轮胎胶料磨损的因素分析

轮胎胶料磨损的因素分析

车轮磨损是指对轮胎表面（如道路表面）的研磨，由于机械作用或和（热、电、化）的反应，摩擦表面材料的损失会继续。轮胎磨损的研究主要包括胎冠磨损和胎侧磨损。轮胎磨损影响车辆运行的经济性和车辆特性如操纵稳定性等,因此研究轮胎磨损具有重要的意义。轮胎磨损现象非常复杂,受操作条件、环境因素、轮胎结构和胶料性能等各种因素影响,磨损机理至今尚未完全探明,磨损预测更是难以实现。目前轮胎磨损的研究方式主要有两种:一是实验室研究,通常为简单的机理研究;二是车辆行驶试验,这是一种更接近实际的估量办法,但速度慢,且劳动强度大。显然,这两种方式都有局限性。本研究以橡胶磨损理论为基础,着重从轮胎结构和胎面胶料两方面来系统分析影响轮胎磨损的主要因素,以期认识轮胎磨损的本质和基本规律,掌握减少或控制磨损的方法,为轮胎结构设计和胶料配方优化提供帮助。1基本总结(1)材料的磨损程度计算单位滑动距离橡胶的总损耗量,是磨损特性的基本参数,通常分为线性磨损率、体积磨损率和质量磨损率。a)线性磨损率RLRL=h/L(1)RL=h/L(1)b)体积磨损率RVRV=ΔV/LAa(2)RV=ΔV/LAa(2)c)质量磨损率RWRW=ΔW/LAa=ρRV(3)RW=ΔW/LAa=ρRV(3)上述三式中,h,ΔV和ΔW分别表示材料被磨损的厚度、体积和质量;L为滑动距离;Aa为摩擦副表观接触面积;ρ为胶料密度。(2)b损耗量损耗量特定界面条件下,输入单位摩擦功的橡胶(体积)损耗量。γ=ΔV/FL=ΔV/μΝL(4)γ=ΔV/FL=ΔV/μNL(4)式中,γ为磨损度,F为摩擦力,μ为摩擦因数,N为法向载荷。(3)耐磨损率或磨损度的倒数,通常用β表示。(4)非均匀磨损用以描述胎面花纹横向磨损的非均匀分布。(5)无规则磨损主要表征胎面胶磨损率的周向变化,它与轮胎的安装质量、轮胎或车轮的均匀度以及车辆悬架或制动器有关。2车轮磨损过程和机理2.1磨损过程基于系统观点,摩擦是导致系统输入能量损耗的过程,而磨损则是导致系统元素损耗的过程。磨损一般分为下述3个过程。(1)械作用的确定摩擦表面间的相互作用方式有机械和分子两种。机械作用可以是两摩擦表面间直接接触,即两体磨损;也可以是两表面间夹杂外界磨粒的接触,即三体磨损。分子作用包括两表面的相互吸引和粘附。(2)胎面胶的反复弹性变形载荷在摩擦过程中,受表面变形、界面温度和环境条件等的影响,表层材料将发生机械、组织结构、物理和化学变化,例如胎面在反复碾过粗糙路面时,胎面胶的反复弹性变形使其产生疲劳;接地面的局部高温使轮胎胶料在速度突变条件下(抱死车轮的高速滑动)产生热降解。(3)表面材料的损坏破坏形式主要有犁削、撕裂、疲劳破坏、剥落和磨损花纹。2.2轮胎磨损机理由于对材料(包括高聚物)磨损机理的研究尚处于进一步探索阶段,因此根据摩擦学原理,结合国内外有关橡胶磨损的研究,将轮胎磨损机理分为5种基本类型:粘附磨损、表面疲劳磨损、磨粒磨损、降解磨损和卷曲磨损。(1)对路面的机械磨损当轮胎相对路面产生运动时,由于粘附效应所形成的粘附结点发生剪切断裂,使胎面表层材料转移到路面的机械磨损现象称为粘附磨损。它是干燥光滑路面上轮胎产生磨损的唯一途径,是胎面胶分子对路面的粘附,受接地面温度、轮胎和道路表层材料的物性(如强度)及表面粗糙度和环境条件的影响。主要表现为轻微磨损、涂抹和擦伤等,其中以涂抹现象较常见。(2)轮胎表面产生的表面裂纹当轮胎在路面上滚动或产生滚滑运动时,胎面表层胶料在重复变化的接触应力作用下疲劳而产生剥落的现象统称为表面疲劳磨损。如果橡胶试样与光滑基面对磨,长期受摩擦力作用将产生点坑,并由于接触疲劳过程而产生表面裂纹,此时摩擦力在表面层产生的应力为拉伸应力。对轮胎而言,产生接触疲劳的合适条件是长距离直线行驶。实际上,轮胎表面产生接触疲劳的情况很少,因为典型的侧偏力分布和胎面胶料生热导致更严重的破坏,但是疲劳破坏形成的点坑连接起来或表面、次表面裂纹的扩展和集结必然造成对轮胎大的破坏。胎面胶、干燥路面、圆钝微凸体和合适的切向力是产生疲劳磨损的条件。(3)磨粒磨损机理外界硬颗粒(如碎石子或沙子)或者道路表面的硬凸起物(包括微观和宏观纹理)在轮胎摩擦过程中引起其表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。当轮胎处于稳定磨损阶段时,磨粒磨损成为轮胎磨损最常见的形式,主要表现为二体磨损和三体磨损两种形式。一般情况下,磨粒磨损的机理是磨粒的犁沟作用,即微观切削过程。轮胎与路面间的磨粒磨损主要表现为下述四方面。胎面磨痕和冲击角由尖锐微凸体相对胎面滑动摩擦引起,特征是胎面上将留下槽状磨痕。微凸体冲击角很大,则产生切削;冲击角较小,则将引起犁沟。硬胎面胶、湿路面和尖锐粗糙凸体是产生切削的条件。低应变率拉压板上的典型减压板产生切削或当周期性大变形引起裂纹时,连续变形以及轮胎-道路界面间产生的粘附力可能导致低应变率裂纹扩展现象,使橡胶大块脱落。在苛刻条件下,这将导致轮胎过度磨损而影响牵引力。2瀑布如果出现分子取向,那么弱平面使裂纹扩展表面平行于轮胎表面运动,造成胶料成薄片状脱落。使用条件c表现为磨损表面形成垂直于滑动方向的波纹,波峰间距为0.05～10mm,其值取决于使用条件的苛刻度(如摩擦力的大小等)和胎面胶强度。多数轿车轮胎胎面看上去很光滑,但在显微镜下呈波纹状。(4)橡胶自然脱湿在热力作用下,胎面胶可能产生热化学降解或热氧化降解,降解颗粒(约几个微米)随后脱落。尽管滞后效应引起的胎面温升低于更苛刻条件引起的胎面温升,但是橡胶自然脱落的存在表明产生了降解。干燥路面、圆钝粗糙凸体和滑动可导致这种磨损,如图1所示。(5)侵蚀腐蚀和副磨损率如果磨损花纹的隆起在脱落前开始降解,则它们将因为胎面胶的粘附而卷曲,这种机理可以认为是形成磨损花纹和产生热氧化降解的中间过渡。一旦脱落,则卷曲所形成的小圆柱体将使轮胎和路面间的摩擦力下降,也称之为摩擦磨损。另外,还有侵蚀磨损。含有固体粒子的流体以一定速度沿几乎平行于胎面的方向产生相对运动,由此引起胎面磨损的现象统称为侵蚀腐蚀。这种磨损常常发生在积水路面和近熔点冰雪路面上滑动的轮胎胎面上,比较轻,常常为其它磨损所掩盖,一般不研究,只是在特殊环境如石油化工设备或其它含有对橡胶具有较明显侵蚀性物质的场合才给予重视。何种机理占主导地位是很重要的,因为每一种机理都将对应不同的橡胶损耗率,物理损耗比化学损耗严重得多,一次严重的大块剥落可能会完全改变低的橡胶磨损率。对于每种轮胎-道路摩擦副,其主要磨损机理间存在临界值,而该值除了与摩擦副组合有关外,还取决于聚合物的基本性能,如撕裂性能、热稳定性和滞后性能等。基于对轮胎-道路摩擦副的理论研究和轮胎磨损的实际观察,得出橡胶磨损机理如图2所示,图中实线表示轮胎在铺砌路面上最可能产生的磨损机理,虚线表示表面粗糙尖锐凸起处在接触应力极高条件下(如湿润路面)最有可能产生的磨损机理。3路面条件分析轮胎磨损过程十分复杂,磨损往往是多种机理共同作用的结果。决定何种机理占优的因素很多,包括路面条件(如路面温度、微观纹理以及路面是否湿润)、轮胎滑移和载荷、轮胎结构和胎面用胶等。这里主要从轮胎结构和胎面胶料性能两方面来分析轮胎磨损的影响因素,并力图阐述这些因素的影响规律。3.1车轮结构(1)子+前轮轮胎轮胎按胎体结构分为斜交轮胎、子午线轮胎和带束斜交轮胎3种,其中带束斜交轮胎是斜交轮胎和子午线轮胎的中间结构,其侧偏刚度居于二者之间,而其耐磨损性和操纵平顺性都较前二者差,故较少使用。斜交轮胎与子午线轮胎相比,因其承载时发生挠曲,各帘布层间产生较大的相对滑动,内部摩擦较大,生热和滚动阻力也较大,并且轮胎在作自由滚动时,接地胎面上仍存在纵向或侧向摩擦力,降低了轮胎的耐磨性。子午线轮胎除了上述各方面优于斜交轮胎外,还因其带束层非常硬,可以用硬度较高的橡胶作胎面,从而大大提高了轮胎的耐磨损能力。(2)胎面的表面配装试验研究表明,随着胎面上开槽数目的增加,轮胎的耐磨损性下降。但是,为了改善轮胎的牵引性、散热性、低噪声和吸振性等综合使用性能,胎面上必须有不同形状和数目的沟槽,有代表性的花纹包括横向花纹、纵向花纹和混合花纹等。在混凝土或柏油路面上,轮胎常采用以纵向花纹为主附带横向细花纹沟的胎面花纹形式。(3)与汽车悬挂装置配合随着轮胎断面高宽比的减小,接地面积将增大,接地面上压力分布更加均匀,从而使磨损率降低。然而,轮胎断面高宽比过小将影响行驶平顺性等,因此,必须与汽车悬挂装置配合考虑。文献讨论了轮胎剩余胎面花纹高度的影响,认为当局部剩余花纹高度降至磨损标志及其以下或发生偏磨损、阶梯磨损及其它异常磨损时,应及时更换轮胎以防事故发生。3.2橡胶表面材料的性能和填充(1)高耐磨炭黑砂纸的磨损率尽管一般情况下轮胎胎面的耐磨损性随胶料硬度的增大而提高,但有时也会出现相反的情况,例如在覆有尖锐磨料的砂纸上NR的质量磨损率反而因加入高耐磨炭黑后增大了。在相同滑动条件下,炭黑不一定能提高所有橡胶的耐磨损性,这说明炭黑对胎面磨损的影响可能与刚度有关。(2)轮胎磨损与质量磨损率一般情况下,轮胎与路面间的接触区可分为粘附区和滑移区,这两区沿运动方向分别位于接地胎面的前部和后部。滚动时,轮胎首先进入粘附状态,而变形轮胎的弹性恢复力试图将胎面拉回至先前的无应变状态。这个恢复力的大小不仅取决于刚度,而且与弹性有关。沿接触长度随着变形的增大,恢复力最终超过局部摩擦力,在接触区有部分弹性能转化为摩擦功。Veith和Walters据此得出了轮胎磨损率RW的计算式:RW=ΚFn(5)RW=KFn(5)式中,K为与轮胎刚度成反比的常数;F为摩擦力;n为指数,n=2.0～4.0。当轮胎产生纯滑动时,磨损与弹性无关。轮胎的弹性取决于胎腔、骨架材料、胎侧和胎面胶。Livingston将胎腔、骨架材料和胎侧的影响与胎面胶的影响分开,因此,通过实验室的磨损试验来预测轮胎磨损成为可能。应该指出的是,虽然与阿克隆磨耗试验机类似的机器的接触滑动量可以通过偏离角来改变,但无法进行控制,因此测得橡胶的质量磨损率(或滑动量)取决于弹性。相反,刀片和DIN磨耗试验机可对滑动量加以控制,所测质量磨损率与弹性关系不大。(3)线性关系的确定Grosch和Schallamach的研究表明,轮胎的磨损度γ与胶料的断裂能Eb的倒数呈线性关系,即:γ=c/Eb(6)γ=c/Eb(6)式中,c为Eb值相同材料做单位摩擦功造成的体积磨损量,一般取c=10-12m3。由此不难得到体积磨损率RV∝1/Eb,即轮胎的体积磨损率随橡胶拉伸强度的提高而减小。研究表明,RV与橡胶的撕裂强度Et之间存在类似关系。(4)磨损率与e的关系研究表明,胎面胶模量影响轮胎摩擦功的滞后和粘性分量。相对复合模量E*与硬度,损耗模量E″与磨损的关系更密切,因为它直接反映了橡胶的滞后和粘性损耗特性,如式(7)所示:RW=γFE=γE″[C11E*2+C21pr](7)式中FE为轮胎每转一圈单位面积橡胶所消耗的总摩擦功,C1和C2为试验常数,p为气压,r=0.2。实际上,磨损率与E″的关系更为复杂,其关系曲线的准确特征取决于道路的微纹理结构和轮胎的使用温度,而这两个条件又取决于季节性的气候变化。在夏季,微纹理起伏幅值较小,而在冬季,受结冰和积雪程度不同的影响,道路微纹理起伏具有较高幅值。轮胎的使用温度变化却是夏季大而冬季小。对于具有高起伏幅值微纹理结构的路面,磨损率与E″的关系更为复杂,并以某种不受E″影响的方式取决于补强剂(如炭黑)的用量。(5)磨损颗粒及磨损方式Lancaster认为聚合物磨损包含2个主要机理:一是弹性变形磨损(E磨损),即弹性变形响应期间由于拉伸断裂破坏所产生;二是塑性变形磨损(P磨损),即塑性变形期间由磨粒-切削作用所产生。E磨损类似于疲劳磨损,其中表面剪切力引起的裂纹增长产生磨损颗粒,此时橡胶的响应是弹性的;P磨损类似于磨粒磨损,在磨粒切削条件下,尖锐微凸体的切削作用使橡胶产生磨损,此时橡胶响应主要是粘性响应。Veith认为,轮胎行驶时,E磨损和P磨损是同时存在的。受不同环境条件影响,E磨损和P磨损以某一临界值Tc为分界点:当Tg<Tc时,轮胎磨损以E磨损为主;当Tg>Tc时,以P磨损为主。这意味着E磨损和P磨损随Tg和炭黑用量而变,变化方式取决于环境因素和季节因素。E磨损的主要影响因素为:①路面细纹理;②高的接地面温度;③低Tg值的胎面胶;④较软及补强差的胎面胶料等。P磨损的主要影响因素为:①路面粗纹理;②低的接地面温度;③高Tg值的胎面胶;④硬的胶料(炭黑用量大)。(6)不同填充材料对胎面胶抗磨损性能的影响炭黑是橡胶最重要的补强材料之一。随着炭黑用量的增大,橡胶模量和tanδ值将增大,其中E″提高程度更大。橡胶中加入炭黑后形成网络,产生流体动力效应及应变放大作用,补强橡胶基质,因此导致胶料磨损下降。对于如SBR等的非结晶性二烯类橡胶,加入炭黑不仅能提高其模量和硬度,其拉伸强度和撕裂强度也得到提高,最终改善了轮胎的耐磨性能;但对于结晶性二烯类橡胶(如NR),填充炭黑除使拉伸强度略有提高外,其它性能一般几乎没有变化。炭黑对橡胶的补强作用主要与炭黑用量、结构、比表面积和表面化学活性有关。研究表明,在苛刻度较高,如轮胎在圆钝的微纹理路面上高速滑行(有利于花纹磨损的产生)时,填充结构性较高炭黑的胎面胶具有较低的磨损率。此时,这种炭黑的作用主要是增大了胶料硬度和模量。在正常磨损条件下,较软胶料(低量填充)的耐磨性比较好;但在高苛刻度条件下,较硬胎面胶的耐磨性相对较高,此时随炭黑填充量的增大磨损率下降;在苛刻度较低时,炭黑填充量及其结构对轮胎磨损的影响很小。如果不考虑工作条件的苛刻度,以最佳填充量比较,炭黑的结构性对磨损率的影响极小。此时,随炭黑用量的增大,磨损率出现最小值,并且随苛刻度的提高,对应最小磨损率的炭黑用量是增大的。通常认为比表面积是炭黑最重要的性能,但比表面积对胎面磨损的影响目前尚无定论。Wilder等用子午线轮胎和斜交轮胎进行炭黑比表面积影响的研究,认为在高、低苛刻度下,炭黑比表面积越大,胎面耐磨损性能改善越多。但是,Veith和Chirico却发现,炭黑比表面积的影响相对较小。一般来讲,狭窄的聚集体粒径分布和较高的表面活性可改善胎面的耐磨损性能,而采用低表面活性炭黑的胶料由于其模量低将导致高磨损率。补强剂用量大并非一定具有正效应,因为随着强度的增大,模量增大,而模量的增大可能抵消补强强度,最终使轮胎磨损有正增长。因此,炭黑用量应适当。另外,除了橡胶模量外,炭黑填充量还影响轮胎的其它性能,如填充量越大,生热越高、滚动阻力越大,因此就最佳使用性能而言,高结构性炭黑低用量是合适的。总之,在关于炭黑对胎面磨损影响的认识中,仍有许多空白有待填补。(7)抗氧剂对nr和sbr磨粒磨损的影响胎面胶的疲劳和降解特性对胎面磨损性能的评估极为重要。研究表明,在产生磨粒磨损时,机械化学降解(MC