實(shí)驗(yàn)室摩擦和磨耗試驗(yàn)?zāi)z輪與路面間靜態(tài)接觸壓強(qiáng)測(cè)試方法的開發(fā)

吳愛芹，李夕鑫，陳文森，劉世杰

（1.思通檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 青島 266045；2.怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045）

輪胎是汽車與地面接觸的唯一部件，其與地面的摩擦力在汽車啟動(dòng)、行駛和制動(dòng)的過程中起重要作用[1-2]。在輪胎配方開發(fā)中，實(shí)驗(yàn)室中膠料磨耗和摩擦因數(shù)（摩擦性能）的測(cè)試也是膠料性能評(píng)價(jià)非常重要的一環(huán)，長期以來，圍繞著膠料性能評(píng)價(jià)，研究人員從儀器、方法到機(jī)理都進(jìn)行了非常廣泛的研究[3-7]。實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)輪胎膠料摩擦性能的儀器較多，其中常用的有阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)、蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)和RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)等，這些儀器可以從不同角度考察膠料的耐磨性能。實(shí)驗(yàn)室模擬輪胎行駛條件評(píng)價(jià)膠料摩擦性能的關(guān)鍵因素主要有試驗(yàn)?zāi)z輪與路面的接觸壓強(qiáng)、角度和滑移率、試驗(yàn)?zāi)z輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、環(huán)境溫度和路面特點(diǎn)6個(gè)方面。其中試驗(yàn)?zāi)z輪與路面的角度、滑移率和環(huán)境溫度儀器可以直接設(shè)置，試驗(yàn)?zāi)z輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率可以通過轉(zhuǎn)速和膠輪直徑進(jìn)行換算設(shè)置而實(shí)現(xiàn)，路面特點(diǎn)由儀器自帶或可根據(jù)需要進(jìn)行更換，6個(gè)因素中只有接觸壓強(qiáng)的設(shè)置有問題，因?yàn)閮x器雖然可以設(shè)置負(fù)荷但無法得到在不同負(fù)荷下膠輪與路面的接觸面積。

基于此，本工作開發(fā)一種測(cè)試方法，通過計(jì)算不同負(fù)荷下試驗(yàn)?zāi)z輪與路面的接觸面積，考察采用不同硬度膠料的膠輪在不同負(fù)荷下與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)，適用于阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)、蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)和RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)，可為研究人員考察不同車型輪胎膠料的摩擦性能時(shí)設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR）2557S、順丁橡膠（BR）9000、白炭黑1165MP、氧化鋅、硬脂酸、環(huán)保芳烴油（TDAE）、硅烷偶聯(lián)劑TESPT、防老劑4020、防護(hù)蠟、硫黃、促進(jìn)劑CBS和DPG，均為市售品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方見表1。

表1 試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

XSM-1/10～120型密煉機(jī)，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；XK-160型開煉機(jī)，上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；P-V-200-3RT-2-PCD型硫化機(jī)，磐石油壓工業(yè)有限公司產(chǎn)品；硬度計(jì)，德國MonTeck公司產(chǎn)品；ZW-H4800型顯微鏡，深圳市中微科創(chuàng)科技有限公司產(chǎn)品；UX4200H型電子天平，日本島津株式會(huì)社產(chǎn)品；5969型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，美國英斯特朗公司產(chǎn)品；AB-1511型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)、AB-1165型改進(jìn)式蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)和FR-7225型RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)，日本上島株式會(huì)社產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

按照GB/T 6038—2006要求對(duì)膠料進(jìn)行混煉，并按照阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)、蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)和RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)的要求硫化出各配方相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)z輪。

1.5 測(cè)試方法

1.5.1 硬度

試樣硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗(yàn)方法 第1部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》進(jìn)行測(cè)試。

1.5.2 接地印痕

將設(shè)計(jì)的夾具裝到萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)?zāi)z輪裝到上夾具上，路面輪裝到下夾具上，路面鋪上坐標(biāo)紙，試驗(yàn)?zāi)z輪接地面涂上印泥；萬能材料試驗(yàn)機(jī)開啟壓縮模式測(cè)試，壓縮速率為500 mm·min-1，試驗(yàn)?zāi)z輪在路面不保持（膠輪在路面不設(shè)停留時(shí)間，即壓上達(dá)到設(shè)置負(fù)荷，馬上抬起）；負(fù)荷根據(jù)各磨耗試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。

1.5.3 接地印痕面積

接地印痕面積可以通過坐標(biāo)紙中格子個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，本工作通過顯微鏡的多邊形面積測(cè)試功能完成計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)室摩擦和磨耗試驗(yàn)?zāi)z輪接地印痕測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)

在摩擦和磨耗試驗(yàn)中，一個(gè)重要的原則是盡量使用輪胎實(shí)際運(yùn)行狀況的設(shè)計(jì)參數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果才更有指導(dǎo)意義。目前在實(shí)驗(yàn)室模擬輪胎行駛的6個(gè)參數(shù)中只有接觸壓強(qiáng)無法設(shè)置，但儀器可以設(shè)置負(fù)荷，只要能測(cè)得一定負(fù)荷下試驗(yàn)?zāi)z輪的接地印痕面積，就可以求出膠輪與路面的平均接觸壓強(qiáng)。利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷傳感器可以提供準(zhǔn)確的負(fù)荷和可以連接不同夾具的特點(diǎn)，本工作設(shè)計(jì)一套可安裝到萬能材料試驗(yàn)機(jī)上的夾具（見圖1）。

按照接地印痕測(cè)試方法，開啟萬能材料試驗(yàn)機(jī)，固定試驗(yàn)?zāi)z輪的上夾具，以一定的負(fù)荷將膠輪壓到路面坐標(biāo)紙上，可以得到相應(yīng)負(fù)荷下膠輪的接地印痕。利用顯微鏡測(cè)量接地印痕面積，再根據(jù)負(fù)荷和接地印痕面積比計(jì)算出試驗(yàn)?zāi)z輪的靜態(tài)壓強(qiáng)。需要說明的是，試驗(yàn)?zāi)z輪與坐標(biāo)紙剛接觸時(shí)印痕是一條線，隨著萬能材料試驗(yàn)機(jī)推動(dòng)工裝下移，膠輪與坐標(biāo)紙接觸部位不斷變形（印痕由線形成面），負(fù)荷也不斷增大，最終達(dá)到預(yù)設(shè)負(fù)荷。此過程中試驗(yàn)?zāi)z輪不同部位形變不同，所受到的擠壓力也不同，無法測(cè)出不同部位的單位面積負(fù)荷，只能得出整個(gè)接地印痕平均單位面積的負(fù)荷。輪胎在實(shí)際行駛過程中也存在類似情況，輪胎接地部分不同部位受到的擠壓力也不同。二者具有可比性，采用該方法的測(cè)試結(jié)果用于試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，可以模擬輪胎行駛條件，以評(píng)價(jià)膠料性能。

綜上，該測(cè)試方法是將磨耗試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)?zāi)z輪和路面輪通過2個(gè)夾具移到萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，操作方便，測(cè)試精細(xì)。沒有夾具時(shí)，在試驗(yàn)?zāi)z輪上涂印泥，在路面放置坐標(biāo)紙，利用磨耗試驗(yàn)機(jī)本身也可以測(cè)試。二者原理一樣，測(cè)試結(jié)果基本一致。

2.2 阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)用試驗(yàn)?zāi)z輪靜態(tài)接地壓強(qiáng)的測(cè)試

阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)?zāi)z輪外直徑為68 mm，寬度為12.7 mm；砂輪外直徑為150 mm，寬度為25 mm，砂輪圓周即為膠輪運(yùn)行軌道；試驗(yàn)時(shí)兩輪錯(cuò)向15°，在一定負(fù)荷（26.7，53.4和80.1 N）下壓緊，砂輪在試驗(yàn)?zāi)z輪的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。在試驗(yàn)?zāi)z輪和路面輪成15°角時(shí)，按照前述方法測(cè)試一定負(fù)荷下試驗(yàn)?zāi)z輪的接地印痕及其面積，再利用負(fù)荷和印痕面積比得出靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)。阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)用不同硬度試驗(yàn)?zāi)z輪在不同負(fù)荷下與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)如表2所示。

表2 阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)用不同硬度試驗(yàn)?zāi)z輪在不同負(fù)荷下與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，在相同負(fù)荷下，隨著試驗(yàn)?zāi)z輪硬度的增大，膠輪與路面的接觸面積減小，從而導(dǎo)致膠輪與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)增大。

由于乘用車輪胎與路面的接觸壓強(qiáng)小，卡客車輪胎與路面的接觸壓強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)兩種輪胎膠料的耐磨性能時(shí)，采用與其使用壓強(qiáng)有可比性的條件進(jìn)行評(píng)價(jià)更具有代表性。對(duì)于阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，使用26.7 N的負(fù)荷評(píng)價(jià)乘用車輪胎膠料的耐磨性能較合適，而使用53.4或80.1 N的負(fù)荷評(píng)價(jià)卡客車輪胎膠料耐磨性能可能更合適。由此可知，采用本工作開發(fā)的測(cè)試方法，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)膠料耐磨性能條件的選擇有一定的指導(dǎo)意義。需要說明的是，實(shí)際輪胎行駛的路面為平面，而阿克隆摩擦和磨耗試驗(yàn)的路面為金屬砂輪，測(cè)試結(jié)果為靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)，試驗(yàn)?zāi)z輪各點(diǎn)的具體受壓情況與水平路面上輪胎各點(diǎn)的受壓情況不同，試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮。

2.3 蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)用試驗(yàn)?zāi)z輪靜態(tài)接地壓強(qiáng)的測(cè)試

蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)?zāi)z輪外直徑為49 mm，寬度為10 mm；砂輪外直徑為150 mm，寬度為25 mm，砂輪圓周即為膠輪運(yùn)行軌道；試驗(yàn)時(shí)膠輪和路面輪在一定負(fù)荷（5～80 N）下壓緊，各自獨(dú)立相向而行。按照前述方法測(cè)試一定負(fù)荷下試驗(yàn)?zāi)z輪的接地印痕及其面積，利用負(fù)荷和印痕面積比得出靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)。蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)用不同硬度試驗(yàn)?zāi)z輪在不同負(fù)荷下與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)如表3所示。

從表3可以看出，在相同負(fù)荷下，隨著蘭伯恩試驗(yàn)?zāi)z輪硬度的增大，膠輪與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)增大，這與阿克隆試驗(yàn)?zāi)z輪有完全相同的趨勢(shì)和規(guī)律。同樣，實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)不同用途輪胎膠料的耐磨性能時(shí)，應(yīng)采用與其使用壓強(qiáng)有可比性的條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，使結(jié)果具有一定的代表性。

表3 蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)用不同硬度試驗(yàn)?zāi)z輪在不同負(fù)荷下與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

2.4 RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)用試驗(yàn)?zāi)z輪靜態(tài)接地壓強(qiáng)的測(cè)試

RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)?zāi)z輪外直徑為80 mm，寬度為15 mm；運(yùn)行軌道為一個(gè)水平圓形軌道，其外直徑為700 mm，寬度為30 mm，試驗(yàn)時(shí)膠輪沿著水平圓形軌道旋轉(zhuǎn)；儀器負(fù)荷為20～150 N。測(cè)試膠輪在水平軌道上的接觸印痕比較簡(jiǎn)單，只需安裝上夾具夾住膠輪，不需要安裝下夾具，將坐標(biāo)紙直接鋪在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的工作平臺(tái)上即可。按照前述方法測(cè)試一定負(fù)荷下試驗(yàn)?zāi)z輪在水平路面上的接地印痕及其面積，利用負(fù)荷和印痕面積比得出靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)。RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)用不同硬度試驗(yàn)?zāi)z輪在不同負(fù)荷下與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)如表4所示。

從表4可以看出，在相同負(fù)荷下，隨著試驗(yàn)?zāi)z輪硬度的增大，膠輪與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)增大，這與阿克隆和蘭伯恩試驗(yàn)?zāi)z輪有完全相同的趨勢(shì)和規(guī)律。由于試驗(yàn)路面為平面，試驗(yàn)與輪胎在實(shí)際路面的行駛狀況基本一致，測(cè)試結(jié)果在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置方面有更好的可比性。

表4 RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)用不同硬度試驗(yàn)?zāi)z輪在不同負(fù)荷下與路面間的靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語

本工作開發(fā)了一種萬能材料試驗(yàn)機(jī)的夾具以及摩擦和磨耗試驗(yàn)用不同負(fù)荷下試驗(yàn)?zāi)z輪與路面間靜態(tài)平均接觸壓強(qiáng)的測(cè)試方法，可適用于阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)、蘭伯恩磨耗試驗(yàn)機(jī)和RTM綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)等。該方法適用范圍廣，尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，可為實(shí)驗(yàn)室模擬輪胎行駛摩擦和磨耗試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置提供重要指導(dǎo)。