态下由补强胎侧部支承车辆重量;另一种是在失压状态下由被称为内支撑物的支撑环支承车辆重量。
普利司通公司出厂的300万条泄气保用轮胎为胎侧补强型泄气保用轮胎,这种轮胎既可确保泄气保用性能又可保证操纵性能和乘坐舒适性。
李汉堂摘译自月刊 ,2005,(12):20-21.