第八讲 子午线轮胎

轮胎的管理、使用和保养讲座第8讲　子午线轮胎林礼贵(北京永外和义东里五区12楼三门303室　100076) 中图分类号:TQ33611 文献标识码:E 文章编号:100628171(2003)10206292081　类型、构造及优越性111　类型根据带束层和胎体骨架材料的不同,子午线轮胎可分为全钢子午线轮胎、半钢子午线轮胎和全纤维子午线轮胎3类。

载重子午线轮胎有全钢或半钢的;轿车子午线轮胎有半钢的或全纤维的。

活胎面全钢子午线轮胎是从子午线轮胎衍生出来的,由钢丝帘线呈子午线方向排列的胎体和带有钢丝帘线呈周向排列的带束层的并可卸换的胎条两部分组成。

活胎面全钢子午线轮胎除兼有子午线轮胎的一些优点外,最大的特点是胎条磨损后可以随时更换,也可以根据路面或季节变化换用不同花纹的胎条。

112　构造子午线轮胎有无内胎和有内胎之分,有内胎的子午线轮胎同斜交轮胎一样,由外胎、内胎和垫带组成;无内胎子午线轮胎只有外胎,胎里必须有气密层,气密层和胎圈与轮辋紧密配合,气门嘴固定在轮辋上。

子午线轮胎的外胎基本组成部件与斜交轮胎差不多,即胎面、胎侧、带束层、胎肩垫胶、胎体帘布层、钢丝圈、三角胶、胎圈包布和内衬层,无内胎子午线轮胎则以气密层取代内衬层。

子午线轮胎在使用过程中损坏原因之一是水气渗透到帘布层中,破坏了胶与钢丝的粘合。

这些水气是轮胎在使用过程中通过内胎渗入外胎中去的。

因此,要求全钢或半钢子午线轮胎必须使用IIR内胎。

这是由于IIR内胎耐透气性好(对空气和水蒸气的抗透过能力比NR内胎大10～20倍),且强度高,耐老化。

无内胎轮胎比有内胎轮胎具有很多优点,但其对耐透气性提出了更高要求,一般都在轮胎胎里贴上耐透气性好、耐热空气老化性以及粘合性能良好的气密层来取代内衬层,气密层应比内衬层厚得多。

113　优越性(1)耐磨性能好。

子午线轮胎耐磨性能一般比斜交轮胎高50%～75%。

(2)滚动阻力小、节油。

子午线轮胎滚动阻力比斜交轮胎小20%～40%,节油率提高5%～10%,有的甚至达14%以上,提高了燃料利用率,从而有利于减轻环境污染。

(3)缓冲性能好。

(4)高速性能好。

车辆行驶速度对轮胎的滚动阻力影响很大。

当汽车行驶速度为80～100 km・h-1时,轮胎滚动阻力随行驶速度的增大而增大,速度达到150～200km・h-1时,滚动阻力迅速增大,轮胎发生驻波现象,轮胎轮廓不再是圆形,而呈波浪状,此时轮胎能量损失大致与速度的平方成正比,内摩擦产生的能量转化为热能,使胎体升温,温度急增使橡胶和帘线的性能降低,多次变形的疲劳性增大,部件间的粘合力降低,导致胎面剥离、脱体脱层甚至轮胎爆破。

子午线轮胎高速行驶时,滚动损失小,生热低,散热快,行驶温度比斜交轮胎低20～30℃,同时变形小,胎侧有抑制振动的能力,因此,其产生驻波的临界速度比斜交轮胎高得多。

高速公路上经常发生斜交轮胎爆破的交通事故,说明斜交轮胎不如子午线轮胎适应高速行驶。

(5)安全性能好。

子午线轮胎有坚硬的刚性带束层,行驶时碰到石头、铁钉等尖锐物,胎冠不易被扎透,胎面抗硬伤能力好。

统计表明,整个子211　能量消耗轮胎对汽车燃料的消耗影响很大。

轮胎滚动阻力在汽车燃料消耗中占很大比例,一般在坚硬路面上,轮胎滚动阻力消耗功率占汽车发动机输出功率的30%～40%,其中胎内摩擦生热消耗的功率占轮胎滚动阻力耗用功率的90%左右,轮胎接地面上的摩擦所耗用的功率约占轮胎耗用功率的5%～10%;其它如空气流与轮胎表面间的摩擦损失等仅占轮胎滚动阻力耗用功率的115%～3%。

因此,降低轮胎自身摩擦及轮胎与路面摩擦是降低轮胎滚动阻力、节约燃料消耗的重要途径。

21111　轮胎的内摩擦轮胎的内摩擦以弹性滞后来表征。

因轮胎是非理想弹性体,其在负荷下的滚动可视为连续反复的径向加载(压缩)、卸载(恢复)过程。

在这过午线轮胎的硬伤率比斜交轮胎低。

此外,由于子午线轮胎整体弹性好,即使在高速下碰到障碍物也很少因撞坏而立即爆破。

(6)牵引性能和通过性能好。

子午线轮胎有较高的冲击弹性,在不良路面能缓冲和吸收振动与冲击,胎体柔软,故引起的土壤变形小。

由于子午线轮胎带束层的刚性大,胎面接地面积比斜交轮胎大,并且接地单位压强分布均匀,从而提高了轮胎的通过性能。

在湿路面上,子午线轮胎的牵引力比斜交轮胎高10%～20%。

2　使用特性程中,为了克服胎体材料的分子内摩擦和相互摩擦需要消耗部分能量,并转换为热能消散在大气中,这种能量损失称为轮胎的弹滞损失。

弹滞损失是产生轮胎滚动阻力的重要因素。

轮胎的弹滞损失与轮胎的部件组成方式、部件数量和材质有关。

与斜交轮胎相比,规格、层级相同的子午线轮胎,其帘布层数少,且帘线的变形方向一致,故在相同负荷下滚动时,子午线轮胎帘线与帘线、帘线与橡胶之间的剪切应力比斜交轮胎小得多。

另外,斜交轮胎胎体采用纤维帘布,而子午线轮胎则全部或部分采用钢丝帘布,钢丝的拉伸变形极小,比棉纤维、锦纶和人造丝等纤维帘线小5～6倍。

而随着轮胎胎体内应力2应变的减小,帘线材料的弹滞损失亦减小,这是子午线轮胎滚动阻力低、燃料消耗小的一个重要原因。

21112　轮胎与地面的摩擦轮胎在滚动过程中,除了压缩时要消耗大量的功外,轮胎与地面间的摩擦也消耗功,而大部分的功是以弹性变形能的形式积聚在轮胎内,在弹性恢复区域内转变为轮胎滚动的动能。

轮胎能量主要消耗在由于地面产生法向变形和剪切变形而引起轮胎与地面各不平处的机械摩擦上,其能量损失与弹滞损失一样,也能引起地面反作用合力发生前移现象,因此,轮胎在负荷下滚动受弹性损失以及与地面摩擦损失二者共同作用。

子午线轮胎由于胎冠有刚性带束层的约束,当其在负荷下滚动时圆周方向的变形很小,法向反作用合力的作用线前移值e 比斜交轮胎小得多,而滚动半径r 比斜交轮胎大,使子午线轮胎的e /r 值小于斜交轮胎,故行驶相同距离时,其用于克服滚动摩擦反力矩所消耗的功小于斜交轮胎。

这也是子午线轮胎滚动阻力和能量消耗较低的主要原因之一。

21113　轮胎的自由半径r 0和滚动半径r子午线轮胎r /r 0比斜交轮胎大,这是由于子午线轮胎具有刚性带束层,滚动接地时,胎面的滑移小,周向变形也小,使子午线轮胎的滚动阻力小,并具有较好的耐磨性。

21114　轮胎的滚动阻力因数和滑行距离采用清华大学汽车工程系推荐的“低速滑行数据曲线拟合法”进行试验得知,轻型载重子午线轮胎与相对应的斜交轮胎相比,其滚动阻力因数下降约为26%～35%,滑行距离增大约715%～3614%。

21115　轮胎的滚动阻力与汽车的节油效果滚动阻力小是子午线轮胎节油的主要原因。

采用清华大学汽车工程系推荐的“低速滑行数据曲线拟合法”进行试验探索子午线轮胎滚动阻力与节油效果之间的相关规律,得出试验轮胎的滚动阻力因数、滑行距离、节油率三者之间的关系如下。

(1)子午线轮胎的滚动阻力因数与斜交轮胎相比有明显下降,可减小20%～35%。

(2)滚动阻力的减小与汽车滑行距离的增大是相对应的,试验结果表明,子午线轮胎滑行距离 (6)路面对轮胎的滚动阻力和油耗影响很大。

汽车行驶在水泥和沥青路面上时,承受载荷的路面变形很小,但是,路面的不平处会引起轮胎和汽车悬架产生附加的多次弹性变形,因而也产生一定能量的损失。

汽车行驶在土路、沙地和雪地等松软地面上时,轮胎本身发生一定的弹性变形,尽管这种弹性变形比在硬路面上小,但松软路面在车轮滚动过程中会形成车辙,发生永久塑性变形。

土壤的抗压缩和抗剪切的能力越低,路面的塑性变形越大,结果导致轮胎的滚动阻力越大,汽车的比斜交轮胎增大26%～30%。

(3)滚动阻力的减小使汽车的耗油量降低:滚动阻力每减小10%,汽车耗油量降低2%～3%。

(4)子午线轮胎的节油率与汽车行驶速度的相关规律是低速行驶时节油率高,高速行驶时节油率更高。

高速节油率高显示了子午线轮胎结构的优越性,高强度、不易拉伸的周向环形带束层使子午线轮胎在高速行驶时变形阻力小、胎面滑移小且耐磨。

(5)子午线轮胎气压对燃料消耗的影响。

适当提高轮胎气压可减小斜交轮胎的滚动阻力,从而达到降低油耗的目的。

但对子午线轮胎来说,提高轮胎气压来降低滚动阻力、节约燃料的效果不显著。

耗油量上升。

大量试验表明,子午线轮胎在不同路面上行驶都有明显的节油效果。

212　耐磨性能汽车在良好路面行驶时,胎面磨耗是轮胎损坏的主要原因。

胎面磨耗是轮胎与路面各表面间相互移动和相互作用时所产生的一系列的机械负荷与热负荷对轮胎胎面材料发生作用的结果。

轮胎滚动时胎面花纹块都要通过路面的接触区,并受到轮胎向路面传递的各种力的作用,其中包括汽车的重力(径向或法向应力)、牵引力或制动力(周向切应力)和侧向力(横向切应力)。

在这些力的作用下,引起花纹块的变形及与路面之间产生切向应力。

如果花纹块变形很大,致使轮胎接地面内的摩擦力等于或小于花纹块的变形力,则出现花纹块相对路面的滑动。

因此,轮胎磨耗的大小实质上取决于接地面内花纹块的受力程度。

切向应力对轮胎磨耗影响很大。

在轮胎与地面之间接触压力较高的区域,切向应力大则轮胎变形大,而变形又促使胎面发生疲劳裂口。

在接触压力较低的区域,切向应力大时可引起接地面的胎面各点产生滑动现象,导致胎面摩擦和磨损现象。

子午线轮胎因有刚性很大的带束层来承受较大的周向切应力而极少变形;其法向变形虽比斜交轮胎大,但胎侧容易屈挠使接地面上胎冠横向切应力相对减低,因此,胎面与路面之间的周向与横向的剪切变形均远小于斜交轮胎,耐磨性能较好。

此外,子午线轮胎的r /r 0比斜交轮胎大,其滑行距离也比斜交轮胎大得多,相对也改善了其耐磨性能。

213　缓冲性能汽车行驶时,来自路面的冲击以及汽车行驶系和传动系中作用力的大小、方向不断地变化使汽车产生振动。

这种振动不仅给乘坐者不舒适的感觉,而且对所运货物的完整性不利。

由于振动产生的动负荷,还能引起汽车机体磨损加剧,甚至造成损坏。

轮胎作为汽车的主要配件,对汽车振动的吸收或缓和起着关键作用,而且这种作用的大小与轮胎的结构有关。

国内多年实践证明,载重汽车装用子午线轮胎后,无论是乘坐舒适性或对汽车本身机体及载货的损坏率都有明显改善。

例如,有些长途客车装用斜交轮胎时车窗发出的共振声响刺耳,改装配子午线轮胎后则此现象几乎完全消失。

长途客车装用斜交轮胎越过沟坑时,后排乘客由于颠簸有时被抛离座椅,头碰车顶,改用子午线轮胎后,这种现象基本上不出现。

目前一般认为,汽车在低速、高速下或在较坏、良好路面上行驶,即在低频振动和高频振动下行驶,子午线轮胎比斜交轮胎有较好的减震性能;但在中频(40～100Hz )振动下行驶,子午线轮胎的减震性能并不比斜交轮胎好。

减震特性的好坏是车况、路面和轮胎三者综合作用的结果,不同条件下有不同的反映。

但总而言之,子午线轮胎还是比斜交轮胎有较好的缓冲性能。