آج تایر

در این مقاله، ابتدا ویژگی‌های محصول بررسی می‌شود و متناسب با آن ویژگی‌های دو ماده را کاندید می‌کنیم. این دو ماده آلیاژ SBR و NR کوپلیمر SBS هستند. در انتهای قسمت انتخاب مواد مشخص می‌شود که آلیاژی از این دو ماده همراه با افزودنی‌های دیگر، ویژگی‌های مدنظر را ارضا خواهند کرد. در نهایت با توجه به ماده انتخابی، فرایند تولید مناسب نیز ارائه خواهد شد که ترکیبی از اکستروژن و ماشین پخت است. 

 

مقدمه
تایر خودرو، قطعه‌ای است لاستیکی که وزن خودرو و ضربات ناشی از نیروهای وارد شده از جاده را تحمل کرده و ایجاد حرکت در جهت دلخواه را امکان‌پذیر می‌کند و با انتقال نیروی شتاب یا ترمز به جاده سبب حرکت یا توقف خودرو می‌شود. همچنین این قطعه جزء تفکیک‌ناپذیر سیستم تعلیق خودرو نیز به شمار می‌آید. تایر به عنوان محصول مکمل خودرو، بخشی از زنجیره تولید این صنعت را تشکیل می‌دهد و فراز و نشیبی تقریباً مشابه صنعت خودرو دارد. در سیر تحولات تکنولوژی ساخت تایر در طول یک‌صد سال اخیر می‌توان گفت، صنعت تایر همواره توانسته است الزامات عملکردی تایر را در تماس با جاده به خوبی تأمین کند، تا جایی که این کالا نه به عنوان قطعه‌ای از چند هزار قطعه مصرفی خودرو بلکه به عنوان یکی از اجزای مهم و تکمیلی خودرو به ارتقای توانایی‌های انواع خودرو از نظر حمل بار، دستیابی به سرعت بالا، تحمیل شرایط جوی مختلف و گاه سخت، کمک شایانی کرده است. اهمیت این پیشرفت‌ها تکوین فناوری در طراحی ساختار و آمیزه‌های تایر، زمانی بیشتر روشن می‌شود که به خاطر آوریم تایر از معدود قطعات مصرفی در خودروست که باید مجموعه‌ای از خواص عملکردی متفاوت نظیر تحمل بار، دوام در برابر مواد ساینده، مقاومت در مقابل نیروهای وارده و … را دارا باشد و در دیواره‌ها نرم و در ناحیه رینگ، سخت و قسمت رویه آن در زمان حرکت، مقاومتی مناسب در برابر غلتش داشته باشد. همچنین تایر چون در معرض دید است، نقشی قابل توجه در زیبایی خودرو ایفا می‌کند و شکیل بودن آن مهم است و باید قابلیت کارکرد در شرایط مختلف جاده‌ای، آب‌و‌هوایی و اقلیمی را داشته باشد زیرا در طول یک مسیر بلند ممکن است با جاده خیس، جاده لغزنده برفی و جاده ناهموار رو‌به‌رو شویم و یا در شرایط ترمزهای ناخواسته و بسیار شدید قرار گیریم. بنابراین تایر خوب باید قابلیت مانور در تمامی این شرایط را داشته باشد. در این مقاله از لایه‌های مختلف تایر، آج آن بررسی می‌شود.

شکل ۱: اجزای مختلف یک تایر

آج۱
آج تایر رابط میان سطح جاده و تایر است. این قسمت به عنوان لایه خارجی، وظیفه محافظت از بدنه تایر در برابر سایش، پارگی، گرما، لغزندگی و صدمات احتمالی در شرایط مختلف را بر عهده دارد. وظیفه این بخش، انتقال نهایی گشتاور خروجی موتور از قسمت‌های دیگر تایر به زمین است. برای این کار، طرح‌های روی تایر (آج)، نقش مهمی دارند. آج تایر باید خواص زیر را داشته باشد:
m حداکثر مقاومت ممکن در مقابل سایش
m قابلیت چنگ‌زنی (گیرش) عالی
m حداکثر کارایی در پیش بردن خودرو با کمترین انرژی
m تأمین اتکای مناسب خودرو بر سطح جاده و اصطکاک با آن
m فرمان‌گیری مناسب
m محافظت از لایه‌های درونی تایر
m ضربه‌گیری
بخشی از این خصوصیات، از طریق ترکیب بهینه مواد تشکیل‌دهنده رویه، قسمتی از طریق ساختار تایر و بخش مهم دیگری نیز به کمک گُل تایر تأمین می‌شود. ترکیب باید دقیقاً متناسب با کاربرد تایر انتخاب شود. ترکیب نرم، چسبندگی عالی دارد، اما ممکن است در سرعت‌های بالا با افزایش دمای بدنه تایر، سایش بسیار سریع رخ دهد. ترکیب سخت، مقدار ساییدگی را کاهش می‌دهد، اما میزان چسبندگی تایر به زمین نیز کاهش می‌یابد. بنابراین ترکیب به کار رفته باید تلفیقی از این دو ویژگی را داشته باشد. در شرایط مطلوب رانندگی، تایر با آج کاملاً نرم که متضمن حداکثر تماس سطح لاستیک با سطح جاده باشد کارساز است. به همین دلیل در مسابقات، در صورت امکان از تایرهای صاف استفاده می‌کنند. برای استفاده خیابانی، اصل بر این است که تایر بتواند از عهده انواع شرایط آب‌و‌هوایی و سطح جاده برآید. اگر تایر صاف باشد، وجود لایه نازکی از آب، بین آج و سطح جاده باعث سُرخوردگی می‌شود. شیارها یا منافذ ایجاد شده در آج باعث می‌شود آب سطحی از کناره‌های تایر فرار کند.

ویژگی‌های آج تایر
برای این که آج تایر وظیفه خود را بخوبی انجام دهد باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
۱ . ماده مناسب برای ایجاد گیرایی کافی: یعنی ماده‌ای که ضریب اصطکاک بالا داشته باشد. برای این که تایر گیرایی مناسبی با زمین داشته باشد، لازم است که ضریب اصطکاک ایستایی و جنبشی آن با زمین بالا باشد.
۲ . مقاومت به خستگی: تایر در طی حرکت خودرو مرتباً تحت فشار و کشش قرار می‌گیرد. بنابراین باید ماده مورد استفاده، مقاومت به خستگی بالایی داشته باشد.
۳ . استحکام ضربه: ماده حاصل باید مقاومت به ضربه مناسبی داشته باشد تا در عین حرکت به دلیل ناهمواری سطح زمین و … تخریب نشود. همچنین تا جایی که ممکن است آج لاستیک باید از انتقال ضربه و لرزش به اتاق خودرو بکاهد.
۴ . مقاومت به سایش: باید مقاومت ماده به سایش بالا باشد، زیرا اولاً هر چقدر مقاومت به سایش بالا باشد، عمر تایر افزایش می‌یابد. ثانیاً موادی که در نتیجه سایش از آج جدا می‌شوند، کمتر می‌شود.
۵ . مقاومت به محیط: از جمله مقاومت به مواد شیمیایی مانند بنزین، روغن و … که ممکن است در سطح جاده وجود داشته باشد. مقاومت به نور خورشید نیز مسئله‌ای مهم است، همچنین مقاومت به ازن. به طور کلی، ماده انتخابی باید مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشد. از طرفی باید جذب آب توسط آج کم باشد زیرا با افزایش میزان آب، خواص ماده تغییر می‌کند.
۶ . مقاومت حرارتی: به دلیل اصطکاک زیاد، دمای آج تایر به صورت موضعی از دمای محیط بیشتر می‌شود، و این امر می‌تواند باعث تغییر خواص ماده شود. بنابراین باید مقاومت حرارتی ماده انتخابی بالا بوده و ماده انتخابی، اشتعال‌پذیری پایینی داشته باشد.
۷ . قیمت مناسب: مطمئناً یکی از فاکتورهای مهم، قیمت مناسب است.
۸ . Tg پایین: باید از دمای سردترین منطقه کمتر باشد تا خاصیت لاستیکی حفظ شود.
۹ . نفوذپذیری کم: نفوذ‌پذیری بیشتر در مورد لایه‌های داخلی‌تر مطرح است. این مسئله در مورد تایرهای تیوبلس حادتر می‌شود.
۱۰ . تخریب کمتر محیط‌زیست: موادی که در اثر سایش از تایر جدا می‌شوند، تا حد ممکن باید کم باشند.

انتخاب مواد
با توجه به ویژگی‌های ذکر شده، مواد کاندیدا باید لاستیکی باشند تا خاصیت ضربه‌گیری و برگشت‌پذیری بدون تغییر فرم را تضمین کنند. در این تحقیق، دو ماده زیر را برای آج لاستیک انتخاب کردیم که در ادامه به بررسی ویژگی‌های آنها می‌پردازیم، اما این مواد به تنهایی نمی‌توانند خواص مورد نظر ما را ارضا کنند. بنابراین لازم است افزودنی‌هایی را به آنها اضافه کنیم که در ادامه تحقیق به شرح آن خواهیم پرداخت و عبارتند از:
m کوپلیمر Block استایرن – بوتادین – استایرن (SBS)
m آلیاژ Natural Rubber و کوپلیمر تصادفی بوتادین – استایرن (SBR)

شکل ۲: زنجیره SBS

کوپلیمر SBS
این کوپلیمر شامل استایرن خشک و شکننده و بوتادین لاستیکی و نرم است که خواص جالبی از کوپلیمر کردن این دو ایجاد می‌شود. باید توجه داشت که میزان استایرن آن از ۴۰ درصد تجاوز نکند. زیرا خاصیت نرمی خود را از دست می‌دهد. از طرفی دمای انتقال شیشه‌ای استایرن در حدود ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است که افزایش بیش از حد این پلیمر در ترکیب کوپلیمر باعث افزایش دمای انتقال شیشه‌ای آن می‌شود و لذا آن را از حالت لاستیکی خارج می‌کند.
برخی خواص SBS عبارتند از:
r یک نوع کوپلیمر که چقرمگی خوبی ندارد مگر اینکه درصد استایرین آن پایین باشد.
r دمای انتقال شیشه‌ای در حدود ۶۰
r مقاومت سایشی خوب
r ضربه‌پذیری بالا در صورتی که مقدار مناسبی پلی‌استایرن به برخی از زنجیر‌های پلی بوتادین پیوند خورده باشد.
r مقاومت به خستگی خوب

آلیاژ NR و SBR
در ساختمان تایر از مواد شیمیایی، طبیعی و معدنی مختلفی استفاده می‌شود که هر یک در عملکرد تایر و نیز در جریان تولید آن نقش خاصی را ایفا می‌کنند. اساسی‌ترین ماده برای تهیه آج تایر، کائوچو است. کائوچوها را به سه دسته تقسیم می‌کنند:
۱ . کائوچوی طبیعی۲
۲ . کائوچوی مصنوعی۳
۳ . کائوچوی بازیافتی۴
کائوچوی طبیعی از شیره درخت مخصوصی که در مناطق استوایی و کشورهایی نظیر مالزی و تایلند می‌روید، به دست می‌آید. از معروف‌ترین نام‌های تجاری کائوچوی طبیعی می‌توان به کائوچوی استاندارد مالزی اشاره کرد. کائوچوی مصنوعی نیز از مشتقات نفتی و محصولات صنعت پتروشیمی است. از انواع این گونه کائوچو می‌توان به BR و SBR اشاره کرد.هر یک از اجزای مختلف تایر شامل نسبت‌های مختلفی از کائوچوی طبیعی و مصنوعی هستند که این نسبت به خصوصیات فیزیکی مورد نیاز بستگی دارد. برای مثال، کائوچوی طبیعی دارای مقاومت حرارتی بالا و چسبندگی عالی است و به این دلیل در اجزای درونی‌تر تایر، مثل لایه‌ها کاربرد دارد.
برخی از خواص این آلیاژ عبارتند از:
m وجود گروه‌های SBR و Natural Rubber، چقرمگی خیلی خوبی به آلیاژ داده است. این ویژگی به عمر بیشتر تایر و خاصیت ضربه‌گیری آن کمک می‌کند.
m داشتن دمای انتقال شیشه‌ای مناسب در حدود ۵۰- درجه سانتی‌گراد. این دما تا حد زیادی به ترکیب کوپلیمر بستگی دارد. مقدار استایرن در لاستیک‌های SBR تجاری در حدود ۱۰ تا ۴۰ درصد قرار دارد.
m این آلیاژ آسیب کمتری را نسبت به SBS به محیط‌زیست، وارد می‌کند.
m SBS و NR در مقابل اکسیژن و ازن ضعیف‌اند و این امر به علت وجود پیوند‌های دوگانه کربن _ کربن در زنجیره اصلی است.
m SBR، مقاومت به سایش خوبی به آلیاژ می‌دهد.
m SBR، چنگ‌زنی تایر در محیط مرطوب را بهبود می‌بخشد.
m SBR مقاومت به خستگی را افزایش می‌دهد. با توجه به خصوصیات هر کدام از دو ماده فوق به نظر می‌رسد که آلیاژ SBR و NR، خواص جالب‌تری نسبت به SBS داشته باشند چرا که SBS دارای طیف وسیعی از خواص بوده و کنترل این خواص، سخت است.همچنین این آلیاژ، در صنعت تایر متداول‌ترین ماده است. برای فرایندپذیری بهتر، افزایش سرعت تولید و بهبود بعضی از خواص تایر، باید به آن افزودنی‌هایی اضافه شود.

مواد لازم برای تولید آج تایر

r الاستومر پایه برای تولید تایر۵
r یک نوع کوپلیمر مصنوعی۶
r Carbon Black به عنوان تقویت‌کننده، کاربرد دارد. یک پلیمر لاستیکی نمی‌تواند دارای مقاومت به سایش و سختی کافی خوبی باشد. به همین علت، تایر را در سطوح مختلف تقویت می‌کنند. این ذرات کربن به مولکول‌های پلیمر می‌چسبند تا سبب افزایش مقاومت به خستگی و مقاومت به سایش شوند.Carbon Black از ذرات سیاه کروی شکل کربن به قطر ۰٫۰۱ الی ۱ میکرومتر تشکیل می‌شود. در عمل، کسر حجمی مناسبی از کربن سیاه انتخاب می‌شود تا بهترین ترکیب از خواص مورد نظر ایجاد شود.
m Silica، به عنوان تقویت‌کننده کاربرد دارد.
m Sulphur باعث عمل ولکانیزاسیون طی فرایند تولید می‌شود.
m Vulcanizing Accelerators، ترکیبات پیچیده آلی هستند که برای سرعت‌بخشی به فرایند ولکانیزاسیون کاربرد دارند.
m Zinc Oxide و Steric Acid، شتاب‌دهنده‌ها یا به عبارتی Accelerators را فعال می‌کنند.
m Age Resistors نظیر Antiozonants و Antioxidants که تأثیرپذیری ماده را در برابر آب و هوا کم می‌کند.
m کمی روغن که باعث بهبود فرایند می‌شود.

شکل ۳: تصویر Banbury Mixer که برای مخلوط کردن مواد استفاده می‌شود

فرایند تولید
برای تولید تایر، شش فرایند انجام می‌شود:
۱ . مخلوط کردن دوده Carbon Black و مواد شیمیایی در Banbury Mixers الاستومرها، به منظور ایجاد ترکیب تایر
۲ . فشردن پارچه همراه هسته فولادی و پوشاندن آنها با پارچه
۳ . اکسترود کردن ترکیب آج و دیواره کناری تایر
۴ . کنار هم گذاشتن لایه‌های مختلف تایر نارس۷
۵ . عملیات ولکانیزاسیون و پخت تایر با اعمال حرارت و فشار
۶ . بازرسی تایر
برای تولید آج صرفاً از فرایندهای ۱، ۳ و ۵ استفاده می‌کنیم. در ادامه، به شرح هر یک از این سه مرحله پرداخته می‌شود.
مرحله اول: در این مرحله مواد خام اولیه نظیر، Natural Rubber, Styrene Rubber, Sulphur, Carbon Black, Accelerators, Age Resistors, Zinc Oxide, Steric Acid و کمی روغن برای سهولت انجام فرایند با هم در Banbury مخلوط می‌شوند، باید دقت کرد که ترکیب، در این مرحله ست نشود. به عبارتی مخلوط حاصل، ترموست نشود. چرا که در صورت ست شدن دیگر نمی‌توان به آن شکل داد.در این بخش مواد به روش مکانیکی با هم مخلوط می‌شوند. مخلوط حاصل به صورت تختال۸ است که برای فرایندهای بعدی کاربرد دارد.
در ادامه دو تصویر از Banbury Mixer ارائه شده است. همانطور که مشاهده می‌کنید، در این دستگاه برای پیشگیری از ست شدن، یک سری اسپری برای پاشیدن آب تعبیه شده است.
مرحله دوم: بعضی از اجزای تایر نظیر آج و دیواره کناری از طریق اکستروژن۹ تولید می‌شوند. در این مرحله مخلوط، وارد اکسترودر شده و در نهایت به شکل پروفیل خارج می‌شود. این پروفیل را توسط غلتک‌هایی به ضخامت مطلوب می‌رسانند و آن را تبدیل به ورق می‌کنند. در نهایت با یک cutter آن را متناسب با اندازه تایر، برش می‌دهند. این ورق‌های برش‌خورده برای فرایندهای بعدی، کاربرد دارند.
مرحله سوم: تا این مرحله تمام اجزای مورد نیاز تایر، تولید می‌شوند، اما هنوز به صورت کاملاً ثابت و محکم جای‌گیری نشده‌اند. همچنین هیچ‌گونه علامتی روی دیواره و یا طرحی روی آج آن وجود ندارد. در این مرحله به این مجموعه، تایر نارس می‌گویند. در مرحله آخر، تایر در ماشین کیورینگ۱۰ قرار می‌گیرد تا با کارکردی تقریباً مشابه فر اجاق گاز، تمام علامت‌ها و الگوی آج بوسیله قالب‌های مربوط روی تایر ایجاد شود. الگوی آج، روی دیواره داخلی لنگه بیرونی قالب قرار دارد. در این ماشین، قالب درونی به صورت شعاعی، فشاری را به green tire اعمال می‌کند. تا ماده به دیواره قالب بیرونی بچسبد و طرح قالب بر روی تایر ایجاد شود. گرمای به کار رفته در حین انجام این کار باعث محکم شدن هرچه بیشتر اتصال بین اجزای تایر می‌شود، به عبارتی در این درجه حرارت و فشار، فرایند ولکانیزاسیون انجام شده و تایر، تولید می‌شود. در نهایت تایر به کنترل کیفیت، انتقال می‌یابد. از جمله کارهایی که در کنترل کیفیت انجام می‌شود، آزمون بالانس است. در این آزمون، تایر را از نظر توزیع یکنواخت ماده در قسمت‌های مختلف، آزمایش می‌کنند. در ادامه، دو تصویر از نماهای مختلف دستگاه Guring یا ولکانیزاسیون، ارائه شده است.

شکل ۴: قالب پخت نهایی تایر

جمع‌بندی
در این مقاله سعی شد تا با سیری منطقی، به ماده مورد نظر و فرایند تولید متناسب با آن رسید. بنابراین ماده رایج مورد استفاده در صنعت، آلیاژ NR و SBR است و فرایند تولید آن نیز ترکیبی از اکستروژن و ماشین پخت است که در ماشین پخت، هم طرح آج بر روی تایر ایجاد شده و هم ولکانیزاسیون تایر نارس انجام می‌شود.

پانوشت
۱٫ Tread
2 . Natural Rubber
3 . Synthetic Rubber
4 . Reclaim Rubber
5 . Natural Rubber
6 . Styrene-butadiene
7 . Green Tire
8 . Slab
9 . Extrusion
10 . Curing machine

نویسنده: امیر قاسمی- مهران رفیعی آزاد (دانشجویان کارشناسی مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف)

منابع
۱٫ http://fa.wikipedia.org
2 . http://tirefailures.com
3 . Polymer Data Handbook, Edited By James E. Mark, University Of Cincinnati Published By Oxford University Press
4 . United States Patent,Patent Number 3,928,291,Tire Tread And Their Products
5 . United States Patent,Patent Number 5,063,268, Composition for tire treads (E-235)
6. United States Patent,Patent Number 4,555,548, Rubber composition for tire treads
7. United States Patent,Patent Number 5,227,425, Copolymer rubber composition
8 . http:\polymer\sbs.htm
9.United States Patent,Patent Number 3,928,291,Tire Tread And homopolymers of butadiene
10 . N.G. McCrum, C.P. Buckley, and C.B. Bucknall, “Principles of Polymer Engineering”, ۲nd Ed., Oxford, New York, 1997