汽車輪胎生產(chǎn)基本工藝（一）

2018-09-01 06:59楊順根

橡塑技術(shù)與裝備 2018年17期

楊順根

(全國橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143)

楊順根（1933-），男，長期從事橡機(jī)行業(yè)工作和信息工作。曾任《橡塑技術(shù)與裝備》、《橡膠工業(yè)》、《世界橡膠》等刊物編委。編寫/主編了1964版、1982版和1992版《橡膠工業(yè)手冊》、《橡膠機(jī)械手冊》和《橡膠機(jī)械安裝、維護(hù)保養(yǎng)和檢修》，并撰寫了大量文章。現(xiàn)任中國化工裝備協(xié)會橡機(jī)專業(yè)委員會高級顧問，全國橡塑機(jī)械信息中心和石化橡塑節(jié)能環(huán)保中心資深顧問，中國橡膠工業(yè)協(xié)會《中國橡膠》專家組成員?！断鹉z工業(yè)手冊》獲化工部科技進(jìn)步三等獎（1997年），本人獲《中國橡膠》雜志全國百名突出貢獻(xiàn)信息工作榮譽(yù)稱號（2015年），獲《橡塑技術(shù)與裝備》創(chuàng)刊40年特殊貢獻(xiàn)者稱號（2015年）。2016年榮獲中國橡機(jī)工業(yè)“終身成就獎”。

1895年，法國研制成世界上第一條充氣輪胎。1935年我國上海大中華橡膠廠產(chǎn)出第一條汽車輪胎。1948年法國開始生產(chǎn)子午線輪胎。我國在生產(chǎn)了大約45年的斜交輪胎之后的20世紀(jì)80年代開始實施工業(yè)化生產(chǎn)子午線輪胎，在之后的年代里，我國輪胎產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，成為輪胎生產(chǎn)大國。2016年我國輪胎生產(chǎn)總量達(dá)到了6.10億條，其中子午線輪胎5.65億條，子午化率達(dá)到92.6%。少量斜交輪胎僅用于低速場合下使用的一般車輛及某些特種車輛。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，輪胎產(chǎn)業(yè)將進(jìn)一步適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度，進(jìn)一步提高產(chǎn)量和質(zhì)量，2017年的輪胎生產(chǎn)總量達(dá)到6.35億條，其中子午線輪胎5.91億條，子午化率提升到93%。

為普及輪胎生產(chǎn)知識，本文簡要介紹輪胎生產(chǎn)基本工藝技術(shù)情況，以供參考。

1 輪胎概述

1.1 輪胎產(chǎn)品的分類

輪胎一詞是輪胎產(chǎn)品的廣義詞，用于各種交通、運輸工具上的輪胎統(tǒng)稱，產(chǎn)品的實際分類情況如下。

1.1.1 按用途分類

（1）轎車和輕卡輪胎：主要裝用于小轎車和小型輕載汽車上的充氣輪胎。

（2）載重汽車輪胎：主要用于載貨汽車、客車及其掛車上的充氣輪胎。

（3）工程機(jī)械輪胎：用于輪式工程車輛和工程機(jī)械的輪胎。分為裝載機(jī)輪胎、鏟運機(jī)輪胎、平地機(jī)輪胎和壓路機(jī)輪胎等。

（4）工業(yè)車輛輪胎：主要用于工業(yè)車輛上的充氣輪胎、實芯輪胎和半實芯輪胎。分為叉車輪胎、電瓶車輪胎和平板車輪胎等。

（5）農(nóng)業(yè)輪胎：主要用于農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)車輛上的充氣輪胎。分為拖拉機(jī)輪胎、聯(lián)合收割機(jī)輪胎和農(nóng)業(yè)機(jī)具輪胎等。

（6）林業(yè)輪胎：主要用于林業(yè)機(jī)械和林業(yè)車輛上的充氣輪胎。

（7）航空輪胎：用于航空飛行器上的充氣輪胎。

1.1.2 按結(jié)構(gòu)分類

目前常用的為下列兩類：

（1）斜交輪胎

胎體簾布層和緩沖層各相鄰層簾線交叉，且與胎冠中心線呈小于90°角，排列的充氣輪胎。

（2）子午線輪胎

胎體簾布層簾線與胎冠中心線呈90°角，或接近90°角排列并以帶束層箍緊胎體的充氣輪胎。

1.1.3 按有無內(nèi)胎分類

（1）有內(nèi)胎輪胎：外胎內(nèi)腔中需裝配內(nèi)胎的充氣輪胎，壓縮空氣充注在內(nèi)胎中，內(nèi)胎上設(shè)有充氣止回閥（即氣門嘴）。

（2）無內(nèi)胎輪胎：外胎內(nèi)沒有內(nèi)胎的充氣輪胎，壓縮空氣直接充入輪胎內(nèi)腔，輪胎內(nèi)表面氣密層和胎圈與車輪輪輞著合，依靠內(nèi)壓實施自密封，以保持輪胎內(nèi)腔內(nèi)的氣壓。

1.2 輪胎胎側(cè)上輪胎規(guī)格表示方法及其他標(biāo)記內(nèi)容

1.2.1 輪胎規(guī)格表示方法

（1）一般輪胎規(guī)格表示方法。一般輪胎規(guī)格通常以英制表示。對于斜交輪胎：

（2）輪胎規(guī)格國際標(biāo)準(zhǔn)表示法

用國際標(biāo)準(zhǔn)表示輪胎規(guī)格時其內(nèi)容相對較復(fù)雜，通常以輪胎斷面寬度（mm）、輪胎扁平率（%）、輪胎結(jié)構(gòu)代號、輪輞名義直徑（in）四項為主表示。有些輪胎另外加注輪胎負(fù)荷指數(shù)和速度級別等代號。這種表示方法大都用于轎車子午線輪胎。標(biāo)記示例如下：

（3）輪胎規(guī)格公制表示法

有的國家，如俄羅斯，輪胎規(guī)格采用公制表示法，例如：

1.2.2 輪胎胎側(cè)上的其他標(biāo)記

每一條輪胎胎側(cè)上除標(biāo)記有輪胎規(guī)格外，還標(biāo)記有下列內(nèi)容：

（1）制造廠名、國名、商標(biāo)；

（2）最大負(fù)荷、充氣壓力；

（3）輪胎骨架材料、如全鋼子午線輪胎，則標(biāo)記“ALL Steel”；

（4）無內(nèi)胎輪胎標(biāo)記“TUBELESS”，有內(nèi)胎輪胎則無標(biāo)記；

（5）輪胎層級，如14PR、16PR，意為14層級、16層級，但并非表示實際的輪胎胎體簾布層層數(shù)。轎車子午胎不標(biāo)層級，層級主要標(biāo)記在載重輪胎胎側(cè)上。字母PR為英文Ply Ratimg兩字字頭組成；

（6）使用條件，全天侯輪胎標(biāo)記“ALL WEATH ER”，雪地輪胎標(biāo)記“SNOW”，冬季輪胎標(biāo)記“WINTER”；

（7）胎面花紋磨損后可以重新刻制花紋的標(biāo)記“REGROOVABLE”；

（8）得到美國和加拿大運輸局認(rèn)可的輪胎則標(biāo)有“DOT”標(biāo)記號。

此外，有的輪胎尚有生產(chǎn)編號、胎面磨耗標(biāo)記位置和檢查標(biāo)記等。有的也可以根據(jù)需要標(biāo)記其他內(nèi)容以指導(dǎo)用戶。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，歐盟、美日等國和地區(qū)先后出臺了“輪胎標(biāo)簽法”，要求輪胎必須加貼標(biāo)簽，內(nèi)容包括燃油效率、滾動阻力、濕路面抓著力和滾動噪聲的等級。RFID電子標(biāo)簽也可以將這些參數(shù)及其等級存儲。

從2016年7月1日起，我國輪胎產(chǎn)品開始實行輪胎身份證植入輪胎射頻識別（RFID）電子標(biāo)簽，通過采集終端讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，與管理軟件配合，實現(xiàn)對輪胎生命周期資料的記錄及追溯。

1.3 速度級別和負(fù)荷指數(shù)

1.3.1 速度級別

每一種規(guī)格的輪胎均有一個相應(yīng)的速度級別，每個速度級別對應(yīng)一個最高時速，如表1所示。但一般跑高速公路的轎車可選H級輪胎，一般選擇T級輪胎就已足夠。

表1 輪胎速度級別

1.3.2 負(fù)荷指數(shù)

汽車輪胎在用棉纖維作為骨架材料的年代，用簾布層數(shù)代表輪胎的負(fù)荷能力，后來又改用簾布層級來表示（層級和層數(shù)不是一個概念）。在新型高強(qiáng)度簾線不斷發(fā)展和應(yīng)用的情況下，采用“負(fù)荷指數(shù)”取代“層級”的表示方法。國際標(biāo)準(zhǔn)將可以預(yù)見到的負(fù)荷量從小到大依次劃分為280個等級負(fù)荷指數(shù)，每個指數(shù)代表一級“輪胎負(fù)荷能力”，相鄰級的指數(shù)差級約3%。最低負(fù)荷指數(shù)為“O”，其相應(yīng)負(fù)荷為45 kg(0.44 kN)，最高負(fù)荷指數(shù)為279，其相應(yīng)負(fù)荷為136 000 kg(1 334 kN)。

常用負(fù)荷指數(shù)及其對應(yīng)的負(fù)荷量見表2。

2 輪胎基本結(jié)構(gòu)

2.1 斜交輪胎基本結(jié)構(gòu)

斜交輪胎者顧名思義是胎體簾布呈45°斜載后以交叉貼合的方式構(gòu)成胎體受力骨架。斜交輪胎的基本結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。雙鋼絲圈的結(jié)構(gòu)主要用于載重斜交輪胎，而單鋼絲圈的結(jié)構(gòu)主要用于輕型斜交輪胎。斜交輪胎主要由胎面、胎側(cè)、緩沖層、胎體簾布層、內(nèi)襯層、鋼絲圈等部件構(gòu)成。這種輪胎由于胎體簾布層多，胎體厚實、堅固，胎側(cè)膠較厚不易損壞。鋼絲圈為方形，其三角膠較短，但起填充作用。斜交輪胎消耗原材料多，滾動阻力大，緩沖性能欠佳、耗油量多，不適合高速行駛。

圖1 雙鋼絲圈斜交輪胎斷面圖

斜交輪胎的胎面花紋有普通花紋、混合花紋和越野花紋等，胎面花紋合理與否，同樣影響到行駛性能。

表2 常用輪胎負(fù)荷指數(shù)及其對應(yīng)的負(fù)荷量

圖2 單鋼絲圈斜交輪胎斷面圖

圖3 斜交輪胎剖面圖

斜交輪胎一般均為有內(nèi)胎輪胎，內(nèi)胎和車輛輪輞之間襯有墊帶以防內(nèi)胎與輪輞之間產(chǎn)生摩擦而損壞內(nèi)胎。

不論是斜交輪胎還是子午線輪胎，均與汽車輪軸上的輪輞配合使用，如圖4所示，通過氣門嘴向內(nèi)胎充入壓縮空氣，充氣氣壓為0.3～0.6 MPa，視不同輪胎而定。在內(nèi)胎充氣壓力作用下，將輪胎胎圈部位緊緊箍緊在輪輞上。

圖4 輪胎與汽車車軸上輪輞的裝配

斜交輪胎經(jīng)歷了上百年的發(fā)展和使用歷史，為交通事業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，然而我國從20世紀(jì)80年代開始，子午線輪胎在引進(jìn)技術(shù)推動下，取得了意想不到的飛速發(fā)展，到2016年，除少數(shù)品種輪胎外，基本達(dá)到全面子午化，子午線輪胎產(chǎn)量達(dá)到5.65億條，而斜交輪胎產(chǎn)量僅為0.45億條。

2.2 子午線輪胎基本結(jié)構(gòu)

子午線輪胎的子午線系指胎體簾線與輪胎胎冠中心線呈90°或接近90°排列，即胎體簾線呈子午向排列。輪胎胎體簾布上方有強(qiáng)度很高的鋼絲帶束層緊箍著胎體，因此子午線輪胎內(nèi)壓對簾線產(chǎn)生的應(yīng)力比對斜交輪胎胎體簾線的應(yīng)力約低50%，從而可減少胎體簾布層數(shù)，且可降低滾動阻力20%～35%，節(jié)油5%～10%。載重子午線輪胎的帶束層承受輪胎總應(yīng)力60%～75%，而斜交輪胎胎體簾布層承受總應(yīng)力的80%～90%。子午線輪胎胎側(cè)徑向變形比普通結(jié)構(gòu)斜交輪胎大25%～30%，側(cè)向剛性低10%～30%。胎側(cè)承受的最大應(yīng)力比斜交輪胎高一倍。

圖5和圖6所示為子午線輪胎的解剖圖，圖6所示頂層帶束層兩邊增設(shè)了0°帶束層，其功能是當(dāng)輪胎負(fù)載行駛時，帶束層的應(yīng)力幾乎被完全消除，僅產(chǎn)生較小的變形，當(dāng)沒有0°帶束層時，帶束層邊緣應(yīng)力集中而產(chǎn)生變形。

圖5 子午線輪胎剖面圖

圖6 具有0°帶束層的子午線輪胎剖面圖

圖7所示為設(shè)有0°帶束層的有內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎斷面圖。圖8所示為設(shè)有0°帶束層的無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎斷面圖。無內(nèi)胎輪胎的內(nèi)腔氣密層要求極高的氣密性，胎圈部位有15°的斜度，以便和輪輞配合靠內(nèi)壓自行密封。0°帶束層技術(shù)源自意大利Pirelli公司。

圖7 帶0°帶束層的有內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎斷面圖

圖8 帶0°帶束層的無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎斷面圖

圖9所示為轎車子午線輪胎的斷面圖。圖10所示為全鋼載重子午線輪胎斷面圖。前者結(jié)構(gòu)相對簡單一些，但行駛速度高、性能要求高、多年來追求扁平化。轎車子午線輪胎的扁平化，在高速行駛下有利于汽車的穩(wěn)定性和乘坐的舒適性。

全鋼載重子午線輪胎的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，必須具備重載高速行駛性能。

子午線輪胎一般由胎體簾布層、內(nèi)襯層、胎面、帶束層、胎側(cè)、鋼絲圈及其三角膠和一些小部件組成，轎車子午線輪胎的胎體簾布大多用尼龍簾布或聚酯簾布、芳綸簾布，帶束層則用鋼絲簾布，鋼絲圈則多用六角形，少有用方形的。對于全鋼載重子午線輪胎，胎體和帶束層均采用鋼絲簾布作為骨架材料。由于子午線輪胎的結(jié)構(gòu)特點。六角形鋼絲圈的填充三角膠的高度比斜交輪胎的高很多，且由兩種膠料構(gòu)成，以滿足其工作特點，胎面膠的不同部位據(jù)性能要求采用不同膠料構(gòu)成，并在部分子午線輪胎生產(chǎn)中采用白炭黑作為填充劑，并正在研究試用石墨烯作為填充材料，以提高胎面的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械性能。

圖9 轎車子午線輪胎斷面圖

圖10 全鋼載重子午線輪胎斷面圖

2.3 胎面花紋

輪胎的胎面是輪胎使用膠料最多的地方，為提高輪胎行駛過程中對地面的抓著力，同時也可減少膠料的用量，在輪胎硫化過程中通過內(nèi)壓作用硫化出與輪胎模型花紋相對應(yīng)的胎面花紋。

早期的胎面花紋有普通花紋，如煙斗花紋（橫向花紋）、鋸齒形或波浪形花紋（縱向花紋）；混合花紋及越野花紋。對于轎車子午線輪胎，宜考慮適于各種道路和氣候條件的全天侯花紋，同時考慮耐磨性能、排水性能、牽引性能和噪音等問題，以適應(yīng)高速行駛的要求。

輪胎花紋設(shè)有磨損標(biāo)志，當(dāng)輪胎胎面花紋磨損到磨損標(biāo)志時，必須換上新胎。磨損標(biāo)志設(shè)在胎面基礎(chǔ)以上1～1.6 mm處。

有資料介紹，對于花紋溝的深度：普通花紋為9～10 mm，雪地花紋為14～15 mm（斜交輪胎），子午線輪胎為11～12 mm，高速輪胎花紋為7～8 mm。

3 輪胎生產(chǎn)工藝流程

汽車輪胎是由各種部件組合而成，首先要制備各種輪胎部件的膠料，然后利用具有不同特性的膠料與相關(guān)材料制成各種輪胎部件，將各種部件組合成型成胎坯，最后經(jīng)過硫化制成成品輪胎。

不同結(jié)構(gòu)的輪胎的生產(chǎn)工藝流程也不相同。

3.1 斜交輪胎的生產(chǎn)工藝流程

斜交輪胎的生產(chǎn)工藝流程如圖11所示，它由簾布壓延系統(tǒng)、胎面膠系統(tǒng)、鋼絲圈系統(tǒng)、成型硫化系統(tǒng)、內(nèi)胎和墊帶系統(tǒng)等組成。

3.2 輕卡、轎車子午線輪胎生產(chǎn)工藝流程

輕卡、轎車子午線輪胎的生產(chǎn)工藝有二次法生產(chǎn)工藝和一次法生產(chǎn)工藝兩種。所謂二次法生產(chǎn)工藝和一次法生產(chǎn)工藝，其區(qū)別主要在于子午線輪胎的成型。二次法成型在兩臺機(jī)器上分別完成胎體組件成型和帶束層胎面組件成型，然后將胎體組件移至第二臺成型機(jī)的定型（成型）鼓上完成組合成型。在部件制備和膠料加工、輪胎硫化方面，二次法和一次法沒有什么差異。

輕卡、轎車子午線輪胎二次法生產(chǎn)工藝流程和一次法生產(chǎn)工藝流程分別見圖12和圖13。

3.3 全鋼載重子午線輪胎生產(chǎn)工藝流程

全鋼載重子午線輪胎生產(chǎn)工藝同樣有二次法和一次法兩種生產(chǎn)工藝，但二次法生產(chǎn)工藝僅在少數(shù)引進(jìn)國外二次法生產(chǎn)工藝的企業(yè)使用，沒有消化吸收和推廣使用，我國消化吸收和推廣使用的是一次法生產(chǎn)工藝，開發(fā)的成型機(jī)是二鼓、三鼓和四鼓全鋼載重子午線輪胎一次法成型機(jī)。

圖14和圖15所示為兩種一次法成型全鋼載重子午線輪胎的生產(chǎn)工藝流程，其區(qū)別是圖14所示的流程中具有0°帶束層（參見圖7），這是意大利Pirelli的工藝技術(shù)，而圖15所示則沒有0°帶束層，其他工藝流程基本一樣。