車輛輪胎冰雪路面摩擦特性與橡膠材料物理 力學性能的相關性研究*

王 強 齊曉杰 王云龍 楊 兆 王國田 呂德剛

(黑龍江工程學院汽車與交通工程學院 哈爾濱 150050)

0 引 言

一般情況下，兩個剛性物體之間的摩擦系數是個定值，僅與兩個接觸表面之間的粗糙度等情況有關，而與垂直壓力、接觸面積、滑動速率，以及外界溫度的大小無關.然而，車輛輪胎橡膠與路面之間的摩擦是一種非常復雜的現(xiàn)象，接觸面橡膠在載荷作用下發(fā)生了彈性變形，其摩擦系數是個變量，隨材料性質、垂直壓力、接觸面積、滑動速率、外界溫度及接觸表面粗糙度等的變化而變化，多年來，眾多學者對車輛輪胎與不同路面的摩擦特性做了大量的研究工作.我國受冰雪影響的地區(qū)約占全國國土面積的1/2，尤其是東北、西北地區(qū).在漫長的冬季，冰雪路面的附著系數很低，很容易出現(xiàn)車輛打滑和車輛失控的情況，致使車速減慢、交通阻斷，嚴重時導致交通事故頻繁發(fā)生，特別是交叉路口、上下坡及彎道區(qū)域，冰雪路面對交通的影響更加明顯.據統(tǒng)計，冰雪路況引起的交通事故數量較正常情況下一般高出3～4倍[1].車輛在冰雪路面上行駛，尤其是上坡、起步時，因車輛輪胎與路面的摩擦系數減小、附著力大大降低，車輛驅動輪很容易打滑或空轉；當遇情況緊急制動時，制動距離會大大延長，高于一般干燥路面的4倍以上；當在冰雪路面上轉彎時，很容易造成側滑及方向跑偏現(xiàn)象.為有效提高冬季冰雪路面車輛的起動性、制動性和抗側滑能力，冬季輪胎的抗?jié)窕捅?、雪滑性能尤為重要[2-3].車輛輪胎與冰雪路面相互摩擦問題是一個典型的三重非線性問題，研究表明，冰雪路面是彈塑性材料，表現(xiàn)為材料非線性；冰雪路面和車輛輪胎由于變形較大，表現(xiàn)為幾何非線性；車輛輪胎和冰雪路面界面的接觸摩擦作用表現(xiàn)為邊界非線性[4].冬季輪胎橡膠與冰雪路面摩擦與磨耗機理的研究始終進展比較緩慢，目前還不能用理論模型對其進行完整而精確的預測[5-7].近年來，有關冰雪路面車輛輪胎橡膠的摩擦特性及抗滑機理研究已經成為中、日、美和西歐等國輪胎學和車輛控制學領域的研究熱點，并提出了一些相關理論和設計方法，但依然缺乏基礎性研究[8-9].為此，本文針對提高冰雪路面車輛輪胎胎面的抗滑問題，通過車輛輪胎胎面的配方設計、制備工藝設計、物理力學性能測試、摩擦系數測試、冰雪路面抗滑實車測試等，探索車輛輪胎冰雪路面摩擦特性與橡膠材料物理機械性能的相互影響規(guī)律，為揭示冰雪路面的輪胎摩擦機理及提高車輛冰雪路面的抗滑性能提供重要的理論指導.

1 試驗部分

1.1 車輛輪胎胎面配方設計

采用全天候車輛輪胎胎面主要配方，見表1.各配方組成按質量份計算，天然橡膠、白炭黑、炭黑N330及其他配合劑等均由某汽車輪胎翻新有限公司提供.

表1 車輛輪胎胎面主要配方

1.2 車輛輪胎胎面試樣制備

車輛輪胎胎面試樣制備工藝流程見圖1.先將天然橡膠(SMR20)和高順式順丁橡膠在6寸開煉機混合均勻并塑煉 20 min左右后停放10 min，輥筒溫度設置為50 ℃，轉子轉速設置為45 r/min.采用兩段混煉工藝，首先在6寸開煉機上進行一次混煉，先加入充油丁苯橡膠混煉10 min后，依次加入炭黑和防老劑，輥筒溫度設置為60 ℃，轉子轉速設置為50 r/min，再繼續(xù)混煉20 min.一次混煉后，在6寸開煉機上進行二次混煉，依次加入其他配合劑，輥筒溫度設置為65 ℃，轉子轉速設置為50 r/min，再繼續(xù)混煉20 min.當二次混煉膠溫度降至約40 ℃，壓延成6～8 mm厚薄片，然后下片在25 t電熱平板硫化機上硫化，硫化壓力為5 MPa，分五種情況控制硫化溫度和硫化時間，分別為：①130 ℃，20 min；②140 ℃，20 min；③145 ℃，20 min；④150 ℃，20 min；⑤160 ℃，20 min，然后利用沖片機沖切成待測試樣，試樣分別編號為1#、2#、3#、4#、5#試樣.制備試樣過程中所用到的開煉機、硫化機、沖片機均由江蘇某有限公司生產.

圖1 試樣制備工藝流程

1.3 性能測試

2 試驗結果與分析

不同硫化溫度和硫化時間下(對應5種試樣)獲得的車輛輪胎胎面物理機械性能見表2.五種試樣的抗拉強度、撕裂強度、100%定伸應力、300%定伸應力、扯斷伸長率、耐磨指數、邵爾硬度、耐疲勞次數、耐沖擊回彈性與壓實冰面摩擦系數、壓實雪面摩擦系數的對比曲線分別見圖3.由表 2 和圖3可知，五種試樣的壓實冰面摩擦系數為0.12～0.23，壓實雪面摩擦系數為0.22～0.29，隨著胎面的抗拉強度、撕裂強度、扯斷伸長率、耐磨指數、回彈性的增大，其壓實冰面摩擦系數和壓實雪面摩擦系數均增大，基本呈線性正比關系；隨著100%定伸應力、300%定伸應力、邵爾硬度的減小，其壓實冰面摩擦系數和壓實雪面摩擦系數均增大，基本成線性反比關系；五種試樣的耐疲勞次數變化不大，其與壓實冰面摩擦系數和壓實雪面摩擦系數關系不是很大.綜合試驗各項物理機械性能結果分析可知，不同硫化溫度對胎面橡膠的抗拉強度等物理力學性能及冰雪路面摩

擦特性有一定的影響.

表2 不同硫化溫度下的車輛輪胎胎面物理機械性能

圖3 不同因素與摩擦系數關系曲線

3 車輛輪胎冰雪路面抗滑性實車測試

3.1 試驗設備和過程

某手動檔轎車，某牌輪胎(型號為195/60R15 88 V)，便攜式制動性能測試儀(型號為MBK-01(Ⅲ)型)、流動式換胎車、溫度計等.

將4條輪胎原胎面花紋在打磨掉，利用冷翻工藝將試驗所用的5組胎面粘貼在打磨后的胎體上，胎壓為2.5 MPa.試驗環(huán)境溫度為-20 ℃，壓實冰面自行澆注，冰面長度大于1 500 m，壓實路面長度大于2 000 m，試驗車輛分成滿載(搭乘4人)和空載(僅有駕駛員1人)兩種情況，車速分別設定為30，40，50 km/h，分別測定五種胎面輪胎的在壓實冰面和壓實雪面工況下的制動距離.

試驗測試過程中，便攜式制動性能測試儀安裝在副駕駛位置，每種工況試驗次數為三次取平均值.

3.2 試驗結果及分析

圖4～5為壓實冰面、雪面車速與滿載、空載制動距離關系見圖4～5.

圖4 壓實冰面車速與滿載、空載制動距離關系

圖5 壓實雪面車速與滿載、空載制動距離關系

由圖4～5可知，隨著車速的增加，5種試樣輪胎的滿載制動距離和空載制動距離均增大，其中車速從40 km/h增加至50 km/h較從30 km/h增加至40 km/h滿載制動距離和空載制動距離增加幅度大；相同車速條件下，無論是壓實冰面還是壓實雪面空載制動距離均大于滿載制動距離，但是1#～3#試樣輪胎與4#～5#試樣輪胎有所區(qū)別，4#～5#試樣輪胎的空載制動距離十分接近滿載制動距離.分析其原因可能為：4#～5#試樣輪胎胎面硬度較軟，在垂直載荷作用下，硬度較軟的胎面橡膠已與接觸面之間達到完全接觸，當超過這個點時，繼續(xù)增大的垂直載荷并沒有增加兩種材料之間的相互作用程度，因此摩擦力不再增加，導致滿載制動距離和空載制動距離十分接近；對于硬度比較大的胎面橡膠，硬胎面橡膠與接觸表面沒有完全接觸，增加垂直載荷導致真實接觸面積增大，因而將會產生較大的摩擦力.相同車速條件下，壓實冰面和壓實雪面兩種工況，5種試樣輪胎滿載制動距離和空載制動距離的大小關系均為1#試樣輪胎>2#試樣輪胎>3#試樣輪胎>4#試樣輪胎>5#試樣輪胎，這與靜摩擦系數1#試樣輪胎<2#試樣輪胎<3#試樣輪胎<4#試樣輪胎<5#試樣輪胎的關系相吻合，說明其抗滑性能關系為1#試樣輪胎<2#試樣輪胎<3#試樣輪胎<4#試樣輪胎<5#試樣輪胎.

4 結 論

1) 車輛輪胎冰雪路面摩擦特性與橡膠材料物理機械性能具有一定的相關性.

2) 車輛輪胎胎面橡膠的抗拉強度、撕裂強度、扯斷伸長率、耐磨指數、回彈性等與壓實冰面摩擦系數和壓實雪面摩擦系數呈線性正比關系；100%定伸應力、300%定伸應力、邵爾硬度與壓實冰面摩擦系數和壓實雪面摩擦系數成線性反比關系.

3) 通過測試驗證了車輛輪胎壓實冰面及壓實雪面的摩擦特性與垂直載荷、車速、胎面硬度、靜摩擦系數、外界環(huán)境溫度等均有一定的關聯(lián)性，后續(xù)將進一步做深入的研究.