橡胶磨耗量与摩擦能的相关性研究

陈 燕，尹海山，王子玥

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310008）

对轮胎耐磨性的认识最初是从研究橡胶磨耗机理开始的，K.A.Grosch等[1-3]对橡胶的摩擦磨损问题研究较早，B.N.J.Persson等[4-5]对橡胶与路面的接触摩擦与磨损问题进行了较深入的研究。国内外诸多学者[6-9]更多地从材料改进、材料老化寿命和测试条件等方面进行研究。这些研究使人们对橡胶磨耗机理有了比较深刻的理解。但橡胶及轮胎的磨耗是非常复杂的物理化学过程，因而仍然是业界各大公司致力研究的热点之一。

本工作对胎面胶进行了LAT100磨耗测试，同时用有限元方法模拟磨耗状态，计算摩擦能并与测试结果进行拟合，得到磨耗量与摩擦能的幂函数关系式。

1 实验

1.1 测试仪器及原理

LAT100磨耗试验机，荷兰VMI公司产品。接触面为旋转转盘（磨损盘），对橡胶轮设定角度和负载，转盘带动橡胶轮按设定速度转动，红外扫描和测力传感器可以测试橡胶轮的纵向力、侧向力和表面温度，磨耗量通过橡胶轮研磨掉的碎屑称重获得。

1.2 试验条件

负荷 30 N；速度 5，10，15，20 km·h-1；偏角 0°，15°，30°，40°；试 样Φ80 mm×17 mm橡胶轮，硫化条件为151 ℃×30 min，每种工况制样3个，共计制样48个；转盘面材质为铝120，环境温度为25 ℃。

2 结果与讨论

2.1 LAT100磨耗试验

采用LAT100磨耗试验机对样品进行磨耗量测试并记录结果。

2.2 有限元模拟计算

2.2.1 有限元建模

基于ABAQUS进行有限元建模，橡胶本构模型为线弹性，单元类型为CAX4R，每一截面单元数为829，共74个截面，单元总数为61 346个，接触面砂轮盘为刚体，与橡胶轮的摩擦因数为0.40。图1示出了橡胶轮的有限元模型。磨损盘以角速度ω转动，带动橡胶轮旋转，载荷施加在橡胶轮中心。

图1 橡胶轮的有限元模型

2.2.2 模拟结果

图2—4列举了荷载为30 N、速度为20 km·h-1时，0°和30°偏角的接触压力（N·m-2）及两个方向的剪切力（N·m-2）和滑移（mm）的模拟结果。

图2 0°偏角时的正压力、横向剪切力和纵向剪切力

2.2.3 橡胶轮摩擦能的计算及试验拟合

由模拟结果计算可以得到橡胶轮与磨损盘接触面内，每个接触单元在平面内的两个剪切力分量，其表达式为

其中

式中，i=1，2（1代表纵向，2代表横向）；τe为摩擦应力，μ为摩擦因数，p为接触法向力；γ˙i为切向滑移速度。

每个单元的摩擦能（We）计算公式为

橡胶轮每旋转1周的总摩擦能密度（E）的计算公式为

图3 30°偏角时的正压力、横向剪切力和纵向剪切力

其中

式中，Wi为接地各个单元的摩擦能，L为橡胶轮的周长，n为某一时刻接地单元的总数量，D为橡胶轮的直径，δ为橡胶轮的厚度，S为橡胶轮接地面的面积。

LAT100磨耗试验测试结果及摩擦能密度模拟计算结果见表1。由表1可见：橡胶轮磨耗量基本随偏角的增大而增大；表面温度随速度和偏角的增大呈升高趋势，40°时数据反常是由于接近仪器量程极限，测试过程中停机造成的。

表1 LAT100磨耗试验测试及摩擦能仿真计算结果

由上述结果可得出磨耗预测模型如下：

式中，AE为磨耗强度，g·km-1；E为摩擦能密度，J·m-2；CE是材料常数，为1.312 9×10-11；m是关系指数，为1.66。

图4 30°偏角时的纵向滑移和横向滑移

CE和m为常数，其数值大小与材料性能及路况相关，数值大则说明磨耗量对摩擦能依赖性更强，材料更不耐磨。

图5给出了实测磨耗强度与模拟计算摩擦能的幂函数关系。由图5可见，实测磨耗强度与仿真摩擦能的相关性较好。

图5 实测磨耗强度与计算摩擦能的关系曲线

3 结语

采用LAT100磨耗试验机对胎面胶进行了变角度和速度多种条件的测试，用有限元模拟计算了不同试验条件下的摩擦能。对实测磨耗强度与计算摩擦能数据进行拟合，得到了磨耗强度与摩擦能的幂函数关系及关系常数和幂指数，幂指数和关系常数可反映磨耗的苛刻程度，与材料及接触面相关。