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青岛科技大学研究生学何论文 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 摘要 轮胎的温升来自于两种热源，一是滚动过程中由橡胶材料滞后损失引起 的转变成热能，二是接地面的摩擦热。轮胎非稳态温度场的研究就是基于这 两种热源。本文为建立轮胎非稳态温度场对胎面胶进行了动态力学分析实验 和高速摩擦实验，获得了胎面胶的生热率和摩擦系数这两个轮胎非稳态温度 场研究的基础参数。 由热造成的轮胎温度的升高将导致轮胎使用性能和使用寿命的降低。研 究低生热率的胎面材料对于提高轮胎的使用性能、延跃轮胎的使用寿命有重 大意义。本文通过参阅大量的滚动阻力、抗湿滑性能、生热率的文献的前提 下，从降低胎面胶滚动阻力入手，结合当前轮胎行业的实际需要，从工程实 用性出发，改变炭黑和s b r l 5 0 2 充油s b r l 7 1 2 b r 9 0 0 0 生胶并用比，设计了 1 1 种半钢子午线轮胎胎面胶的配方。 本文采用动态力学分析法( d m a ) ，使用n e z s c h 公司! l 产的d m a 2 4 2 型实验仪，获得了1 1 种胎面胶的d m a 温度曲线，从炭黑和牛胶配比变化两 方面，分组对不同系列的胎面胶的储能模量一温度曲线( e 一7 _ ) 和损耗因子 一温度曲线( t a n 8 一t ) 进行了分析比较，并参照l # 胶料，对1 1 种胎面胶 一1 0 1 0 和5 0 8 0 的t a n 占进行比较，讨论了炭黑及 s b r l 5 0 2 s b r l 7 1 2 b r 9 0 0 0 并用比的改变对胎面胶滚动阻力、温抓着力的影 响；在动态力学分析实验的基础上，还获得了1 1 种胎面胶的生热率曲线，并 分组进行了比较，研究了配方与生热率的关系。 此外，本文还对以上胎面胶中的7 种配方的滑动摩擦系数进行测量，实 验在吉林工业大学的的f 1 5 0 g i i 高速摩擦实验台卜进行。通过实验，获得 了7 种胎面胶摩擦系数随速度变化的曲线、相f 司材判存不同拔荷r 摩擦系数 随速度的变化曲线。分析了改变炭黑含量、s b i 1 5 0 2 s b r l 7 l2 b r 9 0 0 0 并用 比及载荷对摩擦系数的影响。 关键词：胎面胶滚动阻力湿抓着性生热率摩擦系数 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 d y n a m i cm e o h a n i c a ia n df ri c t i o rp r o p e r t y o ft r e a dr u b b e r a b s t r a c t a st h ev e h i c l ei sr u n n i n g ，t h et y r e sa r eu n d e r g o i n gap e r i o d i c a ll o a d ，a n dt h e t e m p e r a t u r eo f t h et i r ew i l lr i s eb e c a u s eo f t h el a g g i n gl o s so f t i l er u b b e rc o m p o s i t e m a t e r i a la n dt h ef r i c t i o nb e t w e e nt h er o a da n dt i r es u r f a c e t h eu n s t e a d ys t a t e t e m p e r a t u r ef i e l d o ft h et i r eb a s eo nt h et w oh e a ts o u r c e t h eh e a tb u i l d u pi s m e a s u r e db yn e t z s c hd m a 2 4 2a n df r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sm e a s u r e dh i g hs p e e d f r i c t i o ne x p e r i m e n tm a c h i n e t h et y r ep r o p e r t yi nh i g ht e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a nl o v t e m p e r a t u r e e s p e c i a l l yi nc r i t i c a lt e m p e r a t u r e ，t h et y r ep r o p e r t yr e d u c e dr a p i d l ya n dt h et y r e c a nb u r s ts o m e t i m e s t h en e e do fl o wh e a tb u i l d u pm a t e r i a li sr e q u i r e dt ob e m a d e w i t hr e a d i n gam a s so ft h ed o c u m e n t sa b o u tt h er o l l i n gr e s i s t a n c ea n dw e t a n t i g r a p p i n g ，t h e r ea r e1 1t y p e ss e m i s t e e lb e l tt y r e sf o r m u l a r i e sd e s i g n e di nt h i s p a p e rb yc h a n g i n gc a r b o nb l a c ka n ds b r l 5 0 2 s b r l 7 1 2 b r 9 0 0 0b l e n d i n gr a t i o ， w h i c ha n s w e rf o rt h ea c t u a ld e m a n d so ft h et y r ei n d u s t r ya n dh a v eac e r t a i ne x t e n t e n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t y t h ed m ac u r v e so f1 1t y p e st r e a d r u b b e rm a t e r i a l su s e di nt i r e sw i t ht h e c h a n g e so f t e m p e r a t u r eh a v eb e e no b t a i n e db yu s i n gd y n a m i cm e c h a n i c sa n a l y s i s t e c h n i q u e( d m a ) o nn e t z s c hd m a 2 4 2i n s t r u m e n t ，f h e s t o r a g e m o d u l u s t e m p e r a t u r e ( e 一? ) p l o t sa n dd i s s i p a t i o nf a c t o r - t e m p e r a t u r e ( t a l l 占一r ) p l o t so ft h ed i f f e r e n ts i r e so ft r e a dr u b b e r sw e r ea n a l y z e da n dc o n l p a r e di n d i f f e r e n t g r o u p i n g s t h e nt h e t r e a dr u b b e rf o r m u l a r yp o s s e s s i n gl o wr o l l i n g r e s i s t a n c ew a so b t a i n e db yt h e1 1 t y p e st r e a dr u b b e r s t a l lj i nc a s eo f - 10 。c 10 a n d5 0 8 0 c o m p a r e dc o m p o s i t i v e l yr e f e n i n gt on o 1r u b b e r t h eh e a tb u i l d u pc u r v e so ft h ei 1 t y p et r e a dr u b b e r sw e r ec o m p a r e di n 青岛科技人学研究生学似论文 g r o u p i n g ，b a s i n go nt h ee x p e r i m e n t sw h i c hu s i n gd m at e c h n i q u e f u r t h e r m o r e t h ec o e f f i c i e n t so fs l i d i n gf r i c t i o no f7t y p ef o r l n u l a r i e si na l la r em e a s u r e d a n d t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nf15 0 g 一1 1h i g hs p e e df r i c t i o ni n s t r u m e n ta t j i l i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y t h ec u r v e so f7t y p ed i f f e r e n tr u b b e r s c o e f f i c i e n t s o ff r a c t i o nc h a n g i n gw i t l lv a r i e t i e si n s p e e dw e r eo b t a i n e db a s i n g o i lt h e s e e x p e r i m e n t s ，i nt h em e a n w h i l e ，t 1 1 e r ew e r e 溆1 1 p l o t so fc o e 踊c i e m so f _ f r a c t i o n c h a n g i n gw i t hd i f f e r e n tl o a d so b t a i n e dt o o a tl a s t ，t h eb r a k i n gs a f e t yp e r f o r m a n c e o f t h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sw a s a n a l y z e db yi n v e s t i g a t i n go nt h ee f f e c t so f t h ec a r b o n b l a c kc o n t e n t s ，t h es b r l 5 0 2 s b r l 7 1 2 b r 9 0 0 0b l e n d i n gr a t i o ，t h el o a d s c h a n g i n go nt h ec o e f f i c i e n to f s l i d i n gf r i c t i o n k e yw o r d s ：t r e a dr u b b e r r o l l i n gr e s i s t a n c e w e tr o a dg r a p p i n gb e h a v i o r h e a tb u i l d u pf r i c t i o nc o e f f i c i e n t 青岛科技大学研究生学倚论文 符号说明 盯应力 尸口 占应变 e 弹性模量 p a f 为剪切应力 p a 矿切变速度 s 叫 玎剪切粘度p a s 变形频率h z 占滞后角 r 厂一最大应变 。：最大应力p a m 2 卜_ 时间s e * 一整体杨氏模量 驱动滑移率 鼠制动滑移率 叱轮轴速度 m s 摩擦系数 p 。接地面平均压力p a 卜一接地印迹长度 i l l 口扩散系数 m 2 s 、磅一导热系数w ( m k ) g 定压比热j ( k g k ) p 密度 k g m 3 t 。环境温度 j 、，_ 经验系数： 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 日d 一胎冠宽度 m r 自然对数的底； 卜轮胎直径m 不承受力矩时的车轮滚动半径m 只轮胎上作用的法向载荷n “滑动摩擦系数 r 。作用在滑动域的法向反作用力 n y ，附着系数 r 。静摩擦力n r x _ 一路面表面作用到轮胎上的作用力 n 卜轮胎所受力矩 n 1 3 3 助一轮胎所受垂直力 n r 接地压力中心前移距离 m f r 滚动阻力n m r d 轮胎的滚动半径i n t a n 占损耗因子 t 玻璃化温度 f7 储能模量 e ”损耗模量 ，广载荷周期s f 加载频率h z v 试样体积m 3 轮胎厚度m 卜放热面积1 7 1 2 口生热率w ( m 3 s ) v 1 1 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 选题的目的及意义 1 绪论 行驶中的轮胎在外载荷的作用下会产生大量的热最，引起温度的升高。 这种温升主要来源于两种热源，2 j ：一是轮胎周期性变形丽产生的橡胶材料滞 后损失转变成热能：二是接地面的摩擦热。两者都是影响轮胎非稳态温度场 变化的重要因素。 本文的目的之一在于为轮胎非稳态温度场的有限元分析提供生热率、摩 擦系数基础参数。另一方面，由热造成的轮胎温度的升高将导致轮胎使用性 能和使用寿命的降低，同时热的产生又加速了轮胎的疲劳破坏。随着车速的 提高轮胎温升也随着大幅度提高。大量的研究表明：斜交轮胎耐久性的最高 温度为1 2 1 1 ，子午线轮胎不能在此温度范围内f ：作，必颁限制在9 3 3 或更低些的温度( 该温度指局部过热点) 3 1 。当轮胎的温度超过极限温度后， 轮胎复合材料的性能迅速下降，严重时，引起轮胎的爆破，导致交通事故的 发生。此外，轮胎的生热过高，意味着滚动损失严重，增加了燃料消耗。生 热与温升对轮胎的使用寿命影响很大，而且随着燃油价格的 扬，控制汽车 尾气的呼声日渐强烈，所以研究轮胎的生热成为越束越重要的问题。胎面的 生热是轮胎温升的重要来源，因此研究低生热率和低滚动阻力的胎面材料对 于提高轮胎的使用性能、延长轮胎的使用寿命和节约燃料具有卜分莺要的意 义，即本文第二个目的。 轮胎所有的性能都有更深层次的原因，如图1 1 所示。柯鉴于此，本文 对胎面胶的生热特性的研究从轮胎的力学特性出发。对f 轮胎的滞后生热， 轮胎的滚动损失起着中间桥梁的作用1 4 。0 1 。滚动阻力和，j 二热：爷有着4 ：可分割的 联系，单位距离的能量损耗即滚动阻力，单位时问 t - 成的热量为生热率。轮 胎的摩擦生热是由轮胎与地面间的摩擦引起的，剐此列摩擦系数的测量为轮 胎温度场中的摩擦生热研究的前提条件。 本文联系我国轮胎工业的实际需要，从史i i 川：发，砹汁了1 1 种胎面配 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 匿圃琵 q叟 轮胎的耐久性、滚动| j = l 三二笙兰三 图1 1 轮胎的应力、应变，摩擦与轮胎性能的关系 f i g 1 1s c h e m a t i co fr e l a t i o n s h i po ft ir ei 1 1 t e r n a t i o l l a l f ie l d ，f r ic l i0 1 1a n d t ir ep e r o r t l l a l l c e 方，通过动态力学实验和摩擦实验，对胎面胶的滚动阻力、瀣抓着性、_ ：热 特性及其摩擦特性进行了分析比较。 综上所述，本文的研究为为轮胎非稳态温度场的研究提供了基础参数： 为胎面胶配方设计提供了经验数据；并且对降低汽车燃料成本、提高轮胎的 使用性能具有十分重要的经济和现实意义。 1 2 论文提出的背景 子午线轮胎胎面胶的性能主要包括胶料的滚动阻力、f i 泓| i ! 面的抗滑性 能、低生热性、耐磨耗、使用寿命、抗刺扎性、抗崩花裂j1 刖热、耐老化、 耐屈挠等性能等【1 l _ ”】。随着当前车速的提高，轮胎汛度的i 1 1 ，1 艘捉l i l ，i q 内 外的许多工作者一直努力尝试各种方法来降低轮胎的温计。阿降低轮胎的温 升是基于降低轮胎的滚动阻力来实现的。降低轮胎n 滚动j 足随精轮胎的 发展史建立起来的。 改变轮胎的结构是降低轮胎滚动阻力的途径之- 1 1 4 1 。l8 4 5 卜功：格兰人发 圈 o 、 青岛科技大学研究生学位论文 明了充气轮胎，1 8 8 8 年同为苏格兰人的邓录普制作成功了接近实用的轮胎。 1 9 0 0 年左右出现了胎面带花纹的轮胎，使车辆在讯涧和泥泞道路上的通过性 和安全性得到很大的提高。1 9 1 3 年英国人提出了子午线轮胎的概念，1 9 4 6 年 法国米其林公司取得实用化成功。自此，子午线轮胎丌始逐渐替代了斜交轮 胎，子午线轮胎的耐磨性、耐发热性、操纵性、滚动阻力都比斜胶轮胎优越 的多。 改变轮胎橡胶品种 ”1 也是降低轮胎滚动阻力的重要途径。1 8 3 9 年以后， 人们开始采用硫化橡胶，橡胶经过硫化后，获得了硬度、弹性和耐磨性。1 9 1 2 年在硫化胶中加入炭黑使橡胶的机械性能得到极大提高，特别提高了轮胎的 耐磨性能和其它机械性能，如胎面胶的模量( e 、e ”平f ie 8 ) 耵l 损耗 f 切值 ( t a n 8 ) 等。轮胎所使用的生胶，过去只是天然橡胶，第一次世界大战中， 作为合成橡胶的丁苯橡胶被制造出来，丁苯橡胶具有稳定的性能，成为替代 天然橡胶，成为目前最通用的合成橡胶，在轿车胎、小型拖拉机胎、及摩托 车胎中大量使用。随着合成化学的发展，各种新的橡胶陆续被研制出来，如 聚丁二烯( b r ) 、聚异戊二烯( i r ) 、丁基( i i r ) 等。山于顺j 一橡胶具有高弹 性、低生热、耐低温、耐屈挠、耐磨耗等优异性能闪此在轮胎制造中得到广 泛应用。 除此之外，国内外大量的科研工作者还通过改变硫化体系l l “、补强体系、 胶料的混炼顺序【l q 、改变填充油、使用新型炭黑替代传统炭黑【”埔l ，改变胶 料中生胶的配比、炭黑、油、硫化体系等的含量【i9 l 术改藩轮胎滚动阻，j 。 由于天然橡胶价格昂贵，胎面胶中，丁苯橡胶有完全取代天然橡胶的趋 势。丁苯橡胶j 喷丁橡胶共混体系是目前较流行的胎面配方。炭黑是种有效 的补强剂。炭黑对胎面胶的静态性能有着很重要的影响【，0 。”】，但炭黑对丁苯 橡胶顺丁橡胶共混体系动态力学性能及摩擦特1 陀的影响，还正人进行探讨。 本文通过研究胎面胶中炭黑及丁苯橡胶删颧丁橡胶并川比的改变来获得低滚动 阻力的胎面材料，从而降低其生热率。本文的研究符合轮胎 i j k 实际发展的 需要；符合当前世界环境保护和节约能源的需要。 本课题组经过多年的努力已建立了比较成熟的滚动轮胎稳态温度温度场 理论，目前正着手于建立非稳态温度场。非稳态温度场口例 究轮胎从启动到 轮胎温度达到稳态的时删内的温度场变化及具轮f j f 【稳态到制动停止过程中 的轮胎温度变化。对胎面胶的生热率的计算及摩擦系数的测靛是实现对轮胎 非稳态温度场的研究的前提条件。 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 本课题得到青岛科技大学“轮胎与地面相互作用及- f 稳念温度场模拟分 析系统的研究”科研基金( 0 3 2 0 5 ) 和黄海橡胶厂的资助。 1 3 文献综述 1 3 1 炭黑、生胶简介限2 3 ，2 4 a 、炭黑 炭黑是烃类不完全燃烧或热解制得的具有高度分散性的黑色粉术状物 质。主要由元素碳组成，是近乎球形的胶体粒子，这些粒f 大都熔结成各种 不规则的聚结体。炭黑是橡胶工业的主要填料，炭黑在橡胶工业中的用量平 均为橡胶消耗量的4 3 左右。而炭黑总产量中有9 4 用于橡胶工业f 2 “。它能 赋予橡胶制品一系列优异性能，尤其在通用合成橡胶中成为小町缺少的重要 原料，可以说没有炭黑，就不可能有今天的汽车运输和航窄运输。未经炭黑 补强的纯胎面胶磨耗寿命不足5 0 0 0 公罩，加入5 0 份适。内：的炭黑后，其磨耗 寿命可提高十倍。通用纯硫化合成胶( 如s b r ，b r ，n b r 等) 拉伸强度仅为 2 0 m p a 左右，经炭黑补强后，强度也可提高1 0 倍左右。显然这种性能的改 善是由于炭黑的补强作用所造成的。 ( 1 ) 炭黑的分类 常用炭黑分为普通炭黑和新工艺炭黑。普通炭黑包括超州磨炉黑( s a f ) 、 中超耐磨炉黑( i s a f ) 、高耐磨炉黑( h a f ) 、槽法炭黑( e p c ) 、快压出炉黑 ( f e f ) 、细粒子炭黑( f f ) 、通用炉黑( g p f ) 、高定伸炉黑( h m f ) 、半补 强炉黑( s r f ) 、细粒子热裂炭黑( f t ) 、喷雾炭黑、乙炔炭黑( a c e t ) 。 新工艺炭黑是1 9 7 1 年国际上出现的一系列轮胎胎嘶川炭熙新t i m - r 的总 称。新工艺炭黑与传统的炭黑相比，不仅质量好，收率高，价格低，而且还 具有粒径小，聚集体大小分布范围较窄，表面活性大，结构高等特点，闭此， 它具有优良的补强性能。 ( 2 ) 炭黑的微观结构 炭黑是由液体或气体碳氢化合物通过不完个燃烧或热裂m fj v 剑的微 聚结体，就其本质而言是一种元素碳。炭黑的晶体桶f 石! ： j 结d 类型，碳原 子按照一定的空间秩序排成正六角性网状平面，称为层而。层面之间相互平 4 青岛科技大学研究生学位论文 行。层内碳原子问的距离等于c c 键的距离，层向上的碳原子以三个共价 键相互结合，剩一个游离电子。 ( 3 ) 炭黑的基本性质 炭黑的基本性质是指炭黑“粒子”的粒径、粒径分伽、炭黑的结构形态 和结构程度以及“粒子”的表面形态、表面化学性质等，这些性质对橡胶工 艺性能及补强效果有着根本性的影响。 炭黑因制法和生产条件的不同，炭黑粒子直径在几纳米数百纳米范围 内，炭黑在一定的填充量的胶料中，粒子越小，总表面积就越大，炭黑的补 强效果就越好。同种炭黑其粒子大小并不相同，实践说明，提高炭黑粒径的 均匀性，可以提高其对硫化胶的补强性能。一一般晚米，粒径越小，粒径分布 越窄，补强性能越好。 炭黑的结构分为永久结构和暂时结构。炭黑微粒问以化学键溶聚连结成 牢固的三维不规则链结构，称为炭黑的永久结构。当炭黑基本聚集体形成以 后，它们彼此间或炭黑粒子、粒子与基本结构州以范德华j s4 h 匾吸引所形成 的次级聚集体结构称为暂时结构。通常情况下，炭黑的结构性用吸油值测定 法、e l 型膨胀率或压出收缩法来测定。吸油值测定的炭黑的结构是永久结构 和暂时结构的总和。 炭黑的表面性质体现在炭黑表面的粗糙程度不同，炭黑的表面粗糙度可 用表面粗糙系数( b e t 低温氮吸附法所测比表丽积电了显微镜照片所测几何 比表面积) 来表示。炭黑表面越光滑，补强效果越好。 随着炭黑表面粗糙度的增加，粒子表面含氧量增高，炭黑水悬浮溶液的 p h 值有中性向酸性方向发展。 b 、丁苯橡胶 丁苯橡胶是以丁二烯与苯乙烯为单体，在乳液或溶液中经催化共聚得到 的高聚物弹性体。丁苯橡胶具有较好的耐磨性、删热性、酬油性和耐老化性： 充油后的丁苯橡胶具有较好的加工性能；丁苯橡胶与其它的高不饱和通用橡 胶并用时具有较好的互溶性。但丁苯橡胶也有它i h 已的缺点，j 举橡胶纯胶 的强度低，生热高、弹性低、耐寒性也稍差。 c 、顺丁橡胶 顺丁橡胶又称为丁二烯橡胶，胎面胶中，顺丁橡胶的加入”j 提高胎面胶 的耐磨性、耐沟裂性( 花纹沟) ，以及提高j i f f y , j 胶的刷屈挠龟裂性。剥。变形较大 的子午胎胎体及胎侧，耐屈挠龟裂性能尤为秀婪。j 。橡胶j 蚶l ! 通t j 橡胶 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 的相容性及对油和补强剂的混合性好，通过与其它橡胶并f 日，可弥补、克服 或改进顺丁橡胶在拉伸强度、抗湿滑性、崩花掉块及加：l ：性方面所存在的不 足。因此，顺丁橡胶在轮胎中的耗用量愈来越大，在其耗用量中有8 0 以上 是用于轮胎工业，主要用在胎面胶和胎侧胶中。乘用车胎胎丽主要采用丁苯 橡胶顺丁橡胶或丁苯橡胶天然橡胶川顷丁橡胶并用体系。 1 3 2 轮胎的结构 充气轮胎是固定在汽车轮辋上充入压缩空气的具有双曲线内表面的环形 壳体，这个壳体是用帘线补强的帘线一橡胶复合材料结构件。j l - ) i 台的二1 三要结 构如图1 2 所示。 胎面是轮胎最外面与路面接触的橡胶层。用以保护胎体防止早期磨损和 遭受机械损伤，向路面传递汽车的牵引力和制动力，增d w j i - 胎与路而的抓着 力，吸收轮胎在运行时的震动。 缓冲层( 子午线轮胎或带束斜交轮胎称带柬层) 是胎体和胎惭之间的胶 片或胶一线复合片。用以防止胎体受到震动和冲击，减小f i - j | ：胎体的牵引 力和制动力，增强胎面胶和胎体间的附着力。带束层还承受周向负荷，外胎 内产生的最大应力集中在带束层，此处温度最高。 胎体是使外胎具有强度、柔软性、弹性以及一定刚性的橡胶一帘线主体。 它承受车辆载荷，承受强烈的震动和冲击，承受轮胎行驶时作用于外胎的法 向、侧向和切向力所引起的多次变形。胎体是由多层贴胶帘印制成，每层相 互平行。斜交轮胎和带束斜胶轮胎相邻两层帘布层的帘线走向交叉，子午线 轮胎相邻两层帘布层的帘线走向相同。 胎侧是贴在胎体侧壁部位，用以防止胎体受机械损伤和其他外界因素作 用( 如泥、水等) 的橡胶覆盖层，它不承受大的应力，不与瞎叫接触，斟而 不受磨损，它主要是在曲挠状态下工作。 胎圈是使外胎固定在轮辋上面而不能伸张的部分，以：，i 1 二返仃i l , j 抵抗使 外胎脱离轮辋的作用力。 6 青岛科技大学研究生学何论文 胎面 缓冲层 图1 - 2 子午线轮胎结构图 。i g 1 2 s c c t i o no fr a d i a it y r e 1 3 3 轮胎的基本功能及性能要求【2 52 6 】 轮胎是发动机功率传递到路面的中间媒介。轮胎支撑整车的重量；缓和 由路面传来的冲击和振动；通过轮胎与地面的附着性能，束传递驱动力和制 动力。此外还必须具备操纵稳定性、行驶安全性( 1 利湿洲听u 抗测滑) 、f 耐久性 ( 耐疲劳破坏、耐磨性) 、高速性、节能性等。 轮胎在使用过程中受到压缩、冲击和屈挠等多种力作刚，因此轮胎的性 能对于汽车的正常行驶的影响十分重要。一般对轮胎有如下要求： ( 1 ) 一定的载荷与速度车辆的载重量、牵引力、制动中的惯性力、行驶过 程中发生的冲击力以及转弯时的离心力等等都是通过轮胎1 到地面。轮胎转 速增加，动负荷相应增加。 ( 2 ) 耐磨、耐刺穿和耐屈挠轮胎在整个使用过刷j 埘州，经常处j 二高速变形 中，因此轮胎的寿命依靠轮胎胎面的耐磨、俐刺穿和胎体”箨韧来维持。 ( 3 ) 牵引性能和通过性能好、滚动损失小，即轮胎与地丽有良好的抓着性能， 使车辆在行驶过程中尽量减少打滑和侧滑，行驶存小良的道路和允路地暖：， 具有良好的通过性，从而充分的发挥汽车的牵引j 。降低滚z 力损失，1 j 以节省 燃料消耗。 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 ( 4 ) 缓冲性能好，行驶平稳车辆在行驶过程中，要求轮胎遇到路面不平和 小障碍物时，能缓和冲击与震动，使车身不致跳起，保证操作平稳。 1 3 4 轮胎损坏形式及损坏机理【2 7 。2 9 轮胎在行驶过程中受到载荷的作用，产生交变变形，容易发生损坏。研 究表明，轮胎的损坏形式主要以机械损坏、疲劳损坏和热损坏为主。 ( 1 ) 机械损坏这种损坏包括外物的撞击或刺伤、表面擦伤及挤压等。 ( 2 ) 疲劳损坏 3 0 引】轮胎的疲劳损坏主要是由轮胎受到快速的动念应力和应 变所应起的。由于胶料的粘弹特性，轮胎受到载荷作用发生交变变形时，造 成了应力和应变不同步产生永久变形，使得分子链缓慢破坏。这种损坏称 为疲劳损坏。 ( 3 ) 热损坏胶料的粘弹性能使得在交变应力作用下，会产k 滞后损失，这 部分能量导致了轮胎的温度升高。当温度升高到。定耻t ! 艘州，轮胎胶料的各 种热力学性能将会下降，影响到轮胎的行驶安全，、j 温度升高至0 极限值时， 则导致轮胎的过热损坏，发生“爆胎”现象1 2 8 , 3 2 1 。 以上三种损坏形式以疲劳损坏和热损坏最为严重，而卜 f j i y i l i 轮胎的损 坏以热损坏最为常见，严重影响了轮胎的使用寿命1 3 3 3 4 1 图l 一3 汽车前进的阻力构成 f i g 1 3r e s is t a f l c ec o i ls t i t u t eo f a 1 i i n l i n g v e l a ic 1e 青岛科技大学研究生学何论文 1 3 5 汽车前进过程中的阻力构成犯5 l 汽车在前进过程中的阻力构成如图1 _ 3 所示。 1 3 6 滚动轮胎的应力应变关系3 6 仃 缀_ x ：、占 ，飞澎j ，、 弹性材料 粘f 生材料 粘弹性材料 图1 4 各种材料对动态交变应力的应变响应 f i g + l 一4s t r a i nr e s p o n s et od y * t a a * i ca i e r 1 ac in g s r e ss 理想的弹性体的弹性服从虎克定律，即应力j f 比j 成变，比例系数为弹 性模量，而且应力一应变的响应是瞬问的( 如图1 4q 一的实线) ；虎克定律 的表达式为 o - = e 占 ( 1 一】) 式中，盯为应力( 砌) ；占为应变：e 为弹性模量( p a ) 。 理想的粘性体服从牛顿定律，即应力正比于应变速率，比例系数为粘度。 牛顿定律的表达式为 f 2 叩百d y = 形 ( 】一2 ) 式中，f 为剪切应力( p a ) ；户为切变速度( s 一) ；刁为剪切粘度( p a s ) 。 材料的动态力学行为指材料在交变应力( 或应变) 作刚下晌应力( 或应 变) 的响应。动态力学性能中最常用的交变应力是i r 弦应力，以动态剪切为 例，正弦交变剪切应力可表示为 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 s 2 o e 0s i l l 纠 ( 1 3 ) 试样的正弦交变应力作用下的应变响应随材料的性质而变。对于理想的弹性 体，由于应力和应变是瞬间响应的，所以正弦交变应力对应的应变响应必定 是与应力同相位的正弦函数 盯= 盯os i nc o t ( 1 4 ) 式中，u 为变形频率，j 是滞后角，。口和盯口分别足为最大应变币u 最大应力。 对于理想的粘性体，如果将方程代入方程( 1 2 ) 经整理、积分，可得 到 仃= s i n ( 删+ q “- ) ( 1 5 ) 即应力落后于应变9 0 0 ( 如图1 4 中虚线所示) 。 对于粘弹性材料，应变将滞后于应力一个相位角j ( 0 。 占 = 7 - ) ( 如图1 z 一4 中点划线所示) 。 盯= 仃os i n ( c o t + d ) ( 1 6 ) 汽车行驶时，轮胎胶料为粘弹性材料。轮胎承受周期性的变形，其应力 ( 或应变) 与时间的关系符合正弦曲线的变化，同时山于橡胶t j 存在私性阻 力，应变就落在了应力的后面，应力与应变之问就存在一个相位麓6 。 应力、应变与时间的函数可用下式表示： 口= a o s i n t ( 1 7 ) f = 。庐加r u t - ( 1 8 ) 其中：一厂应力振幅的最大值； r 广应变振幅的最大值： 1 7 、f 应力、应变的瞬时值； 甜周期变形的角频率： 。 卜时间( s ) ： 6 应力、应变之间的相位差。 橡胶在动态变形时，粘性阻力越大，损耗角 越大。动态变形时，作用于橡胶上的应力或动态 模量可以分为两部分，一部分为“储能模量” e ，是弹性形变的动力，它与变形同相位，它 承受的应变能是不损耗的，只是在往复变形的过 o f 图1 5 复数模量图解 f i g1 5p l u r - c dm o d u l u sc h a r t 青岛科技大学研究生学何论文 程中交替地储存和释放。另一部分为“损耗模量”，这一部分用于克服 橡胶的摩擦阻力，是完全损耗的，将全部转化为热量，引起轮胎的温升。我 们用e + 代表整体模量。 e 匕e + f e ” 从矢量关系上说，e 和e “是垂直的，e + 是由和e ”合成的。三者之f 日j 的关 系如图l 一5 所示： 在数值上：e 4 = e “+ e ” 其夹角的正切：t a n 万= e ”e 7 ( 1 9 ) 砌7 占称为阻尼因子或损耗因子；e + 称为整体杨氏模量。 e + = 岛 ( 1 一l o ) e ”= e s i n 6 ( 1 1 1 ) 1 3 7 轮胎的滚动阻力和湿抓着性 ( 1 ) 滚动阻力 滚动阻力又称滚动损失( r o l l i n g l o s s ) ，是指轮胎行驶单位距离所损失的 能量，是轮胎沿水平路面滚动时所引起的各项损失的总称3 ”f 。影响轮胎滚动 阻力的因素分为外部因素和内部因素。外部凶素包括轮胎的允7 弋压力、负荷、 车辆的行驶速度、轮胎的充气压力、负荷、车辆的行驶速度、窀气阻力、环 境温度、轮胎的侧滑以及路面材料和路面粗糙度。内部吲素包括轮胎结构、 轮胎规格、轮胎重量、断面高宽比、胎面结构及配方设计”“。 滚动阻力与汽车的能耗紧密相关。据报道【8j ，刈装用轿午轮胎或轻型载重 轮胎来说，燃料用途的3 4 6 6 用于克服轮胎的滚动f j h 力：剥。装用载重子午 线轮胎来说，燃料用途的1 2 4 1 4 5 用于克服轮胎的滚动1 5 1 - 1 j 7 。胎面胶是滚 动阻力的最重要的贡献者，所以，降低胎面胶的滚动阻力对于节约能源、减 少空气污染是非常重要的。 影响轮胎滚动阻力的因素有许多，般分为外部i j 4 鬃币u 内部因索。外部 因素包括轮胎的充气压力、负荷、车辆的行驶速度、窄气阻力、环境温度、 轮胎的侧滑以及路面材料和路面粗糙度。内部闪索包括轮胎结构、轮胎舰格、 轮胎重量、断面高宽比、胎面结构及配方设计l 。 ( 2 ) 抗湿滑性能 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 抗湿滑性能又称湿抓着性能，是轮胎在行使过程中与湿滑道路表面产生 的摩擦阻力3 8 l 。抗湿滑性能越好，轮胎与地面的抓着性能就越好，车辆行驶 就越安全。 1 3 8 轮胎的温升 ( 1 ) 轮胎的滞后损耗 ” l o 4 + c f 畸 + a 8 o形 1 | | 步 ，d “ 。叮 ( a ) 【b ) 图1 6 动态应力应变关系( a ) 弹性材料( b ) 粘弹性材料 f i g 1 - 6o y n a m i cs t r o s s s t i 8 i nr c l a t i o n ( a ) e i a sl i c i t ym a t c r i a l ( b ) p 1 a s t i c i t ym a t e r i a l 弹性材料在每一个振动周期内，应力一应变曲线沿如图1 6 所水的直线 变化。在第一象限内，直线o a 与横坐标之问的面积表示l i j 应力i ：升的】4 周期内材料储存的弹性能以及在正应力下降的l ，4 周期内释放的弹性能。同样 的道理，第三象限内直线o b 与横坐标之间的面积等于负应力一l - t l + 的l 4 周期 内储存的弹性能和负应力下降的1 4 周期内释放的弹性能。l hj ：榴邻的1 4 周 期内储存的能量和释放的能量相等，所以每个j 爿期内没仃能 协撵e 。但对于 粘弹性材料，由于应变滞后与应力一个相位角万，应j 和、i 变之m 的芡系不 再是直线，而是形成了稳定的“滞后圈”一a b c d a 。当应变处于增大阶段时， 应力一应变曲线为图中的a b c 段，当应变处于减小的阶段时，应力应变为图 中的c d a 段，曲线a b c d a 所围成面积的数值就对应j ：个j 圳l f j 内能鼓损耗 的数值。能量损耗以热的形式出现1 3 1 3 2 】。每一个振动刷朋内以热的形式损耗 重墨型垫查堂婴塞尘堂生丝塞 的能量即通常所说的阻尼。 ( 2 ) 轮胎在周期性变形中的生热量 对于角频率为u 的周期性变形来说，变形周所需时间为t ：堡，变形 周所损耗的机械功为： 2 f 弘孽o d g 2 0 2 f c r os i n m 岛s i n 一占) 】 2 职丁0 岛s i n 6 ( 】一】2 ) 单位体积单位时间所消耗的机械功为： a w = r = o s o s i n 罢 将( 1 1 0 ) 和( 1 1 1 ) 式代入上式可得： ，：丝鳘 2 由此可见，动态变形时损耗的机械功与变形的角频率、 大变形的二次方成正比。损耗功也可以换算为热量： 脯：型坐 ( 1 一1 3 ) ( 】一1 4 ) 损耗模量以及最 ( 1 。1 5 ) 动态变形时，由于滞后损耗所引起的机械能的损耗将伞邵转化为热能， 引起轮胎温度的升高，同时由于橡胶是热量的，f i 良导体，轮胎内部所，“：生的 热量将很难及时扩散到周围大气中，从而引起轮胎温度急剧二升。 1 3 9 轮胎摩擦学的基础知识 轮胎摩擦学是研究作相对运动的轮胎和道路之m 棚忆作川的表面及其相 关理论与实践的一门科学技术【3 。道路牵引中摩擦学的作用，与为使机器的 摩擦和磨损降至最小并防止固一固接触的传统作用是截然不同的。轮胎摩擦 学的主要目标是确立轮胎和路面间直接而强烈的接触，以增人夺引所需要的 摩擦力，尽管也要求磨耗低，但这是次要的。 ( 1 ) 轮胎摩擦学的分类 4 0 4 1 胎面胶动态力学及摩擦特性的研究 根据路面条件不同，轮胎摩擦可分为：干燥硬路面上轮胎的摩擦，主要 研究轮胎摩擦系数模型、轮胎接地面模型、轮胎的热模型：温路面一l 轮胎的 摩擦和润滑，主要研究冰雪地轮胎的牵引性能。按照摩擦来源的不同，轮胎 摩擦力可分为与真实接触面积成正比的粘着摩擦力，以及在接地面随路面纹 理的周期变形过程中作为能量损失被耗散的变形损失摩擦力，即我们通常所 说的内摩擦。根据轮胎与路面的相对运动状态轮胎的摩擦力i 叮分为滑动摩 擦和滚动摩擦。滑动摩擦主要表现为粘着和滞后。f i f 滚动摩擦则与滑动摩擦 不同。滚动摩擦受轮胎的微观滑移、粘弹滞后、塑性变形、粘着效应等的影 响。 ( 2 ) 轮胎与路面的附着机理【4 2 1 a 轮胎的滑移率 3 0 年代，s c h u s t e r 和w e l c h s l e r 在实验中发现，肖轮胎滚动时，在接地面 可以看到弹性滑移现象。其中滑移成分的大小可用滑移率来表示。当轮胎受 驱动力矩作用时的滑移率称为驱动滑移率毋，而受制动力矩作用时的滑移率 称为制动滑移率，分别用下式来计算： 蜀= 饥一v o ) r o - c o ( 1 一1 6 ) s b = v x r o - 甜) 心 ( 1 1 7 ) 其中，珊为轮胎角速度；v 。为轮轴速度：为不承受力矧! 时的车轮滚动 半径。 b 附着力和附着系数 当轮胎在原地打滑或轮胎完全抱死滑动时，轮胎上作用的法向载荷被反 作用力所平衡。此时轮胎上的滑动摩擦符合库仑摩擦定律。但驱动轮仅有部 分接触区有滑动摩擦，而法向载荷由全部接触顽积束承j ： l 。此时作用在滑动 域的法向反作用力产生滑动摩擦力在该区域内的摩擦力符合席：仑摩擦定律。 而在静止域上作用有法向反作用力和一定的静摩擦力这个 挣摩擦力小”，二轮 胎假若在此区域滑动时所产生的摩擦力。因此从路面表面作刚到轮胎上的作 用力是滑动域的摩擦力和静止域的静摩擦力之和，并小于整个轮胎渭动时的 摩擦力。即 滑动域的摩擦力+ 静止域的摩擦力 青岛科技大学研究生学位论文 轮胎滑动摩擦系数1 轮胎接触面卜的载荷 滑动域和静止域上的摩擦力用附着系数，来确定附着力，即 滑动域的摩擦力+ 静止域的摩擦力= 、轮胎接触面上的载荷 附着力并不遵循库仑定律，即并不等于车轮上的法向载荷与比例常数的乘 积。当滑移面积扩大到整个接触面积时，附着力就等于摩擦力。即当车轮完 全打滑，以及车轮抱死沿路面拖滑时，作用r 轮胎一l - 的摩擦力等于法向载荷 乘以其与路面的摩擦系数，即符合库仑定律 ”1 。 c 影响轮胎滑动摩擦系数的因素 滑动摩擦系数的大小与载荷、内压、胎面花纹、胎面橡胶性质、轮胎结 构、接地压力分布、速度、温度、道路材料、路而污染、湿润、水膜厚度等 因素有关。 1 4 本文的研究内容 本文针对当前常用的半钢子午线胎面胶配方、轮胎的低滚z 力j 5 l 力及轮胎 工业温度场研究的需要，从工程实用性出发，通过改变加入炭黑的含量和品 种及生胶s b r l 5 0 2 s b r l 7 1 2 b r 9 0 0 的配比，设计了1 1 种胎面胶配方。利用 动态力学分析仪及高速摩擦实验台进行实验，对不同配方的胎面胶的滚动阻 力、抗湿滑性能、生热率及其摩擦性能进行了分析和讨沦。 主要研究内容包括： ( 1 ) 胎面胶滚动阻力、抗湿滑性能的实验研究。通过改变s b r l 5 0 2 s b r l 7 1 2 b r 9 0 0 0 配比及加入炭黑的含量和品种，获得最低的滚动阻力，同时 又保持不亚于甚至超过l # 对比胶料抗湿滑性能的胎f 1 1 胶。1 戈验稿：动态力学分 析仪( d m a 2 4 2 ) 上进行。 ( 2 ) 胎面胶生热率的计算及分析，利刚箱承t f 一动念力学实验剥- 月台嘶胶 的生热率进行计算和分析，绘出了1 1 种胎西胶f 1 1 4 i 随温度煲化的曲线。为因 胎面胶滞后生热引起的轮胎温度场计算提供参数支持。 ( 3 ) 胎面胶滑动摩擦特性的实验研究， 婴包括埘不问炭黑用量和生胶 并用比的胎面胶进行摩擦系数的实验测量，实验侄l ? 15 0 g i lr 岛述胯擦实验台