輪胎耐磨性能探討與出租車專用輪胎的開發

任振興，王鷺飛，韓 磊，馬麗華，王 君，徐 偉，劉 杰，孫 超

（青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266400）

隨著新能源技術的不斷發展，燃油汽車尾氣排放造成的大氣污染問題逐步得到遏制。但輪胎磨損會產生有害的微小顆粒物，也會造成環境污染。

輪胎是完全暴露在外界唯一與地面接觸的汽車部件。車輛能夠在路面上產生橫向、縱向等運動，完全是由輪胎與地面接觸的作用結果。在車輪滾動過程中，由于輪胎與地面之間的相對運動，使輪胎的胎面、胎側和胎圈等部位受到應力作用，根據能量守恒定律，在受力變形過程中必然消耗一定的能量。胎面磨耗是輪胎與地面在各種作用形式和環境條件下相互作用、胎面膠逐漸脫落的過程。胎面磨耗直接影響輪胎的使用壽命[1]。

1 輪胎磨耗的影響因素

1.1 外部因素

輪胎在使用過程中受到外部環境的影響，初期具有的機械性能、外觀、形狀等隨著使用時間的延長而發生變化。

在氧氣和臭氧的作用下，橡膠的交聯結構會與氧氣和臭氧發生反應，使得膠料的物理性能下降。橡膠在高溫下會產生分解，低溫下會發生脆化現象。在外界高低溫度的影響下，當受外力作用時橡膠會產生內部和外部的開裂等問題。在光的作用下橡膠也會劣化，橡膠分子鏈之間的網狀結構會發生斷裂，輪胎表面出現斷裂、發粘、硬化、噴霜和龜裂等現象。橡膠遇到油或有機溶劑時會膨脹，導致膠料的物理性能下降。油的擴散速度隨著溫度升高而加快，因此在高溫下橡膠的劣化速度更快。

在外界因素的影響下，橡膠的彈性和抗撕裂性能等大幅降低，對輪胎磨耗產生較大的影響。同時，不同車輛的驅動和制動裝置以及駕駛方式和習慣等都對輪胎的磨耗產生一定的影響。研究表明[2]：輪胎的行駛速度越快、充氣壓力越小或負荷越大，胎面的磨耗速率越大；制動和側偏工況下胎面的磨耗速率均遠大于自由滾動下胎面的磨耗速率。

1.2 內部因素

由于輪胎是由多部件、多材料組合而成，不同的胎體材料、花紋角度、花紋飽和度等都對輪胎的磨耗產生一定的影響。

陳龍等[3]研究了花紋角度對輪胎磨耗的影響。結果表明：花紋塊的磨耗主要發生在前進方向的側面，且與該側面垂直的前表面也易產生磨耗，在兩個表面交界處的磨耗最顯著；花紋磨耗偏角明顯影響花紋塊的耐磨性能，隨著花紋角度的增大，花紋塊同一位置區域磨耗寬度逐漸增大，磨耗表面形成的凹坑也逐漸變大；在仿真分析中，應力分布可以表征花紋塊的磨耗程度。

龍飛飛等[4]研究了不同煉膠工藝對半鋼輪胎耐磨性能的影響。結果表明，采用新型煉膠工藝可以改善炭黑和白炭黑的分散性，提高胎面膠的耐磨性能。

2 輪胎磨耗機理

輪胎不僅承載汽車質量，而且還起到驅動、轉向和制動的作用，因受到各方向應力的作用會導致胎面磨耗。輪胎從剛開始的緩慢磨耗到最終的嚴重磨耗可分為不同的種類。

2.1 變形損失摩擦磨耗

不同路面的粗糙程度不同，由于路面的凹凸導致胎面部位的橡膠產生變形，車輛在行駛過程中，壓縮與回彈反復進行，在這個過程中產生一定的能量損失，橡膠發生細小的劣化，輪胎產生輕微破損磨耗，一般為輪胎自由轉動下產生的細小輕微磨損。

2.2 粘著摩擦磨耗

在制動力和驅動力的作用下，輪胎與路面產生粘著摩擦力，在行駛過程中，輪胎與路面反復產生脫離與粘著，發生能量損失，橡膠表面產生磨耗。

2.3 彎曲摩擦磨耗

車輛在行駛過程中會出現不同程度的緊急制動和急轉彎等情況，輪胎會沖擊路面，橡膠受到較強的剪切應力而發生能量損失，輪胎產生鱗狀粗糙磨耗，輪胎表層至里層產生磨耗。

2.4 沖擊摩擦磨耗

車輛在混凝土和瀝青等粗糙路面上行駛時受到較強的剪切應力作用，輪胎表面出現破損磨耗，路面越粗糙，車輛行駛速度越快，負荷越大，剪切應力遠大于胎面膠的拉伸強度，輪胎磨耗越嚴重。

3 輪胎異常磨損

3.1 胎肩磨損

輪胎兩側胎肩產生異常磨損的主要原因是輪胎充氣壓力偏低或輪輞寬度大于標準輪輞，因此輪胎在使用過程中需要及時補足充氣壓力且采用標準輪輞進行安裝。胎肩異常磨損實例見圖1。

圖1 胎肩異常磨損

3.2 中心部位磨損

胎面圓周中心部位出現異常磨損的主要原因是輪胎充氣壓力偏高或輪輞寬度小于標準輪輞，因此輪胎在使用過程中需要及時調整充氣壓力且采用標準輪輞進行安裝。中心部位異常磨損實例見圖2。

圖2 中心部位異常磨損

3.3 對角磨損

胎肩部位至對面胎肩部位出現一定角度或不規則角度磨損的主要原因是車輪定位異?；蛑苿渔i死，因此輪胎在使用過程中需要定時對車輛進行四輪定位。胎面對角磨損實例見圖3。

圖3 胎面對角磨損

3.4 羽毛狀磨損

胎面圓周方向呈羽毛狀或波浪狀磨損的主要原因是車輪定位異常、急側偏或車輛打滑，因此需要定期對車輛進行保養定位。羽毛狀磨損實例見圖4。

圖4 羽毛狀磨損

3.5 偏磨

胎面圓周上一側產生磨損的主要原因是不適當的車輪定位、輪胎安裝不當或沒有按輪胎交換時間點進行交換，因此在偏磨發生時應及時檢查輪胎的安裝是否合適，并對車輛進行四輪定位。偏磨實例見圖5。

圖5 偏磨

4 出租車專用輪胎的開發

4.1 技術要求

參照GB/T 2978—2014，確定205/55R16 91V出租車專用輪胎的技術參數如下：充氣外直徑（D′） 626 ～638 mm，充氣斷面寬（B′）205～223 mm，標準輪輞 6.5J，標準充氣壓力250 kPa，標準負荷 615 kg，負荷指數 91，速度級別 H，輪胎前輪要求使用壽命為12萬km。

4.2 結構設計

4.2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

由于輪胎在充氣后會在橫向和縱向產生膨脹，不同B的輪胎在橫向和縱向產生的膨脹大小不同，一般高系列的輪胎，B方向的膨脹大于D方向的膨脹；低系列的輪胎主要是D方向的膨脹，B方向的膨脹小。

為保證成品輪胎的D和B滿足國家標準要求，本次設計D取629 mm，B取219 mm。

4.2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b與輪胎的寬度息息相關，b過小，輪胎容易早期磨肩；b過大，容易發生肩空等問題。

為確保輪胎的耐磨性能，本次設計b取172 mm，h取8.7 mm。

4.2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

為了保證輪胎在使用過程中易拆卸和安裝，同時保證輪胎在高速行駛過程中不會產生脫圈問題，本次設計d取404.2 mm，C取182 mm。

4.2.4 胎面花紋

根據耐磨輪胎的行駛路況和使用條件，胎面花紋針對節距、花紋飽和度和花紋溝深度等進行設計。合理的花紋塊形狀能保證花紋塊每個部位的強度均衡，避免異常磨損，提高操縱穩定性；5種節距的引入會使各節距間的變化更加合理，節距序列更加穩定，有效減小噪聲峰值能量；最佳的主溝位置與寬度設定能夠保持接地壓力均衡，提高耐磨和抗濕滑性能；合理的鋼片數量以及形態設定可以獲得更好的接地壓力分布；另外鋼片能有效地劃破水膜，使輪胎獲得更好的抗濕滑性能；使用鋼片加封閉式胎肩設計，在保證更好的通過噪聲同時獲得更長的行駛里程；多節距數量設定，可以減小大節距尺寸，有效降低噪聲。

輪胎胎面花紋見圖6。

圖6 胎面花紋示意

（1）節距設計。采用5種節距，節距數量為70，平均節距寬度為28.2 mm。

（2）花紋飽和度設計。為提高輪胎的耐磨性能，采用較高的花紋飽和度，平均花紋飽和度為70%，橫向花紋寬度約為節距寬度的11%，中間兩條縱溝寬度為行駛面寬度的5.5%，肩部兩條縱溝寬度為行駛面寬度的5.8%。

（3）花紋溝深度設計。為保證輪胎的使用壽命，確保輪胎能夠達到目標行駛里程，結合胎面膠配方的耐磨體系，模具中心花紋溝深度為8.5 mm。

4.3 施工設計

4.3.1 胎面

考慮到出租車行駛路況復雜的特點，本次設計的原則是平衡普通路面和苛刻路面的耐磨性能。通過重點設計胎面膠配方的生膠體系和補強填充體系，在保證普通路面耐磨性能的同時兼顧沙石等苛刻路面的耐磨性能。同時，胎面基部膠采用低生熱膠料，其厚度比普通輪胎胎面基部膠偏大，以避免輪胎行駛時間過長導致生熱過高而出現鼓包的問題。同時增大胎面整體厚度，以確?；y溝底基部膠厚度大于2.0 mm，較厚的花紋溝底膠能夠有效地避免輪胎在行駛過程中出現溝底裂的問題。

胎面膠配方特點如下。

（1）生膠體系：順丁橡膠（BR）由于分子鏈柔順性好，玻璃化溫度較低，具有優異的耐磨性能，因此胎面膠通常采用40～45份BR（牌號9000），同時并用55～60份（以干膠計）乳聚丁苯橡膠（ESBR，牌號1723），其相對溶聚丁苯橡膠[5]在苛刻路面有更好的拉伸性能和抗撕裂性能，可以減少尖銳石子帶來的損傷，但在普通路面耐磨性能會有一定的損失。天然橡膠（NR）雖然強度高，但其耐老化性能較差，不利于后期磨耗，因此胎面膠配方不選用NR。

（2）補強填充體系：由于BR的模量和強度較小，需選用結構性較高的細粒子炭黑來提高膠料的模量和強度，炭黑VQ和N234都具有較高的結構度和較大的比表面積，但炭黑VQ的比表面積更大，補強性能和耐磨性能更好，因此胎面膠的補強填充體系采用68～72份炭黑VQ或炭黑N234并用5～10份高分散性白炭黑，白炭黑可以提高膠料的抗撕裂性能。但高結構細粒子炭黑的分散相對困難，尤其是ESBR體系，炭黑分散性對膠料的耐磨性能產生影響，因此需要優化混煉工藝，另外再增加2份加工助劑可以提高炭黑分散性。

（3）軟化增塑體系：除ESBR自身含油外，可再增加5份以內的油，以平衡膠料的硬度，但油用量過大會降低膠料的耐磨性能。

（4）防護體系：防老劑6PPD/4020用量為2～2.5份，防老劑TMQ/RD用量為1～2份，防護蠟用量為1.5份。

（5）活化體系：氧化鋅和硬脂酸的用量為4.5份。

（6）硫化體系：硫黃和促進劑的用量為3份，硫黃用量過大會生成不穩定多硫鍵，對膠料的耐老化性能不利。

4.3.2 胎側、胎體和帶束層

由于出租車行駛里程高，日均行駛里程約為300 km，這就需要輪胎具有優異的耐久性能，同時出租車行駛路況復雜，要求胎面和胎側具有較強的抗沖擊能力。為提高輪胎的耐久性能，本次設計胎體采用2層1100dtex聚酯簾布，帶束層采用2層2×0.30ST鋼絲簾線。為減少耐久性能試驗過程中胎肩部位帶束層端點重復剪切和胎側簾布反包端點處頻繁屈撓生熱，1#帶束層邊部加貼1層厚度為0.7 mm、寬度為20 mm的貼邊膠，同時1#胎體的反包高度增大，距離行駛面約25 mm。為提高胎側的抗撞擊性能，本次設計胎側厚度比普通轎車輪胎增大10%。

4.3.3 胎圈和三角膠

本次設計鋼絲圈采用直徑為0.96 mm的鋼絲，排列方式為4-5-4，安全倍數大于6。三角膠高度為35 mm。

4.4 成品輪胎性能

4.4.1 充氣外緣尺寸

輪胎的充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2018進行測量。輪胎在標準充氣壓力下的D′為630 mm，B′為212 mm，達到了技術要求。

4.4.2 強度和脫圈阻力

輪胎的強度和脫圈阻力按照GB/T 4502—2023進行測試。試驗充氣壓力為180 kPa，國家標準要求輪胎的最小破壞能為295 J，最小脫圈阻力為8 890 N。經測試，輪胎的破壞能為551 J，脫圈阻力為12 460 N，兩項性能均達到國家標準要求。

4.4.3 高速性能

輪胎的高速性能按照GB/T 4502—2023進行測試。試驗條件為：充氣壓力 280 kPa，負荷率為80%，要求在（38±3） ℃的溫度下停放3 h以上。輪胎高速性能試驗步驟見表1。

表1 輪胎高速性能試驗步驟

經測試，輪胎的高速性能通過270 km·h-1×2 min階段，達到了國家標準要求（≥240 km·h-1）。

4.4.4 耐久性能

輪胎的耐久性能先按照GB/T 4502—2023進行測試，超過國家標準要求（≥34 h）后再按照企業標準進行測試。試驗條件為：充氣壓力180 kPa，要求在（38±3） ℃的溫度下停放3 h以上，試驗速度 120 km·h-1；低氣壓下行駛時間≥1.5 h，低氣壓為140 kPa，要求在（38±3） ℃的溫度下停放3 h以上，試驗速度與常規耐久性能試驗相同。輪胎耐久性能試驗步驟見表2。

經測試，輪胎的累計行駛時間為60 h，試驗結束時輪胎未損壞，達到了標準要求。

4.4.5 實車行駛里程

選擇205/55R16 91V燃油出租車為試驗車型，整車4條輪胎換裝，路試期間不更換輪位，試驗地點為青島市，城市鋪裝路面約占90%，高速道路約占10%，中長途距離為50～500 km，短途距離小于50 km，車輛平均行駛速度為60 km·h-1，載質量小于0.7 t，輪胎充氣壓力為250 kPa。

經過約14個月的實車行駛里程試驗，輪胎的行駛里程約為11萬km，前輪平均磨耗量為3.4 mm，平均單位磨耗里程為33 000 km·mm-1；后輪平均磨耗量為2.2 mm，平均單位磨耗里程為51 600 km·mm-1，預計輪胎前輪的使用壽命約為20萬km，后輪的使用壽命約為27萬km。

5 結語

輪胎對汽車的承載、操縱和制動等起到決定性的作用，輪胎的耐磨性能越好，不僅能夠節約汽車的使用成本，更能降低空氣中有害顆粒的排放，減少大氣污染。輪胎的耐磨性能受內部和外部等因素的影響，同時輪胎的結構和配方等都對輪胎的耐磨性能產生重要影響。205/55R16 91V出租車專用輪胎的充氣外緣尺寸、強度、脫圈阻力、高速性能和耐久性能均達到相應的國家標準要求，同時輪胎的耐磨性能滿足出租車行駛里程需要。