钢丝轮胎
Arkens O 等著 王晓冬摘译 涂学忠校
钢丝帘线是由细钢丝合股而成的，用作汽车轮胎、输送带和胶管的增强材料。随着战后钢丝子午线轮胎的普及，不仅在欧洲而且在美国和日本，钢丝帘线的消耗量均增大。在新兴的工业化国家，随着道路质量和轮胎的子午化水平的进一步提高，钢丝帘线的用量正急剧增长。
近年来，全世界轮胎子午化的发展情况见图1。美国各种轮胎帘线的产量见图2。
图1 全世界轮胎子午化比例
1—轿车轮胎;2—中型和重型载重轮胎;
3—
轻型载重轮胎
图2 美国各种轮胎帘线的产量
1—钢丝;2—聚酯;3—尼龙;4—玻璃纤维;
5—
人造丝;6—芳纶;7—棉从图2可以看出，钢丝帘线对于轮胎生产者的重要性。钢丝子午线轮胎具有以下优点:(1)改善耐磨性能;
(2)在轮胎高速行驶时生热低;
(3)减小胶层厚度。
钢丝帘线的强度/密度比值低于尼龙、聚酯和芳纶等合成纤维，而且一般认为会导致轮胎
质量增大。
钢丝帘线较高的强度/体积比明显补偿了高压延和轮胎成型生产效率。
180/55ZR17轮胎的质量见表1。
表1 180/55ZR 17轮胎的质量
项 目
0°冠带层子午线轮胎
子午线轮胎胎面型号Dragon
MP72Sport 带束层单层缠绕钢丝
2层芳纶3×4×01221680/2,20°胎体1层尼龙1层尼龙1400/2,90°
1400/2,90°
轮胎质量/kg
614
710
从表1可以看出，钢丝帘线增强的高性能
摩托车轮胎可以设计成质量小于采用芳纶增强的轮胎。因此，钢丝帘线供应商的一个重要课题就是通过提高钢丝强度并保持耐疲劳性能，以减小轮胎质量。
在与钢材生产商的共同合作下，开发出了高碳、高纯度的钢丝盘条。通过一系列的热处理和冷拉操作，随后进行合股，制成帘线。通过对每一步生产工序进行更深入的研究与开发，生产出的钢丝丝线具有特殊的比强度。根据经验，在1/3单丝强度确定的疲劳水平下，直径为012mm 且有空隙的丝线比强度可以达到3900N ・mm -2。
直径为012mm 的钢丝在不同拉伸态下的比强度(单位为N ・mm -2)分别为：一般拉伸 2800；高拉伸 3200；超高拉伸 3600；极高拉伸 3900。
钢丝盘条供应商和钢丝帘线生产商共同努力研究的结果表明，钢丝帘线的强度极限还没有达到。钢丝帘线的进一步优化和发展与轮胎
其质量较大的缺点，换句话说，即采用较少的帘布层数和较小的布层厚度也可以获得相同的增强效果(强度和韧性等)，从而减小轮胎质量、
提
工业的发展要求直接相关，而轮胎工业必须满足现代化道路运输系统所提出的基本要求。
通过对钢丝帘线进一步均衡强度、韧性、杨氏模量、耐久性、尺寸稳定性、弹性、均匀性及经济性等独特性能，认为今后钢丝将成为占主导地位的骨架材料。
对钢丝帘线的基本研究除了提高强度和相应的耐疲劳性能以外，还在寻理想的帘线结构，包括：简化结构、一步法生产、尽可能较少和较粗的钢丝丝线以及钢丝间磨损最小。
贝卡尔特公司的橡胶完全渗透的钢丝帘线(B ETRU)是改善耐腐蚀性的又一个突破。橡
得最佳保护。B ETRU帘线在优化粘合性能以获得较高的粘合强度保持率方面也是一个突破。这种帘线一般采用专用黄铜镀层，对表面进行进一步的处理，可以获得与客户指定胶料的可能最好的粘合性能。
本文将进一步介绍赋予轮胎独特性能的这些钢丝帘线的发展情况。
1 理想的钢丝帘线结构
111 带束层用简化结构钢丝帘线
目前，高强力钢丝帘线(HT,SHT,U T)在钢丝帘线中占很大一部分，其中大部分应变为018%的普通碳素钢盘条被拉拔到实际应变为316%(截面积减小98%)。
这些开发工作旨在减小质量和降低成本。用于带束层的2×0130HT或3×0130HT结构的钢丝帘线已经为市场普遍接受，它们已逐渐替代价格较高的2+7×0122和5×0125。
直径为013mm钢丝丝线性能和捻制帘线的性能见表2。
112 胎体用密实结构钢丝帘线
密实结构钢丝帘线是由几根钢丝丝线以相同的捻向同时加捻而成。3+9层状结构钢丝帘线与12×1密实结构钢丝帘线比较示意图见图3。
密实结构钢丝帘线具有以下突出优点:
(1)它可以一步或同步制成，因此生产成本
表2 钢丝丝线及帘线性能
项 目一般拉伸高拉伸超高拉伸
钢丝丝线
断裂强度/(N・mm-2)285032173544
屈服强度/(N・mm-2)263030003314
截面积减小率/%451639114015
扭力(200×Φ)877259
挠度(R=0175mm)212018
疲劳强度/(N・mm-2)103311331250
钢丝帘线(2×0130)
弯曲负荷/N392444494
冲击应力/N112132144
疲劳强度/(N・mm-2)85010501200
注：疲劳强度采用转动曲柄进行测试，埋置。
(a)
层状结构帘线
(b)密实结构帘线
图3 帘线结构比较
较低;
(2)丝线间采取线接触，与不同层间点接触的钢丝帘线结构相比，由于接触面积较大，接触压力较小，因此将提高耐疲劳和耐磨损疲劳性能。
密实结构钢丝帘线具有密实的结构，多根钢丝排列在一个有限的横断面内，因此帘线的直径会减小，同时仍保持着原有的增强效果。但这种帘线有一个主要的缺点，特别是当帘线中所有单丝直径相同的时候，它们容易产生芯移，也就是说当帘线被裁断和反复弯曲，芯部的单丝会移出帘线。
芯移可以通过优化轮胎成型工艺和设计改
胶完全渗透对于防止带束层中的钢丝帘线因破损(腐蚀)而导致的氧化和水分扩散是非常必要的，而且通过特殊的表面处理可以保证制止水分扩散和可能产生的腐蚀，从而使胎体帘布获
进的帘线结构加以避免。后者可以通过提高芯线周长，即采用较粗的芯线或减少外层丝线的数量来实现，这两种方法均具有较好的橡胶渗透能力，可以保证芯线机械锚定并抑制芯线的偏移倾向。具体结构见图4
。
图4 新密实结构钢丝帘线结构
在实验室中对无接头带束层进行40×106
周期疲劳测试，相当于轮胎行驶120000km ，钢丝丝线的断裂负荷损失率见表3。
表3 钢丝丝线的断裂负荷损失率
帘线类型
断裂负荷损失率/%
芯线内层外层总计3+9+15×01175119521147180513012×
0122cc ———0150
注：转鼓直径为143mm ；预应力为400N ・mm -1；试验周期为40×106。
密实结构钢丝帘线具有较高的强度保持率，为轮胎设计者提供了很多新的机会。在胎
体强度计算中的安全因数通常会涉及到轮胎的总使用寿命和帘线的保持强度。因此，将层状结构钢丝帘线改为密实结构钢丝帘线后(例如，从3+9+15×01175+1改为19×01175cc )，小心地降低轮胎安全因数也是合理的。
在一个一流品牌的轮胎中将3+9+15×01175+1改为19×01175cc ，使轮胎胎体帘线质量减小了10%，见表4。113 为特殊性能要求定制的钢丝帘线
当对钢丝丝线施加拉伸力的时候，其应力2应变曲线中涵盖了弹性和塑性部分，弹性部分的斜率称为弹性模量，钢丝的弹性模量约为
表4 不同胎体帘线的性能
性 能
3+9+15×01175+1
19×01175cc
断裂负荷/N 17001300线密度/(g ・m -1
)512317经线密度57
72胎体强度/(N ・m -1)
969000936000胎体强度指数1009615帘线质量指数
100
90
耐用载重轮胎胎体的发展趋向于采用无缠
绕密实结构钢丝帘线(具有改善橡胶渗透性的能力)，这种帘线由于改善了耐磨损疲劳性能和具有优异的耐冲击性，因此优于层状结构钢丝帘线。
211×105N ・mm -2。但是，不同结构的钢丝帘
线具有相似的应力2应变曲线，其弹性部分的斜率会因帘线结构性拉伸能力的不同而有所不同。这就是尽管弹性模量是每根钢丝丝线固有的材料性能，但不同结构钢丝帘线仍有不同的弹性模量的缘故。
通过适当的热力学处理，钢丝帘线生产商也可以改变选定帘线应力2应变曲线的塑性部分。正是钢丝帘线的高模量使载重轮胎的单层胎体可以将汽车的驱动和制动力传递给路面。同样，由于弯曲刚性与模量直接相关，因此模量在带束层帘线中起着非常重要的作用。
弹性模量与钢丝帘线中丝线的根数以及丝线直径的4次幂存在函数关系。若钢丝具有较高的弹性模量并具有相对大的丝线直径，则以合理的帘线层数和相对低的经线密度，便可为带束层提供必要的刚性，带束层具有较高的刚性对于获得较好胎面耐磨性和汽车操纵性能以及较低滚动阻力是十分必要的。
众所周知，轮胎胎冠部和带束层的边部在接地印痕区，特别是在转弯的时候要承受压缩负荷。依据如硫化后的形状、带束层层数和帘布斜裁角度、经线密度和胶料模量等轮胎设计因素，每根帘线要分担部分压缩负荷。
轮胎设计者选择帘线的标准是，其扭转应力值应高于轮胎在行驶过程中可能经受的所有压缩应力。在相同断裂负荷范围条件下，钢丝帘线的压缩模量和扭转应力与织物帘线在不同的数量级，这就是钢丝帘线优于其它增强材料
的明显优点(钢丝的压缩模量为77000N ・mm -2；芳纶的压缩模量为3000N ・mm -2;
玻璃纤维的压缩模量为4000N ・mm -2)。
由于胎面的磨损大多在转弯时发生，其间带束层部分承受压缩力，因此带束层增强帘线的压缩模量也是非常重要的性能。带束层增强帘线的压缩模量高，则可降低胎面花纹块的移
动(蠕动)以及由此导致的严重磨损。增大钢丝单丝直径和帘线捻长，且采用螺旋外缠可以进一步提高压
缩模量。
对于胎体帘线的重要要求是耐屈挠和特别耐磨损，因此最好采用非缠绕结构的钢丝帘线。非缠绕结构钢丝帘线还具有布层厚度较小的特殊优点。在胎体中也应避免压缩和纵向弯曲，因此采用非缠绕结构钢丝帘线则要求轮胎设计作适当修改。2 BETRU 帘线
目前，对提高轿车和载重车轮胎的质量和使用寿命以便提高道路行驶安全性以及轮胎翻新率有非常迫切的要求。如在胎体中转向使用3+9+15。
从图5的4×
1结构钢丝帘线的横断面图可以看出，常规结构钢丝帘线中心的“通路”是如何成为沿帘线的水分通路的。而在开放结构
钢丝帘线中，橡胶充满丝线的四周
。
图5 开放与常规结构帘线结构比较
如果开放结构帘线在一定拉伸负荷的作用
下闭合和伸长(这有可能在压延辊筒架导出张力失控时发生)，则无法再保证橡胶的渗透，从而失去了开放结构钢丝帘线的特有优点。开放结构钢丝帘线的其它缺点还有帘线直径大、很不规则及结构性伸长率较大(PL E ，定负荷伸长率，在215～50N 轴向力下测得)，这会妨碍轮胎的驾驶响应。
因此，一种新的开放结构B ETRU 帘线已
开发出来，它直径较小、PL E 较低，而且在硫化时较高的预牵伸力作用下，橡胶可完全渗透。B ETRU 技术的基础即是在钢丝合股时帘线中
的一根和多根丝线预成型为多边形。
在横断面投影图中，典型帘线的钢丝丝线是圆形的，而多边预成型的帘线根据所采用的预成型方式不同，其断面形状可能不同，见图6和7。
图6
圆形开放结构钢丝帘线
图7 BETRU 多边形钢丝帘线
在帘线最后进行合股时，变形成多边形的
丝线间会形成微孔孔隙，需要较大的外力才能闭合。优化预成型与钢丝强度和直径以及与橡
胶粘度的关系，可以为轮胎生产商生产出具有最大橡胶渗透能力的定制帘线。
橡胶渗透能力通过测定压力降来确定，测试试样在一定压力和30N 的拉伸作用力下进行硫化，并裁切成捻长的9/10，将压力为011MPa 的气流通入60s 。橡胶完全渗透的帘线
没有压力降。
典型的带束层结构中，常规密实结构帘线、开放结构帘线和B ETRU 帘线的实验结果与其它性能见表5。
钢丝帘线，则较高的粘合强度保持率和较好的耐腐蚀性可延长轮胎的使用寿命。
满足上述要求的第一个里程碑是采用了开放结构钢丝帘线，采用这种帘线可以使橡胶渗入帘线，从而避免或限制可能进入帘线的水分的浸蚀。
在丝线合股过程中，对于单层帘线通过适当的预成型或对于多层帘线通过将丝线留在一层外，从而制得开放结构帘线。如3+8+13
和
表5 不同带束层帘线性能比较
项 目
3×0130/16HT
常规结构开放结构BETRU
橡胶渗透压力降/%100220
帘线最大光学直径/mm017511090191
线密度/(g・m-1)116811681168
帘线断裂负荷/N660660660
定负荷伸长率/%011500131001185
摆动疲劳强度/(N・mm-2)
埋置，空循环100010501000
埋置，预处理<300<400400
低周期疲劳3/%1133100
演变轿车轮胎帘线的发展
帘线演变2+7(+1)5×15×12OC2+22+2HT3×1ST
4×14×12OC3×12OC3×1HT BETRU
BETRU
丝线演变01220122012501250125HT0125ST
0125012801300128HT0128ST
0130HT
轿车轮胎钢丝帘线的发展趋势:
(1)钢丝单丝更粗且根数更少;
(2)钢丝帘线直径更小，以减少覆胶量;
(3)橡胶完全渗透，与导出拉伸无关;
(4)帘线刚度提高;
(5)低定负荷伸长率，使驾驶响应最佳化;
(6)具有较好的粘合性能。
312 载重轮胎增强钢丝帘线发展趋势
31211 胎体增强钢丝帘线
(1)具有较好的耐磨损疲劳性：层状结构、密实结构帘线、非缠绕密实结构帘线;
(2)改善耐腐蚀疲劳性：表面条件、基本材料及胶料配方;
(3)较好的耐冲击性：以线接触替代点接触;
(4)极好的粘合强度保持性能。
31212 带束层增强钢丝帘线
带束层增强钢丝帘线的发展趋势:
(1)钢丝丝线较粗且根数较少;
(2)帘线直径较小，以控制覆胶量;
(3)胶料完全渗透;
(4)较高的耐冲击性;
(5)最佳的粘合性能。
31213 目前和未来载重轮胎钢丝帘线结构目前和未来载重轮胎钢丝帘线结构发展趋势见表7。
贝卡尔特公司将继续努力满足不断变化的要求，并与其客户一同评价生产优质轮胎所需的新型钢丝帘线，使优质轮胎在公路运输系统中更进一步发展，并使其更有效、安全性更佳和
注:3表示预处理相当于空循环的百分比。
帘线的直径、定负荷伸长率和橡胶渗透力的差异是显而易见的。对预加工技术有效的研究与开发以及全面提高钢丝帘线性能的不断努力，不仅使B ETRU帘线橡胶完全渗透，同时使耐疲劳性能更加优异。
这些测试结果及弯曲和拉伸疲劳的数据使我们可以相信,B ETRU帘线作带束层骨架材料很有潜力。
已经得到验证的优点:
(1)橡胶可以完全渗透，即使在高拉伸负荷条件下硫化;
(2)帘线的直径较小，帘布层厚度较小，有可能减小橡胶的质量;
(3)与开放结构钢丝帘线相比，外观更规则;
(4)提高了粘合强度保持率。
可以预测的优点:
(1)与开放结构帘线相比，加工的轮胎更耐用;
(2)由于减少了钢丝丝线之间的接触点，因此改善了耐磨性能;
(3)与开放结构帘线相比，耐腐蚀和耐腐蚀疲劳性能优异。
3 结论
我们可以预测各种应用领域钢丝帘线结构的发展趋势。
311 轿车轮胎增强钢丝帘线发展趋势
轿车轮胎帘线的发展见表6。
表6 轿车轮胎钢丝帘线的发展
表7 载重轮胎帘线结构发展
项 目帘线规格
轻型载重轮胎 胎体3+9×01175+0115→
3×0120+9×01175cc
→
2+7×0122(0115)→2+7×0120HT →0122+6×0120HT BETRU
带束层
3×0115+6×0127→0130+6×0127BETRU
→2+2×0130HT 4×
0138OC →2+2×0135→2+2×0132HT →
2+2×0138
→4×0130SHT BETRU →
4×0132SHT BETRU
中型载重轮胎
胎体3+9×0122+0115→3×0122+9×0120cc HT (+0115)
→0120+18×01175cc 带束层
3×0115+6×0127→0130+6×0127BETRU →0128+6×0125HT BETRU 3×0120+6×0135→0138+6×0135BETRU →
0135+6×0132HT BETRU
子午线轮胎占日本汽车轮胎产量比例的变化
项 目
1990年1995年1996年1997年1998年载重和公共汽车轮胎 产量/万条114418110912111118110617115218 子午化率/%70168415831986139216轻型载重汽车轮胎 产量/万条3820833438336273413730632 子午化率/%56137613791281198713轿车轮胎 产量/万条100423105071110482115162114607 子午化率/%90179317931994169513合计子午化率/%
8014
8911
9010
9113
9315
(相 泰摘自“Tire Industry of Japan ”
,1999,P12)日本汽车轮胎主要原材料消耗量
t
项 目
1990年1995年1996年1997年1998年轮胎帘线
钢丝179744197998199102201747210296 尼龙5631436147351913489327842 聚酯3709537049388753927540081 人造丝114897391811191098 其它95115441062563528 合计275252273711275148277597279845生胶 NR 540966574526590945588111593418 SR 486659448594468019494041488006 合计1027625102312105896410821521081424炭黑
540170
540287
560318
575904
566309
(相 泰摘自“Tire Industry of Japan ”
,1999,P23)降低环境污染。
我们已经展示了复杂的子午线轮胎复合部件的某些方面将会改进，不断地、更加紧密地与
轮胎生产商的合作是实现这些改进的最好保
证。
译自“ITEC ’96论文选”,P183～188
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