輪胎的摩擦和滾動阻力

那洪東　編譯（炭黑工業(yè)研究設(shè)計院 四川 自貢 643000）

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輪胎的摩擦和滾動阻力

那洪東編譯
（炭黑工業(yè)研究設(shè)計院 四川 自貢 643000）

文章從理論上分析了輪胎的摩擦和滾動阻力這一對相互矛盾的技術(shù)性能。從機(jī)理方面解釋了輪胎產(chǎn)生滾動阻力的原因。經(jīng)過一系列實驗得出，采用配合白炭黑的胎面膠料可以兼顧輪胎的摩擦力和滾動阻力這二項相互對立的性能。

輪胎；摩擦；滾動阻力；異戊二烯橡膠（IR）；炭黑；白炭黑

0　前　言

2014年該文作者參加了在中國召開的IRC2014（Beijing）會議，會上發(fā)表了大量關(guān)于環(huán)境問題方面的報告，令人感到驚訝。而日本橡膠協(xié)會雜志的“摩擦學(xué)”專集上，卻忽略了環(huán)境問題，實在令人匪夷所思。在輪胎技術(shù)的開發(fā)過程中，如何制備摩擦力比較高的橡膠，是幾大研究課題之一。然而，隨著摩擦力的提高，輪胎的滾動阻力則有增大的趨勢。輪胎是圓環(huán)形的，看起來它滾動平穩(wěn)，但實際上并非如此。如果用手推動輪胎滾動，不久它就會停止，這是因為產(chǎn)生了阻礙滾動的抵抗力，這就是滾動阻力。即，由于輪胎滾動阻力的緣故，汽車要更多地消耗燃油。如果能降低輪胎的滾動阻力，則可減少燃油的消耗量，這對于防止石油資源枯竭，其作用非同小可，與削減汽油燃燒所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體（GHG：Greenhouse Gas）的排放量也緊密相連。在輪胎的使用期限內(nèi)，GHG排出量的85%以上源于輪胎的滾動阻力，所以在輪胎技術(shù)開發(fā)過程中，減低輪胎的滾動阻力是最最重要的環(huán)境對策。

文中將論述輪胎產(chǎn)生滾動阻力的機(jī)理，然后介紹既減低了滾動阻力，又提高了摩擦力的兩全其美的方法。

1　輪胎產(chǎn)生滾動阻力的機(jī)理

輪胎產(chǎn)生滾動阻力的主要原因有以下三種：

（1）伴隨著變形，輪胎構(gòu)成部件的能量有所損耗；

（2）輪胎與路面之間的摩擦產(chǎn)生了阻力；

（3）輪胎的空氣阻力。

雖然，輪胎外形呈圓筒狀，但是，正如圖1所示的那樣，它和路面接觸的部分會產(chǎn)生平坦的變形。為使那平坦的部分也滾動起來，則需要消耗相應(yīng)的能量。但是，輪胎具有彈性復(fù)原力，它會產(chǎn)生從平坦?fàn)顟B(tài)恢復(fù)到原來圓筒狀態(tài)所需要的力。如果該復(fù)原力大，則滾動阻力就小，反之，如果沒有彈性復(fù)原力，而能量卻有所損耗，則滾動阻力會變大。這種能量損耗與輪胎構(gòu)成部件的滯后損失有關(guān)。起因于伴隨著變形所產(chǎn)生的輪胎構(gòu)成部件能量損耗的這種阻力，占據(jù)了輪胎全部滾動阻力的90%左右。

（1）輪胎變形

（2）接觸地面摩擦

（3）空氣阻力

圖1　輪胎滾動阻力圖解模型

要減少伴隨著變形所產(chǎn)生的輪胎構(gòu)成部件的能量損耗，辦法有多種，如可以減少輪胎接觸地面時所產(chǎn)生的變形量；減小變形部件的體積；以及采用能量損耗小的原材料等等。例如，提高輪胎的充氣壓力，可減小輪胎的變形量，降低滾動阻力。又如，若減薄輪胎的胎面，則橡膠變形的體積可縮小，由此也可以減低滾動阻力。但是，如果提高了充氣壓力，輪胎對路面的沖擊吸收力降低，導(dǎo)致乘坐舒適性下降。如果減薄胎面，則刻在胎面上的花紋溝的深度必須減小，這樣便會對磨耗壽命產(chǎn)生影響。為此，人們努力開發(fā)能量損耗小的材料，特別是致力于橡膠材料的開發(fā)。有報告說，這種能量損耗和橡膠的損耗角正切值tan δ有關(guān)。輪胎的變形速度和輪胎的滾動頻率其程度等同。例如，周長2 m的輪胎在以80km/h的速度滾動時，其滾動頻率約為11 Hz。更嚴(yán)格地講，這種變形的波形可認(rèn)為是僅僅在輪胎接觸地面的瞬間所產(chǎn)生的脈沖波。因此，近年來有人提出了一種測定方法，即給橡膠試片施加脈沖波變形，測定其響應(yīng)情況。還有報告認(rèn)為，與以往采用正弦波的測定相比，前者和實際的輪胎滾動阻力的相關(guān)性更高。

2　橡膠的摩擦機(jī)理

輪胎在瀝青或混凝土路面上滾動，路面上有無數(shù)個突起部存在。由于橡膠遠(yuǎn)比這些突起部柔軟，所以橡膠胎面壓在路面上時，將會產(chǎn)生把突起部包裹起來那樣的變形。在這種狀態(tài)下為了使輪胎仍然可以滑動，需要有一種退出前行方向上突起部的力。如果橡膠是完全的彈性體，那末輪胎在通過突起部時，由于會快速地恢復(fù)彈性，將突起部壓向后方，這樣就不會產(chǎn)生退出突起部的阻力。然而，橡膠是黏彈性體，彈性不能迅速地恢復(fù)，而且還會損失能量，產(chǎn)生一種阻力，通常把這種現(xiàn)象稱作摩擦滯后。因路面突起部的緣故，胎面橡膠會產(chǎn)生周期性的變形，因而能量會有所損失，這可以用黏彈性理論加以計算。

圖2　橡膠變形模型圖

例如，按照Moore5理論進(jìn)行計算，如圖2所示的那樣，把橡膠變形假定為Voigt模型，讓等間距并列的圓柱體在橡膠上滾動，此時的摩擦滯后項FH可用公式（1）表示：

式中：c為常數(shù)；δ0為變形振幅；E'為貯存彈性模量。再者，把Hertz的接觸理論用于式（1）變形振幅δ0，則可如下表示：

式中：k為常數(shù)。根據(jù)（1）式或者（2）式可知，摩擦滯后項伴隨著橡膠tan δ的增大而增大。輪胎在路面上滾動時，由于路面突起部的作用，橡膠產(chǎn)生變形的頻率為103～106Hz。因此，為了提高摩擦滯后項，最好是增加103～106Hz的tan δ。由于影響滾動阻力的因素是10 Hz附近的tan δ，所以，在保持10 Hz附近的tan δ的同時，如果再增加103～106Hz的tan δ，則在某種程度上可以兼顧滾動阻力和摩擦力這二項。

在橡膠摩擦過程中，除了摩擦滯后項以外，黏附項也在起作用。摩擦的黏附項乃是起因于摩擦固體之間實際接觸部位上產(chǎn)生了黏附力后形成的摩擦力。按照Bowden和Tabor所倡導(dǎo)的黏附理論，在摩擦面之間相互產(chǎn)生滑動時，要切斷因固體之間實際接觸所產(chǎn)生的黏附部分，這個剪切力FA就是摩擦力。因此，摩擦黏附項FA可用式（3）表示，該式采用實際接觸面積A和弱方材料的屈服應(yīng)力S表達(dá)：

在潮濕的路面上，摩擦黏附項的作用大大降低。汽車上的ABS可以適當(dāng)?shù)乜刂戚喬ズ吐访嬷g滑移的速度，所以某種程度的黏附項的作用還是要考慮的。根據(jù)以往的資料報道，配合白炭黑的膠料，其摩擦黏附項要比配合炭黑的膠料的大，顯示出有較高的摩擦力。這一點在濕滑路面上的摩擦當(dāng)中，特別在滑移速度較低的范圍內(nèi)尤其可以觀察到。將配合了白炭黑或者炭黑的丁苯橡膠（SBR）膠料和由#250不銹鋼絲編織成的金屬絲網(wǎng)發(fā)生摩擦，其摩擦黏附項和滑移速度的相關(guān)性示于圖3。從被測定的摩擦力中減去由（2）式算出的摩擦滯后項，將得到的差作為摩擦黏附項。

圖3　上部：取決于頻率或滑移速度的在干燥路面上的摩擦黏附項FAdry； 下部：在濕滑路面上的摩擦黏附項

圖3上部為在干燥路面上的測定結(jié)果；下部是動黏度為1 mm2/s的硅油將金屬絲網(wǎng)濕潤后測定的結(jié)果。無論干燥路面還是潮濕路面其摩擦對象都是SBR，配合了白炭黑的SBR的摩擦黏附項比配合炭黑的SBR的高。另外，在干燥路面和潮濕路面上的摩擦黏附項與滑移速度的相關(guān)性各有不同。在潮濕路面上摩擦?xí)r，一旦滑移速度增大，配合了白炭黑的SBR的優(yōu)越性將會降低，就是說，即使在潮濕路面上也可以觀察到摩擦黏附項，而一旦滑移速度提高，它的作用將會減弱。

一般來說，配合了白炭黑的橡膠，在10 Hz附近的tan δ比配合炭黑的橡膠的小。圖4中列示了配合炭黑的SBR和配合白炭黑的SBR二者的tan δ與頻率的相關(guān)性。因此，既可以提高配合了白炭黑的橡膠的摩擦力，又可以減低其滾動阻力?，F(xiàn)在多數(shù)低燃料消耗輪胎都采用配合了白炭黑的胎面橡膠。

圖4　配合炭黑和白炭黑的SBR的頻率與tan δ相關(guān)性之對比

3　炭黑膠料和白炭黑膠料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

炭黑膠料和白炭黑膠料的特性不同，可認(rèn)為是與炭黑或者白炭黑在橡膠中的分布狀況不同有關(guān)。可分別使用小角X射線散射法（SAXS），超級小角 X射線散射法（USAXS）和超級小角中子散射法（USANS）分別測定橡膠中炭黑以及白炭黑的分散狀態(tài)。

3.1SAXS，USAXS，USANS測定方法

把SAXS，USAXS，USANS三種測定方法組合起來，可以在波數(shù)q的范圍內(nèi)獲得從0.0003 到1.5 nm-1，即4 nm～20 μm這樣非常寬域范圍尺度的散射，獲得從炭黑或者白炭黑的表面狀態(tài)到凝聚結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息。這里，波數(shù)q可用X射線的波長λ，散射角θ之間的關(guān)系式（4）表示：

使用麥克科學(xué)（マツクサィェス）公司制造的M18XHE-SRA（對陰極：Cu）作為SAXS，USAXS的X射線發(fā)生裝置，而USANS測定在日本原子能研究所的PNO內(nèi)實施。采用USAXS，USANS進(jìn)行測定，使用的是Bonse-Hart照相機(jī)。在使用Bonse-Hart照相機(jī)時，首先把X射線射入鍺和硅等完全單結(jié)晶體中，通過結(jié)晶面之間X射線多次反射，將具有高單色性和平行性的X射線作為線束，將該線束射入試樣。進(jìn)而，在試樣中將散射的X射線再次射入分析儀器的單結(jié)晶體，僅檢出能嚴(yán)格滿足結(jié)晶面內(nèi)散射條件的散射X射線。一方面依次旋轉(zhuǎn)該分析儀器的單結(jié)晶體，另一方面建立散射X射線光譜并觀測之。這樣，可以檢測出直接射線近旁的微小角散射X射線或者中子線。用SAXS進(jìn)行測定，使用了石墨單色儀。此外，還使用了從試樣到檢出器的距離為2.0 m的照相機(jī)。散射曲線修正了因空氣彌漫、吸收以及微細(xì)縫隙的寬度所產(chǎn)生的影響。

橡膠試樣系采用兩種IR配合膠料：在（1）異戊橡膠（IR）中配合了20體積份的N339炭黑（一次結(jié)構(gòu)粒子半徑為13 nm），用過氧化物交聯(lián)；（2）在同樣的IR中配合20體積份的白炭黑（Nipsil AQ，東昭白炭黑公司制造，一次結(jié)構(gòu)粒子半徑為8 nm），也用過氧化物交聯(lián)。在配合了白炭黑的IR膠料中，還添加了硅烷偶聯(lián)劑雙-（3-三乙氧基硅烷基丙基）四硫化物，配合量為白炭黑配合量的8%（質(zhì)量）。

3.2SAXS，USAXS，USANS的散射曲線

圖5（a）和（b），是SAXS，USAXS，USANS測定結(jié)果的組合圖。二個橡膠試樣的透射型電子顯微鏡（TEM）照片如圖6（a），（b）所示。在IR炭黑膠料中比q=0.2 nm-1更為廣角的一側(cè)，可以觀察到反映炭黑表面凹凸不平結(jié)構(gòu)的直線區(qū)域，它的斜率為-3.4，故可以確認(rèn)在炭黑表面上存在著表面分維因次為2.6的凹凸結(jié)構(gòu)。在直線區(qū)域的小角一側(cè)，雖然可以看到起因于炭黑形狀的峰肩［圖5（a）中的箭頭a］，但是，這個峰肩的位置處于比炭黑的一次結(jié)構(gòu)粒子同樣分布時的散射曲線小角還要小的一側(cè)。在圖6的TEM照片中，由于炭黑粒子相互連在一起，所以這個峰肩部反映了多個一次性結(jié)構(gòu)粒子聚集在一起的聚集體存在。在這個小角一側(cè)，可以看到斜率為-2.3的直線區(qū)域，所以炭黑粒子的聚集體成為一種基本單位，形成分維性結(jié)構(gòu)，它的大分維因次為-2.3。在圖5（a）中，由于看不到這個大分維因次的上限，所以二次聚集體要比該試驗的觀察范圍大，就是說，其尺度在20 μm以上。將炭黑聚集體的形狀假定為旋轉(zhuǎn)的橢圓體，根據(jù)大分維的指數(shù)法則和表示基本單位形狀因子F（q）的公式（5）和（6）可知，它們是相互配合的，這一點和實測的散射曲線十分吻合。

圖5　USANS和USAXS組合曲線以及SAXS曲線：（a）IR炭黑膠料；（b）IR白炭黑膠料。

圖6　電子顯微鏡透射圖：（a）IR炭黑膠料；（b）IR白炭黑膠料

式中：A，B為常數(shù)；Rg為炭黑聚集體的旋轉(zhuǎn)半徑；Dm為大分維因次；Rd為旋轉(zhuǎn)橢圓體短軸的長度；wRd為長軸的長度；Φ（U）以及U按下式表示：

式中：β為由基準(zhǔn)軸和旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的角度。這個旋轉(zhuǎn)橢圓體的體積相當(dāng)于37個炭黑一次性結(jié)構(gòu)粒子，長軸是短軸的4倍。

另一方面，就IR白炭黑膠料而言，在q=0.5nm-1附近（圖5中箭頭b）可以看到來源于白炭黑基本粒子的波峰，在該波峰的廣角一側(cè)可觀察到斜率約為-4的直線區(qū)域，這個直線區(qū)域可認(rèn)為來自于白炭黑的表面狀態(tài)。由于斜率為-4，這就表明白炭黑粒子是表面基本平滑的球形體。另外，在q值為0.04～0.20 nm-1的范圍內(nèi)，可觀察到斜率為-2.2的直線區(qū)域，這表示白炭黑粒子的聚集體形成了分維性的自身相似的結(jié)構(gòu)。然而，由于這個分維領(lǐng)域的q在0.01的邊上存在著上限，所以可認(rèn)為白炭黑的二次凝聚體只有數(shù)百納米（nm）大小。再者，在小角一側(cè)也可觀察到斜率為-4的直線?？梢酝茢?，在白炭黑和IR基體之間存在著具有明顯分界面的較大型的結(jié)構(gòu)?？傊谂浜狭税滋亢诘哪z料中，沒有如炭黑那樣的大聚集體的發(fā)達(dá)結(jié)構(gòu)，而是數(shù)百納米（nm）大小的凝聚體分布結(jié)構(gòu)。

3.3炭黑膠料和白炭黑膠料內(nèi)部結(jié)構(gòu)之模型

依據(jù)上述散射曲線可認(rèn)為，添加在IR中的炭黑粒子聚集體是可旋轉(zhuǎn)的橢圓體形狀，以此作為基本單位，形成了至少在20 μm以上大小的分維構(gòu)造。也有報告稱，炭黑形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由此，可認(rèn)為在橡膠中炭黑形成了如圖7（a）所示的結(jié)構(gòu)。另一方面，在IR白炭黑膠料中，白炭黑粒子也是形成了凝聚體，該凝聚體同樣形成了分維性結(jié)構(gòu)，但是，該分維性結(jié)構(gòu)的體積可達(dá)數(shù)百個納米（nm）大小，因此可認(rèn)為IR白炭黑膠料的結(jié)構(gòu)正如圖7（b）所示。將類似于圖7（a）和（b）的結(jié)構(gòu)模型化，用有限元法計算出微小變形時的定伸應(yīng)力，白炭黑膠料模型的定伸應(yīng)力較低。可以確認(rèn)，由于填充劑在橡膠中的分散狀況不同，白炭黑膠料容易追隨變形，特別是由于胎面接觸地面的面積增大，其摩擦黏附項也增大。另外，據(jù)此還可以推斷，由于變形過程中白炭黑凝聚體相互之間難以產(chǎn)生摩擦，所以滯后損失也就降低了。

圖7　分散結(jié)構(gòu)圖解模型（a）炭黑膠料；（b）白炭黑膠料

4　結(jié)束語

在今后的輪胎技術(shù)開發(fā)過程中，將會要求進(jìn)一步降低滾動阻力。另一方面，仍然要求保持或者提高摩擦力。解決這個問題的辦法之一是采用白炭黑膠料。從迄今為止的研究結(jié)果可知，由于白炭黑在膠料中的分散狀況和炭黑不同，因此，可以兼顧降低滯后損失和提高摩擦力這二個方面。

摩擦學(xué)中，在了解接觸狀態(tài)、表面及界面狀態(tài)的同時，還需和摩擦力進(jìn)行全面的對比，如果采用如橡膠那樣在摩擦中會產(chǎn)生較大變形的材料時，對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究和分析亦十分重要。

［1］納網(wǎng)野直也.タィャの摩擦と転ガク抵抗［J］.日本ゴム協(xié)會誌，2015（2）:37-42.

［責(zé)任編輯：張啟躍］

2015-12-14