بررسی رفتار مکانیکی تایر در ارتباط با ساختار الیاف (نخ) مورد استفاده در بدنه تایر (کارکاس)

عماد ضیائی

رئیس واحد استانداردها و ارزیابی محصول شرکت کویر تایر -  Emad.ziyaeiii@gmail.com

چکيده:

مکانیک تایر شاخه ای از علم مکانیک است که رفتار تایر را از نقطه نظر کارایی، راحتی سرنشین و فرمانگیری در تعامل با خودرو و جاده مورد بررسی قرار می دهد. هدف از مطالعه و بررسی مکانیک تایر ، شناخت رفتار تایر در سرویس است. در این مورد باید توجه داشت که تمام نیروها و گشتاور های وارد بر تایر که دینامیک خودرو را تحت تاثیر قرار می دهد در ناحیه ی تماس تایر با زمین که به اندازه یک کف دست بیشتر نیست، عمل کرده و به همین دلیل مطالعه ی آن ها برای شناخت کارایی خودرو در رابطه با کیفیت رانش و چگونگی کنترل و هدایت وسیله ی نقلیه ضروری است. مکانیک تایر در دو حوزه مختلف، یکی مربوط به حرکت تایر در مسیر های سخت و ناهموار و دیگری مربوط به حرکت در مسیرهای نرم و هموار مورد بررسی قرار می گیرد. در این راستا به بررسی دو نوع متفاوت الیاف مورد استفاده در بخش کارکاس تایر در ارتباط با عملکرد پارامترRIDE COMFORT در حالت ایستا (استاتیک) در یک سایز تایر می پردازیم واز این منظر می تواند رفتار تایر را در حالت دینامیکی و واقعی در سرویس پیش بینی نماید. این کار پژوهشی اختصاص به یک تایر رادیال تحت بار عمودي ایستا و فشار باهای مختلف دارد.  داده ها یا مقادیر اندازه گیري شده میزان سفتی تایر توسط دستگاه اندازه گیري سفتی صورت پذیرفت.

واژگان کلیدی: تایر، RIDE COMFORT ، بارگذاري ایستا و سفتی عمودی تایر

1- مقدمه

ﺣﺘﻲ ﻳﻚ ﻧﮕﺎه ﺳﻄﺤﻲ ﺑﻪ ﻣﺤﻴﻂ ﭘﻴﺮاﻣﻮن ﻧﻴﺰ ﻣﺎ را ﻣﺘﻮﺟﻪ دﻧﻴﺎي ﭘﺮ ﺗﺐ و ﺗﺎب ﻓﻨﺎوري و ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژي اﻣﺮوز ﻣﻲﻛﻨﺪ. اﺧﺘﺮاﻋﺎت، اﺑﺪاﻋﺎت و اﻛﺘﺸﺎﻓﺎﺗﻲ ﻛﻪ ﺧﻮد ﺑﺸﺮ را ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﭘﺪﻳﺪ آورﻧﺪه و ﻣﺒﺪع آﻧﻬﺎ ﻧﻴﺰ ﻣﺴﺤﻮر و ﻣﺪﻫﻮش ﺳﺎﺧﺘﻪﻫﺎي ﺧﻮد ﻛﺮده اﺳﺖ.  در ﻣﻴﺎن اﻳﻦ ﻫﻴﺎﻫﻮ، ﺧﻮدروﻫﺎ را ﻣﻲﺗﻮان ﺑﺮ ﺗﺎرك ﺳﺎﺧﺘﻪﻫﺎي ﺑﺸﺮداﻧﺴﺖ ﻛﻪ ﺑﻪ ﺷﺪت ﻣﻮرد ﺗﻮﺟﻪ و ﻋﻼﻗﻪ  ﻗﺮار ﮔﺮﻓﺘﻪاﻧﺪ.  ﺧﻮدرو ﻣﺠﻤﻮﻋﻪاي از اﺟﺰاي رﻳﺰ و درﺷﺖ ﻣﻲﺑﺎﺷﺪﻛﻪ ﻫﺮ ﻛﺪام ﺑﺮ ﻣﺒﻨﺎي ﮔﺴﺘﺮه اي از داﻧﺶ ﻓﻨﻲ ﺑﻨﺎ ﺷﺪه اﻧﺪ و در ﺗﻼﻃﻢ رﻗﺎﺑﺖ ﻣﻮﺟﻮد، ﺧﻮدروﺳﺎزﻫﺎ و ﻗﻄﻌﻪ ﺳﺎزﻫﺎ ﻫﻤﻮاره درﺗﻼش ﺑﺮاي ﺗﻮﺳﻌﻪ داﻧﺶ ﻓﻨﻲ و ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژي ﺧﻮد ﺑﻮده اﻧﺪ . در ﻣﻴﺎن ﻣﺠﻤﻮﻋﻪ ﻗﻄﻌﺎت ﺧﻮدروﻣﻲﺗﻮان ﺑﻪ ﺗﺎﻳﺮﻫﺎ ﻧﮕﺎه وﻳﮋه و ﺧﺎﺻﻲ داﺷﺖ. ﻳﻜﻲ از اﻳﻦ ﺟﻨﺒﻪ ﻛﻪ اﺳﺎس و ﺑﻨﻴﺎن ارﺗﺒﺎط ﺧﻮدرو ﺑﺎ ﺳﻄﺢ ﺟﺎده و در ﻧﺘﻴﺠﻪ اﻧﺘﻘﺎل ﻧﻴﺮوﻫﺎ و ﮔﺸﺘﺎورﻫﺎ ﺟﻬﺖ ﻫﺪاﻳﺖ، ﻛﻨﺘﺮل و ﺣﺮﻛﺖ ﺧﻮدرو از ﻃﺮﻳﻖ ﺗﺎﻳﺮﻫﺎ ﻣﻴﺴﺮ ﻣﻲﮔﺮدد و دﻳﮕﺮ اﻳﻨﻜﻪ ﺑﻪ ﺳﺒﺐ اﺳﺘﻬﻼك ﺑﺎﻻي اﻳﻦ ﻗﻄﻌﻪ،  ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﻗﻄﻌﻪ ﺟﺎﻳﮕﺰﻳﻦ ﺳﻮارﺧﻮدروﻫﺎ ﺷﻮﻧﺪ. تایر بادی، از زمانی که به عنوان یکی از نخستین اختراع های بشر مطرح شده است، به طور قطع یکی از ساده ترین اجزا برای تجزیه و تحلیل نبوده است. تایر بادی سازه ای پیچیده است که بطور عمده از آمیزه های لاستیکی تشکیل یافته است. این سازه همچنین شامل کائوچو، دوده، روغن، اجزای شیمیایی مختلف و رشته های تقویت کننده ای از جنس الیاف است. این رشته ها که لایه داخلی تایر را تشکیل می دهند، معمولاً از جنس نایلون، ریون، پلی استر و سیم های فولادی هستند که به صورت ویژه ای آرایش یافته اند. در تایر ها دو نوع ساختار به نام های بایاس (اریب یا مورب الزاویه ) و رادیال بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. ساختار رادیال با لایه های موازی که نخ های آن ها با زاویه ی 90 درجه نسبت به خط مرکزی تایر آرایش یافته اند،  مشخص می شود که به آن ها کارکاس می گویند.

1-1- اﺟﺰاي ﺗﺎﻳﺮﻫﺎي رادﻳﺎل:

شکل 1 اﺟﺰا ﻳﻚ ﺗﺎﻳﺮ رادﻳﺎل را ﻧﺸﺎن ﻣﻲدﻫﺪ ﻛﻪ ﺑﺮ اﺳﺎس ﺗﻜﻨﻮﻟﻮژي ﺑﻜﺎر رﻓﺘﻪ در ﺗﻮﻟﻴﺪ آن، ﻣﻤﻜﻦ اﺳﺖ ﺑﺮﺧﻲ اﺟﺰاء ﻧﺸﺎن داده ﺷﺪه در ﺗﺎﻳﺮ وﺟﻮد ﻧﺪاﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﺪ. اﻣﺎ ﻣﻬﻤﺘﺮﻳﻦ اﺟﺰاي ﺗﺎﻳﺮ رادﻳﺎل ﻋﺒﺎرﺗﻨﺪ از:

ﺷﻜﻞ 1 اﺟﺰاي ﻣﺨﺘﻠﻒ ﻳﻚ ﺗﺎﻳﺮ رادﻳﺎل

اﻟﻒ) ﻛﺎرﻛﺎس ﻳﺎ ﻻﻳﻪ ﺑﺪﻧﻪ: ﻻﻳﻪ ﻧﺨﻲ ﺗﻘﻮﻳﺖ ﻛﻨﻨﺪه (اﺳﺘﺤﻜﺎم ﺑﺨﺶ) اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﻮﺳﻴﻠﻪ ﻻﺳﺘﻴﻚ ﭘﻮﺷﻴﺪه ﺷﺪه و ازﺣﻮل ﻳﻚ ﻃﻮﻗﻪ ﺑﻪ ﺳﻤﺖ ﻃﻮﻗﻪ دﻳﮕﺮ ﻛﺸﻴﺪه ﺷﺪه اﺳﺖ.

ب) ﻃﻮﻗﻪ: دﺳﺘﻪاي از ﺳﻴﻢﻫﺎ ﻛﻪ ﺑﺎ ﻻﺳﺘﻴﻚ ﭘﻮﺷﻴﺪه ﺷﺪه و در دو ﻃﺮف ﺗﺎﻳﺮ ﺣﻮل رﻳﻨﮓ ﻗﺮاردارد .

ج) آج ﺗﺎﻳر: ناﺣﻴﻪ آجدار ﺗﺎﻳﺮ اﺳﺖ ﻛﻪ ﻛﺸﻨﺪﮔﻲ ﻻزم ﺑﺮاي راﻧﻨﺪﮔﻲ، ﺗﺮﻣﺰﮔﻴﺮي و ﻓﺮﻣﺎن دادن را ﺗﺎﻣﻴﻦ ﻣﻲﻛﻨﺪ.

د) دﻳﻮاره ﺗﺎﻳﺮ: ﻧﺎﺣﻴﻪ دﻳﻮاره ﺗﺎﻳﺮ اﺳﺖ ﻛﻪ ﻻﻳﻪ ﺑﺪﻧﻪ را از ﺳﺎﻳﺶ، ﺿﺮﺑﺎت و ﺧﺴﺘﮕﻲ ﻧﺎﺷﻲ از ﺗﻐﻴﻴﺮ ﺷﻜﻞﻫﺎ ﻣﺤﺎﻓﻈﺖ ﻣﻲﻛﻨﺪ. ﻓﺮﻣﻮﻻﺳﻴﻮن ﺳﺎﻳﺪوال ﺑﻪ ﻧﻮﻋﻲ اﺳﺖ ﻛﻪ از ﺗﺮك ﺧﻮردن آن ﺑﻪ ﻋﻠﺖ ﻋﻮاﻣﻞ ﻣﺤﻴﻄﻲ ﻧﻈﻴﺮ ازن، اﻛﺴﻴﮋن، اﻣﻮاج ﻓﺮاﺑﻨﻔﺶ و ﺣﺮارت ﺟﻠﻮﮔﻴﺮي ﻣﻲﻛﻨﺪ.

ه) ﻧﻮار ﻻﺳﺘﻴﻜﻲ ﭘﺮﻛﻨﻨﺪه روي ﻃﻮﻗﻪ: ﺑﺮ روي ﻃﻮﻗﻪ ﻗﺮار ﻣﻲﮔﻴﺮد. ارﺗﻔﺎع و ﺳﺨﺘﻲ اﻳﻦ ﻧﺎﺣﻴﻪ ﺑﺮ ﻣﺸﺨﺼﺎت ﭘﺎﺳﺦ دﻫﻲ و راﻧﻨﺪﮔﻲ ﺗﺎﻳﺮ ﻣﻮﺛﺮ اﺳﺖ .

و) ﻻﻳﻪ داﺧﻠﻲ: ﻛﻪ ﺑﺼﻮرت ﻳﻚ ﻻﻳﻪ ﻧﺎزك ﻻﺳﺘﻴﻜﻲ در ﺑﺨﺶ داﺧﻠﻲ ﺗﺎﻳﺮ ﻗﺮار ﮔﺮﻓﺘﻪ و از ﻧﺸﺖ ﻫﻮا درﺗﺎﻳﺮﻫﺎي ﺗﻴﻮﺑﻠﺲ ﺟﻠﻮﮔﻴﺮي ﻣﻲﻛﻨﺪ.

2-1- تغییرشکل تایر:

تایر متحمل بارهاي مختلفی از جمله فشار باد شدن، بارهاي مکانیکی و حرارتی اعمال شده از خارج می شود و با توجه به اثر این بارها و تماس تایر با جاده و رینگ شکل هندسی تایر تغییر می کند که به عنوان تغییر شکل شناخته می شود .رابطه خاص بین بار مکانیکی و تغییرشکل تایر که نماینده اي از انعطاف پذیري تایر می باشد سفتی نامیده می شود،که نتیجه اي از اثر تولید شده توسط سفتی ساختاري و فشار باد شدن می باشد. مطالعه پاسخ تایر به بار می تواند براي توصیف رفتار، عملکرد و دوام تایر مورد استفاده قرار گیرد.

3-1- سفتی یا فنریت تایر:

سفتی یا فنریت تایر در طراحی سیستم تعلیق خودرو موثر است و یکی از فاکتور های اساسی در رابطه با جذب ناهمواری های جاده و راحتی سرنشین تلقی می شود. سیستم تعلیق خودرو، تجهیزات و قطعاتی مانند فنرها، ضربه گیرها و میله های رابط است که چرخ و محورش را به شاسی وصل می کنند.

از آنجایی که تایر نقش اصلی را در تحمل بار وسیله ی نقلیه ایفا می کند و در میرایی ارتعاش ها موثر است بنابراین یکی از اجزای اصلی سیستم تعلیق خودرو محسوب می شود و میزان سفتی یا فنریت آن حائز اهمیت است.

1-3-1- سفتی عمودي تایر:

سفتی عمودي تایر به عنوان نسبت نیروي عمودي تایر و تغییر شکل عمودي تعریف می شود که تحت تأثیر مشخصه هاي لرزش عمودي خودرو و رفتار رانندگی می باشد. سفتی عمودي تایر را می توان با روشهاي مختلفی که در منابع توصیف شده است محاسبه کرد. سفتی ایستاي یک تایر بدون چرخ را می توان با اندازه گیري مقدار انتخاب شده نیروي عمودي اعمال شده و اندازه گیري تغییر شکل عمودي محاسبه نمود که تحت تأثیر نوع تایر، پیش بارگذاري، فشار باد شدن تایر، پهناي رینگ و غیره می باشد. سفتی عمودي معیاري از راحتی و نرمی تایر در حال حرکت است. هر قدر این کمیت کمتر باشد، در آن صورت تایر هنگام حرکت راحتی بیشتري را براي سرنشین فراهم کرده و از انتقال ناهمواري ها و ارتعاشات جاده می کاهد. از سوي دیگر کاهش سفتی عمودي موجب تغییر شکل بیشتر تایر شده و باعث افزایش مقاومت غلطشی می شود بنابراین این کمیت باید براي تایر بهینه شود.

                شکل 2- بارهاي ایستاي وارد شده به تایر

4-1- خواص مواد تقویت کننده:

نخ تایر به لحاظ اینکه استخوان بندی تایر را تشکیل داده و همچنین درصد قابل توجه وزن تایر را به خود اختصاص می دهد لذا نگرشی به آن از دیدگاه فنی، تکنولوژیکی و اقتصادی حائز اهمیت ویژه می باشد. نخستین سری از نخ هایی که به عنوان cord در تایر بکار گرفته شده تا به لاستیک مقاومت بخشد، نخ های کتان بوده است، نخ های مزبور از نوع سلولز بوده که ریشه طبیعی دارد. با تولید روز افزون تایر و همچنین نقاط ضعف در برخی ویژگی های آن ( از جمله مقاومت در برابر پارگی) تولید کنندگان ناچارند به نخ های دیگر روی آورده و لذا مصرف نخ کتان از رده کاملاً خارج گردیده و تولید کنندگان به منظور حصول استقامت مورد نظر عمدتاً به نخ های مصنوعی روی آورده اند.

 

عمده نخ های جانشین کتان عبارتند از نخ های پلی استر و ریون و نایلون. علاوه بر این ها به لحاظ مصرف تایر از الیاف شیشه، آرامید ها یا بعبارتی نایلون حلقویو همچنین سیم فولادی استفاده می گردد. از نظر قیمت در واحد وزن، گرانترین نخ، نخ های آرامید می باشند که علت آن فرایند تولید پیچیده و عدم تولید انبوه است و بالعکس ارزانترین آن سیم های فولادی، به علت سنگینی وزن آن ها هستند. در ایالات متحده مصرف سیم های فولادی رو به تزاید است و حال آنکه در اروپا هنوز استقبالی مشابه نگردیده و در آسیا و سایر نقاط، توجه قابل ملاحظه ای به آن نشده است.

قاعدتاً انتخاب نخ تایر مناسب به عوامل بسیاری بستگی دارد که بعضاً شرایط اقلیمی، اقتصادی، صنعتی و حتی سیاسی منطقه را می باید ملحوض نظر قرار داد.

1-4-1- ویژگی های شیمیایی نخ پلی استر:

پلی استر معمولاً در مقابل اسیدهای ضعیف حتی در دمای جوش مقاوم است و در محلول اسید قوی و سرد نیز پایدار می باشد. مقاومت آن در برابر قلیایی ضعیف خوب است اما در مقابل اثر قلیایی قوی به علت هیدرولیز شدن کاهش مقاومت خواهد داشت.

Tg در حقیت درجه حرارتی است که باعث می شود اتصالات بین زنجیره های پلیمری نظیر باند های هیدروژنی، نیروهای واندروالس حذف شود و نتیجتاً درجه آزادی تحرک و انعطاف پذیری زنجیره های مزبور را افزایش دهد. زنجیر پلیمری الیاف پلی استر به لحاظ برخوردار بودن از حلقه فنلی (بنزنی) در مقابل انعطاف مقاومت نشان می دهد و حالت الاستیکی آن قوی است لذا Tg پلی استر نسبتاً بالا می باشد. این خاصیت در چروک نشدن الیاف پلی استر نیز سهم بسزایی دارد. Tg از فاکتورهای بسیار مهم در خصوصیات نخ می باشد و همانگونه که اشاره گردیده بر روی الاستیسیته زنجیر پلیمری به طور مستقیم تاثیر می گذارد بطوریکه افزایش Tg باعث افزایش میزان الاستیسیته نخ و نتیجتاً افزایش مدولوس کششی آن می گردد.

با توجه به برتری نسبی برخی خصوصیات حرارتی پلی استر نظیر جمع شدگی حرارتی کمتر و پایداری حرارتی بیشتر و قابلیت دمای فرایند بالاتر در پرس پخت، معهذا ایجاد حرارت انباشته در تایر بویژه در تایرهای سنگین کاربرد نخ پلی استر را در تایرهای سنگین مانند وانتی سنگین (LT)، کامیونی و اتوبوسی (TB)، تراکتوری (AG) ، لودری (OTR) با اشکال مواجه می سازد. در تایرهای سبک تر نظیر وانتی سبک و چرخ جلو تراکتور از نظر همین خصیصه (HEAT BUILD UP) احتیاط آمیز می باشد.

عملکرد تایر تا حد زیادي بستگی به اجزاي تقویت کننده در آن دارد. الیاف آلی و فولادي با قدرت استحکام بسیار زیاد و تغییر شکل هاي بسیار کم، بیشتر بارهاي خارجی وارده بر تایر را تحمل می کنند. با وقوع تغییرشکل هاي زیاد در تایر مواد تقویت کننده بسیار کم تغییر می کنند و این دلیلی بر انتخاب مدل کشسان خطی توسط پژوهشگران پیشین براي اجزاي تقویت کننده در تایر می باشد.

2- اقدامات و نتایج بررسی پارامتر سفتی تایر برای نخ مورد استفاده در لایه کارکاس تایر در شرکت کویرتایر:

تایر مورد مطالعه یک تایر رادیال در اندازه 14R60/185 بوده که اجزاء تقویت کننده آن شامل بدنه اصلی از یک لایه از جنس پلی استر، دو لایه بلت از جنس الیاف فولادي با زاویه 22 درجه نسبت به خط محیطی تایر و لایه نهایی که از الیاف نایلون تشکیل شده است.

شکل 3- تایر رادیال در اندازه 14R60/185

تایر مذکور در دو نوع متفاوت ساختار کارکاس تهیه گردید که شامل یک حلقه تایر با استفاده از نخ 120F144و یک حلقه تایر با استفاده از نخ 90F2200 می باشد که مورد تحلیل و بررسی آزمون سفتی تایر در حالت شعاعی قرار گرفت.

نتایج حاصل از مقادیر اندازه گیری شده توسط دستگاه سفتی سنج تایر برای دو تایر با دو نوع متفاوت ساختار نخ پلی استر 144F120 و2200F90 با دو فشار باد داخلی متفاوت بدست آمده است که نتایج حاکی از بالاتر بودن مقادیر سفتی تایر در نخ 144F120 نسبت به نخ 2200F90 می باشند.

جدول 1- مقادیر سفتی هاي تجربی بدست آمده توسط دستگاه سفتی سنج تایر

3- نتيجه‌ گيري و پیشنهادات:

هدف اصلی از انجام این پژوهش پیشبینی مقادیر سفتی تایر در جهت عمودي در استفاده از نخ 144F120  و نخ  2200F90 در لایه کارکاس تایر بود و نشان داد که:

1- نتایج مربوط به اندازه گیری دستگاهی حاکی از این است که استفاده از نخ 144F120  نسبت به نخ  2200F90 در تایر، باعث سفتی بیشتر و در نتیجه نرمی کمتر در تایر شده و نتیجتاً باعث عدم راحتی سرنشین در شرایط سرویس و جاده می گردد.

2- جهت تصمیم گیری در مورد استفاده از دو نخ 120F144و90F2200 در ارتباط با پارامتر عملکردی راحتی در تایر عامل یا پارامتری که در مشخصات نخ  بیشترین تاثیر گذاری را دارد مربوط به تعداد نخ در 10 سانتی متر می باشد که نخ 120F144، تعداد 120 نخ بر اساس نامگذاری آن (F120) در 10 سانتی متر دارد در صورتیکه این پارامتر در نخ90F2200، تعداد 90 نخ بر اساس نامگذاری آن (F90) در 10 سانتی متر است و بنابراین می توان نتیجه گرفت هر چقدر تعداد نخ در 10 سانتی متر بیشتر باشد، پارامتر سفتی تایر عدد بالاتری را نشان می دهد و تایر اصطلاحاً سفت تر می باشد.

3- نتایج حاصل از اندازه گیری دستگاهی حاکی از این است که با کاهش فشار باد در تایر میزان سفتی آن کمتر شده بطوریکه پس از بررسی نتایج می توان گفت با کاهش حدود 12 درصدی درفشار باد تایر (از 250 به 220 کیلو پاسکال) میزان سفتی و یا نرمی تایر حدود 8 الی 10 درصد کمتر شده و بهبود می یابد.