影響輪胎濕地抓著性能的因素分析

劉 琪，滿忠雷，劉曉民，張成祥，李廷希

（1.青島致鑒檢驗有限公司；2.山東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心，山東 青島 266555；3.山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

影響輪胎濕地抓著性能的因素分析

劉 琪1，滿忠雷2，劉曉民2，張成祥3，李廷希3

（1.青島致鑒檢驗有限公司；2.山東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心，山東 青島 266555；3.山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

自歐盟輪胎標(biāo)簽法規(guī)頒布以來，增強(qiáng)輪胎的濕地抓著性能的同時不增加滾動阻力已成為輪胎設(shè)計的首要研究方向，特別引起出口歐盟輪胎企業(yè)的高度重視。本文著重從輪胎生產(chǎn)配方方面、輪胎胎面花紋方面以及濕滑道路等方面來分析影響輪胎濕地抓著性能的因素。

輪胎；濕地抓著性能；影響因素

0 引言

在汽車行駛過程中輪胎直接與路面接觸，輪胎的制動性能在很大程度上決定了車輛的安全性能，因此良好的輪胎性能是行駛安全性與可操控性的保證。新的歐盟法對乘用車胎替換輪胎的三大基本性能：滾動阻力、抗?jié)窕驮肼曁岢隽烁痈叩臉?biāo)準(zhǔn)。自其頒布以來，越來越多的地區(qū)和國家對汽車輪胎的性能指標(biāo)提出了更高的要求?？?jié)窕允侵篙喬ピ跐衤访嫔系淖ブ阅?，濕摩擦力越大，抗?jié)窕阅茉胶?，它是衡量輪胎行駛的安全性、尤其是在雨天行駛安全性的重要指?biāo)［1］。所以增強(qiáng)輪胎的濕地抓著性能的同時不增加滾動阻力已成為輪胎設(shè)計的首要研究方向，特別引起出口輪胎到歐盟的企業(yè)的高度重視。

汽車高速行駛在潮濕路面時，路面覆蓋的水膜會產(chǎn)生滑水壓力，滑水壓力使輪胎與路面的接觸力降低，從而使輪胎的牽引效率和輪胎與路面的附著系數(shù)下降。圖1所示為輪胎發(fā)生部分滑水的三區(qū)域狀態(tài)。區(qū)域Α為水膜區(qū)，在這個區(qū)域輪胎下的水膜產(chǎn)生的流體動壓力足以把胎面舉起，從而使得胎面與地面完全脫離；區(qū)域B為過度區(qū)，積水快速流動，輪胎與路面間存在薄膜水層，由于水的黏性作用而使輪胎與地面不完全接觸；C區(qū)為牽引區(qū)，不存在水膜，輪胎完全與地面接觸。這三個區(qū)域的比例是動態(tài)變化的，基本趨勢是隨著汽車行駛速度的提高，水膜與輪胎產(chǎn)生的動態(tài)水壓抬升輪胎，Α區(qū)和B區(qū)沿著和運(yùn)行相反的方向擴(kuò)大，C區(qū)變得越來越小。當(dāng)接觸區(qū)減少到零時，輪胎發(fā)生完全水滑現(xiàn)象。此時的行駛速度相即為輪胎的臨界水滑速度［2］。由輪胎的出現(xiàn)滑水現(xiàn)象的機(jī)理可知，輪胎胎面的配方設(shè)計、輪胎胎面花紋、路面粗糙度等因素對輪胎的抗?jié)窕芰兄匾绊憽?/p>

1 橡膠配方設(shè)計對輪胎濕地抓著性能的影響

1.1 橡膠基體本身對輪胎濕地抓著性能的影響

橡膠配方設(shè)計是決定輪胎的抗?jié)窕阅艿囊粋€關(guān)鍵因素。橡膠基體本身的粘性模量和抗?jié)窕灾g有很密切的相關(guān)性，對輪胎的濕抓著性和滾動阻力起著重要的作用。通常橡膠膠料的玻璃化溫度（Tg）越高，其濕抓著性越好，但同時其滾動阻力也越大。大量研究表明，通過在傳統(tǒng)橡膠中并用少量極性橡膠，如丁腈橡膠、氯丁橡膠等，可改善膠料的濕抓著性并保持較低的滾動阻力；Grosch等人通過研究幾種純橡膠的濕摩擦系數(shù)隨著溫度速度的變化，在常溫下和滾動速度一定時，胎面膠的抗?jié)窕源笮轫樁∧z＜天然橡膠＜丁苯膠［3］。丁苯膠的力學(xué)性能略差，但其具有較低的生熱和較好的濕抓著性。順丁膠的耐磨性能最好，因此商業(yè)化的乘用車高性能輪胎胎面采用順丁膠與丁苯膠按配方混合使用，提高了輪胎抗?jié)窕阅艿耐瑫r，耐磨性能也沒有明顯的降低。丁苯膠分為乳聚丁苯膠（E-SBR）和溶聚丁苯膠（S-SBR）。S-SBR作為一種新型膠具有不含凝膠、線性度高、純凈、非橡膠成份少以及相對分子質(zhì)量分布窄等特點(diǎn)，它的生熱和滾動阻力性能都優(yōu)于E-SBR。牟守勇［4］等人通過測得S-SBR和E-SBR隨溫度的變化曲線顯示S-SBR的tanδ（動態(tài)滯后損失）在0°C時比E-SBR的高，而60°C時tanδ比E-SBR低。在0℃左右，tanδ值較高可使輪胎具有較高抗?jié)窕裕辉?0℃左右，tanδ值較低的胎面膠料可使輪胎具有較低滾動阻力，所以更多的使用溶聚丁苯代替乳聚丁苯去提高輪胎的抗?jié)窕阅堋?/p>

1.2 填料種類對抗?jié)窕阅艿挠绊?/p>

研究發(fā)現(xiàn)，胎面膠料的動態(tài)特性和輪胎在微觀尺度上的彈性流體動力潤滑性能共同影響輪胎在路面上的抗?jié)窕?。填料不僅是為了降低膠料成本和提高拉伸強(qiáng)度意義上的“填充劑”，填料實際對上對輪胎性能起到了決定性的作用［5］。炭黑是一種無定形碳，是由烴類化合物液態(tài)或氣態(tài)經(jīng)不完全燃燒或熱裂解制成，在橡膠工業(yè)作為重要的填充補(bǔ)強(qiáng)劑。王夢蛟首次研究了白炭黑補(bǔ)強(qiáng)膠料抗?jié)窕阅鼙忍亢趦?yōu)越的原因。他認(rèn)為由于白炭黑填料表面含有大量的極性基團(tuán)，白炭黑填料粒子之間有較強(qiáng)烈的相互作用，因此在濕條件下，水能夠穿過橡膠吸附到白炭黑粒子的表面上。在輪胎發(fā)生部分滑水的過程中，橡膠填料在不同的滑水區(qū)域中對抗?jié)窕阅艿挠绊懸彩遣煌摹Ｔ讦^(qū)胎面中的填料在是通過影響水膜厚度起作用的［6］。由于白炭黑產(chǎn)生比較薄的水膜，輪胎覆蓋到路面所須時間相對較短，因此在Α區(qū)白炭黑的抗?jié)窕阅軆?yōu)于炭黑。在流體動力學(xué)潤滑條件下，添加白炭黑填料的胎面膠比炭黑胎面膠的摩擦力大很多，由此可以斷定白炭黑膠料在B區(qū)的摩擦系數(shù)較高。所以要在不同區(qū)域狀態(tài)下對填料在胎面中的抗?jié)窕杂绊懸獑为?dú)考慮。據(jù)此，過渡區(qū)為主的條件下，白炭黑胎面膠可得到較好的抗?jié)窕阅?。在牽引區(qū)為主的條件下，炭黑胎面膠對抗?jié)窕愿欣?。橡膠的填料除了炭黑以外，還有粘土、淀粉等。梁桂花等人研究發(fā)現(xiàn)采用乳液共沉法制備的淀粉部分取代炭黑的淀粉炭黑復(fù)合材料，引入淀粉可以降低材料的滾動阻力并提高抗?jié)窕阅?。但是由于淀粉具有較大的粒徑，降低了復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力和耐磨性，影響了實際的應(yīng)用［7］。

2 胎面花紋對輪胎濕附著性能的影響

輪胎外部的橡膠層定義為胎面，它由基部橡膠薄層和頂部橡膠單元即胎面花紋塊（條）組成，胎面花紋輪是實現(xiàn)輪胎和路面相互作用的媒介。在有積水的路面上，胎面花紋是決定輪胎摩擦力大小的重要因素，因為花紋溝槽既是排水的通道和也是臨時貯水的空間，同時其邊緣還能夠?qū)⒙访嫠で袛?。?dāng)車輛行駛在水濕路面上時，胎面花紋將在水膜區(qū)的水從花紋溝導(dǎo)出，過渡區(qū)則由花紋邊緣和細(xì)縫線除去水膜，在牽引區(qū)通過花紋與路面的接觸而提高抓著力。雖然胎面花紋看似簡單，但是胎面花紋卻對輪胎的地面的抓力、抗滑水性能和直線行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響［8］。特別是對輪胎抗滑水性能更具有重要影響，在輪胎發(fā)生滑水的現(xiàn)象時，胎面花紋直接決定著輪胎、路面、水膜之間的壓力分布、相互作用特性，以及排水效率。在濕滑路面上，帶有簡單花紋的輪胎速超過50km/h時，胎面與路面的摩擦力發(fā)生明顯下降，100km/h時就會發(fā)生完全滑水。另外花紋發(fā)生磨損的輪胎，發(fā)生滑水現(xiàn)象的臨界速度會更低［9］。張彥輝等人通過數(shù)學(xué)建模的分析方法，研究了楔角和胎面花紋對胎面壓力分布的作用，即楔角是通過改變液膜厚度分布從而影響胎面單元的壓力分布［10］。根據(jù)對光滑胎面單元和帶不同花紋的胎面單元的液體壓力的測試結(jié)果來看，花紋對胎面單元的液體壓力影響較大。相對光滑平面、斜對角花紋、拋物線型花紋，在相同的外部條件下交叉花紋胎面單元在濕附著性能上更有優(yōu)勢；胎面花紋的楔角越大，胎面的濕牽引性越好，并且隨著楔角的增大，交叉花紋相比其它花紋的優(yōu)勢更加明顯。由此結(jié)論可通過如下方式對胎面進(jìn)行優(yōu)化來提高輪胎的濕地牽引性：1）合理安排花紋各溝槽的尺寸，增大胎面花紋的貯水和排水能力；2）改變胎面花紋的圖案，如在粗花紋上刻細(xì)花紋，為水從接觸區(qū)域排出提供更多的通道；3）保證胎面花紋的深度，若太淺將影響其貯水和排水能力。

3 道路條件對輪胎濕附著性能的影響

現(xiàn)代道路對路面的安全、經(jīng)濟(jì)、舒適的功能和使用品質(zhì)都具有較高的標(biāo)準(zhǔn)，而其中最重要的就是路面的安全性能。路面宏觀結(jié)構(gòu)和路面的微觀形貌是影響路面的抗滑特性主要因素。從宏觀角度分析，可以在路面上設(shè)計一些溝槽、坡度來提高排水能力，能明顯的提高路面的抗滑性，從而能降低車輛的滑水風(fēng)險。研究表明，增大路面凹槽的深度和寬度，減小凹槽之間間距可提高水膜流散的速度，降低滑水風(fēng)險，但對車輛行駛品質(zhì)和降噪方面有一點(diǎn)影響。路面的微觀紋理主要由石材、沙料、混凝土、瀝青等本身微觀形狀、顆粒大小及棱角等所構(gòu)成。路面微觀構(gòu)造是路面摩擦力的大小決定性因素，粗糙度越大的微觀形貌，路面的摩擦力越大。在潮濕的路面狀態(tài)下，當(dāng)汽車低速行駛在潮濕路面時，車輪路滾動下的路面積水能夠被微觀構(gòu)造所容納并擠壓，使胎面與路表直接接觸，保證摩擦阻力不會降低；當(dāng)車速較高時，則要依靠路面的宏觀形貌來排除車輪下的路面積水，保障輪胎和路面的接觸面積，避免形成水膜。通過對路面微觀和宏觀形貌的合理設(shè)計，在高速狀態(tài)下時仍然保證微觀構(gòu)造提供的低速抗滑力能發(fā)揮作用。

由于道路上泥土、沙礫等雜質(zhì)的存在，大量的固體顆粒會不可避免存在于水膜中，從而影響了輪胎的滑水性能。水膜中的固體顆粒通過改變液體的粘度、溫度等物理特性，對輪胎與路面接觸區(qū)域胎面單元的受力和變形造成了影響。車輛行駛在濕滑路面上時，胎面下的液膜厚度不斷下降，固體顆粒濃度越大，胎面花紋穿過液膜與地面接觸所需的時間越長，胎面的濕附著性能就越差，從而影響車輛在濕滑路面上的行駛安全性。

4 結(jié)束語

隨著歐盟輪胎標(biāo)簽法規(guī)的實施和為了保障車輛以及行人的安全，提高輪胎的濕附著性能已經(jīng)成為各大輪胎制造廠商急切解決的問題，同時各大標(biāo)準(zhǔn)對輪胎的摩擦力的要求更為苛刻。通過前文的分析：輪胎配方設(shè)計、胎面花紋、路面條件對輪胎濕附著性能有明顯的影響。外載荷對胎面單元的壓力、路面上的水膜厚度和汽車行駛速度也是影響胎面單元濕附著性能的因素。

［1］李文強(qiáng)，韓非，傅劍華.基于歐盟法規(guī)要求的輪胎濕地抓著性能試驗與分析［J］.汽車與配件，2013，15（04）∶44-45.

［2］韓秀枝，何雪濤，楊衛(wèi)民.輪胎水滑特性的研究進(jìn)展［J］.輪胎工業(yè)，2010，30（07）∶337-391.

［3］王元霞.輪胎胎面膠抗?jié)窕阅芗捌錂C(jī)理的研究［D］.北京化工大學(xué)，2011.

［4］牟守勇， 程利，姜萍，張萍.SSBR改善胎面膠動態(tài)力學(xué)性能的研究［J］.特種橡膠制品，2009，3（30）∶37-40.

［5］王夢蛟，王進(jìn)文，黃小溪.填料對輪胎抗?jié)窕阅艿挠绊懀跩］.世界乳膠工業(yè)，2013，40（04）∶7-14.

［6］M.-J.Wang and Y. Kutsovsky， Paper presented at a meeting of Rubber Division， ACS， Paper No. 27， Cleveland，Ohio，Oct.16-18，2007.

［7］梁桂花，吳友平，張立群等.淀粉/炭黑/SBR復(fù)合材料的性能研究［J］.橡膠工業(yè)，2008，55（01）∶5-9.

［8］張彥輝，劉小君，王偉，劉火昆.潮濕路面上胎面花紋對輪胎附著性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（06）∶33-38.

［9］于清溪.輪胎摩擦特性的探討［J］.橡膠技術(shù)與裝備，2012，39（03）∶8-20.

［10］Kumar S S， Kumar A， Fwa T F. Analyzing Effect of Tire Groove Patterns on Hydroplaning Speed［J］. Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies， 2010， 8∶2018-2031.

基金支持：國家質(zhì)檢公益性科研專項《輪胎安全環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)與質(zhì)控體系研究及應(yīng)用》（201410067）

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.202

劉琪（1982-），男，山東青島人，助理工程師，主要從事輪胎檢測方面工作。