輪胎用骨架材料的性能及其與輪胎性能的關(guān)系――Ⅰ輪胎簾子線的動(dòng)

1、講座彈性體,2002206225,12(3:6870CHI NA E LAST OMERICS 收稿日期:2001211227作者簡(jiǎn)介:高稱意(1946-,男,河北任丘人,北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院高級(jí)工程師,從事橡膠制品用骨架材料的性能研究、粘合技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化工作,已發(fā)表論、譯文近60篇。輪胎用骨架材料的性能及其與輪胎性能的關(guān)系輪胎簾子線的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能高稱意(北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院,北京100039摘要:全面介紹了輪胎用纖維骨架材料靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,分析了纖維骨架材料的性能與輪胎性能的關(guān)系。關(guān)鍵詞:輪胎;纖維骨架材料;靜態(tài)性能;動(dòng)態(tài)性能;關(guān)系中圖分類號(hào):T Q 336.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

2、:E 文章編號(hào):100523174(20020320068203(接上期近年來,M.J.otto 、E.Th.Steyn 和F.Elkink 2對(duì)包括芳綸簾線在內(nèi)的各種纖維簾線的滯后生熱性能做了系統(tǒng)研究,認(rèn)為使用中輪胎的溫度取決于載荷和速度,也因輪胎種類而異。載重胎胎肩部位溫度可達(dá)130,多層胎體輪胎由于普遍存在的超載超速狀況,實(shí)際溫度可能還要超過這個(gè)溫度。載重胎內(nèi)簾線生熱對(duì)輪胎溫度升高的貢獻(xiàn)率超過50%,乘用胎中這個(gè)比例稍低些。因此,研究高溫狀態(tài)下簾線的滯后生熱性能對(duì)指導(dǎo)輪胎設(shè)計(jì)有意義。他們研究了在用各種纖維材料的簾線,選取了二股結(jié)構(gòu)簾線,用相同捻系數(shù)(147、175和205進(jìn)行加捻,對(duì)應(yīng)的

3、簾線纖維螺旋升角分別為20.5°、24.1°和27.5°。圖12是他們對(duì)各種簾線在130定載荷(斷裂強(qiáng)力的5%25%拉伸-回復(fù)滯后試驗(yàn)中各種簾線的滯后圈圖。顯示出人造絲與芳綸簾線的滯后圈最窄,而錦綸和聚酯簾線的滯后圈呈香蕉形,寬度47倍于前述二種簾線的滯后圈,表明人造絲與芳綸簾線的滯后生熱最低。圖12主要紡織纖維增強(qiáng)材料的滯后圈動(dòng)態(tài)載荷:2%25%斷裂強(qiáng)力為便于比較不同簾線在輪胎內(nèi)的生熱,他們還對(duì)各種簾線在20下的強(qiáng)度以芳綸為基準(zhǔn)進(jìn)行修正,即把使用不同簾線所需質(zhì)量不同這個(gè)因素考慮進(jìn)來計(jì)算簾線在等強(qiáng)力狀態(tài)下的生熱情況,這種數(shù)據(jù)處理方式被稱之為歸一化處理。他們對(duì)前述試

4、驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后得出的結(jié)論是:各種纖維材料可分為兩類:結(jié)晶度較低有明晰的無定形區(qū)的柔性分子鏈的纖維(錦綸和聚酯和高結(jié)晶度的剛性分子鏈的纖維(人造絲和芳綸,前者滯后生熱較高,后者滯后生熱較低。錦綸和聚酯的滯后損耗功(生熱與試驗(yàn)應(yīng)力范圍的關(guān)系相似但有別于芳綸和人造絲。人造絲的生熱性比芳綸稍大。但溫度依賴性遠(yuǎn)不象聚酯和錦綸簾線那樣強(qiáng)。芳綸的生熱性在任何溫度下都很低,只及錦綸、聚酯的1/71/20(隨最大負(fù)荷和往復(fù)周數(shù)的變化而異。芳綸簾線的結(jié)構(gòu)(粗細(xì)之差的生熱幾近相同,見表4。表4不同簾線在20和130下的靜態(tài)力學(xué)性能和在130的相對(duì)生熱項(xiàng)目及單位材料芳綸芳綸錦綸6錦綸66高模低縮聚酯普通聚酯

5、人造絲密度/(g cm -31.441.441.141.141.401.401.53簾線結(jié)構(gòu)1680/23360/31870/21870/21670/21670/21830/2捻度/(T m -1405230340340395395395捻系數(shù)205斷裂強(qiáng)度(2013.813.46.847.105.275.273.53cN/dtex (1301.201.174.905.003.803.803.5020、15%斷強(qiáng)定伸1.2%1.5%8.0%7.1%2.7%2.8%1.35%歸一化因子1.01.032.021.942.622.623.81130以1680dtex/2芳綸為基準(zhǔn)的相對(duì)生熱最大載荷:

6、5%斷強(qiáng)1.01.3151518151.3最大載荷:10%斷強(qiáng)1.01.3121215121.3最大載荷:15%斷強(qiáng)1.01.1101115121.8最大載荷:20%斷強(qiáng)1.01.181014132.1最大載荷:25%斷強(qiáng)1.01.07.58.512.511.52.2他們研究了芳綸簾線在130下生熱與不同的試驗(yàn)應(yīng)力幅度的關(guān)系,見圖13。發(fā)現(xiàn)隨試驗(yàn)應(yīng)力幅度的增大,生熱以大于應(yīng)力幅度平方的速率提高。其它材料的簾線的行為與之相似 。圖131680/2芳綸簾線在130定負(fù)荷往復(fù)試驗(yàn)中損耗功與循環(huán)載荷的關(guān)系他們還研究了溫度對(duì)滯后生熱的影響,發(fā)現(xiàn)半結(jié)晶的錦綸和聚酯簾線的生熱由于存在玻璃化轉(zhuǎn)變而對(duì)溫度有極強(qiáng)

7、的依賴性,生熱在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近出現(xiàn)峰值,但峰值出現(xiàn)的溫度和該峰的寬窄即出現(xiàn)峰值的溫度范圍不同。芳綸在整個(gè)試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)生熱接近恒定,低于聚酯和錦綸簾線生熱的1/51/15。人造絲的生熱稍有增加。值得注意的是,盡管半結(jié)晶的纖維簾線在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上生熱降低,但簾線長(zhǎng)度卻有明顯增加,這是由于分子的相互作用在溫度提升時(shí)變得更加薄弱,而簾線長(zhǎng)度增加則使分子鏈取向度提高,并使動(dòng)態(tài)模量變得更高和生熱稍有降低,僅有部分的伸長(zhǎng)是由于分子鏈的滑動(dòng)而引起的,見圖14。此項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果見表4。荷蘭Acordis AK Z O 公司的Frits Elkink 通過研究找到了不同品種纖維的簾線在不同溫度下的損耗功的

8、變化規(guī)律,結(jié)果見圖15(2。發(fā)現(xiàn)熱塑性纖維(有明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度簾線都有一使損耗功出現(xiàn)峰值的溫度,玻璃化溫度越低,峰值溫度越低。熱固性的人造絲、芳綸簾線在任何溫度下其損耗功變化不大,這就是這兩種材料適宜作為高速輪胎骨架材料的原因 。圖14各種纖維輪胎簾線在動(dòng)態(tài)載荷(常溫?cái)嗔褟?qiáng)力的7%15%下的生熱載荷:正弦型,頻率1赫茲,振幅:強(qiáng)度的6%14%96第1期高稱意.輪胎用骨架材料的性能及其與輪胎性能的關(guān)系 圖15不同品種簾線在不同溫度下的滯后損耗功他還通過試驗(yàn)修正了“在往復(fù)滯后試驗(yàn)中,簾線的損耗功與應(yīng)力或應(yīng)變幅度的平方成正比”的傳統(tǒng)理論。用高模低縮聚酯簾線作了不同應(yīng)力幅度、不同應(yīng)變幅度下滯后損失

9、試驗(yàn),并測(cè)算出每個(gè)周期內(nèi)單位重量簾線的損耗功,發(fā)現(xiàn)損耗功與應(yīng)變幅度的2.7次方成正比,而對(duì)應(yīng)力幅度來講,損耗功與應(yīng)力幅度的5次方成正比,見圖16。1.3纖維骨架材料的耐疲勞性能34盡管采用常規(guī)的試驗(yàn)方法可以對(duì)纖維骨架材料的物理性能做出評(píng)價(jià)。但僅僅這樣做在很多時(shí)候還不足以對(duì)纖維骨架材料在輪胎內(nèi)的性能做出準(zhǔn)確、完整的評(píng)價(jià)。所以有時(shí)還需進(jìn)行輪胎的試驗(yàn),然而這種試驗(yàn)程序復(fù)雜,成本高且費(fèi)時(shí)。因此人們多年來一直在開發(fā)試驗(yàn)方法以對(duì)輪胎內(nèi)的纖維骨架材料的性能做出更有價(jià)值的評(píng)價(jià) 。高模低縮型聚酯簾線20,捻系數(shù)=175圖16高模低縮型聚酯簾線滯后損耗功與動(dòng)態(tài)應(yīng)變幅度的關(guān)系在這方面,眾多輪胎公司開發(fā)出了不同的簾線

10、耐疲勞試驗(yàn)方法及相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。這些試驗(yàn)方法及裝置按被測(cè)簾線的狀態(tài)可分為兩類:一類是單純檢測(cè)簾線的耐疲勞性,即被測(cè)簾線處在空氣介質(zhì)中進(jìn)行試驗(yàn),另一類是被測(cè)簾線以橡膠為介質(zhì)即制成簾線-橡膠復(fù)合體試樣進(jìn)行試驗(yàn)。這兩類試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)簾線的耐疲勞行為試驗(yàn)屬動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法,但后者更加接近簾線真實(shí)使用狀況,因而能更準(zhǔn)確地反映橡膠制品內(nèi)簾線的耐疲勞性能。這類試驗(yàn)方法通常被稱為“在橡膠內(nèi)”簾線疲勞試驗(yàn)。由于纖維骨架材料的耐疲勞性能試驗(yàn)除受到纖維固有性能的影響,還受橡膠的影響。所以同許多破壞性試驗(yàn)方法相仿,纖維骨架材料的疲勞性能試驗(yàn)受多種因素影響,諸如捻度、浸漬材料的種類和附膠量及橡膠的性能等因素都會(huì)對(duì)纖維骨架材料

11、的疲勞行為有重大影響。此外還應(yīng)認(rèn)識(shí)到,僅靠某一種疲勞試驗(yàn)方法還不可能對(duì)纖維骨架材料在橡膠制品內(nèi)出現(xiàn)的所有疲勞應(yīng)力或疲勞應(yīng)變做出評(píng)價(jià)。為此,人們發(fā)明了各種不同型式的纖維骨架材料疲勞性能試驗(yàn)機(jī)及其各自相應(yīng)的試驗(yàn)程序。一種試驗(yàn)裝置僅能對(duì)纖維骨架材料的壓縮疲勞、拉伸疲勞、壓縮-拉伸復(fù)合疲勞、屈撓疲勞等行為中的某一種做出評(píng)價(jià),要全面了解纖維骨架材料的耐疲勞性能,應(yīng)進(jìn)行不同試驗(yàn)方法的試驗(yàn)以對(duì)簾線的耐疲勞性能做出綜合、全面評(píng)價(jià)。簾線的耐疲勞性能對(duì)橡膠制品的使用性能特別是使用壽命有直接影響。本節(jié)介紹幾種簾線“在橡膠內(nèi)”疲勞性能試驗(yàn)方法及相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。1.3.1Mallory 膠管試驗(yàn)該試驗(yàn)的試樣為橡膠膠管,被測(cè)簾線沿與膠管軸平行的方向以一定的密度固定在膠管內(nèi)并與內(nèi)、外層橡膠硫化為一個(gè)整體。為阻止膠管充氣后周向膨脹