车辆轮胎冰雪路面摩擦特性与橡胶材料物理 力学性能的相关性研究*

王 强 齐晓杰 王云龙 杨 兆 王国田 吕德刚

(黑龙江工程学院汽车与交通工程学院 哈尔滨 150050)

0 引 言

一般情况下，两个刚性物体之间的摩擦系数是个定值，仅与两个接触表面之间的粗糙度等情况有关，而与垂直压力、接触面积、滑动速率，以及外界温度的大小无关.然而，车辆轮胎橡胶与路面之间的摩擦是一种非常复杂的现象，接触面橡胶在载荷作用下发生了弹性变形，其摩擦系数是个变量，随材料性质、垂直压力、接触面积、滑动速率、外界温度及接触表面粗糙度等的变化而变化，多年来，众多学者对车辆轮胎与不同路面的摩擦特性做了大量的研究工作.我国受冰雪影响的地区约占全国国土面积的1/2，尤其是东北、西北地区.在漫长的冬季，冰雪路面的附着系数很低，很容易出现车辆打滑和车辆失控的情况，致使车速减慢、交通阻断，严重时导致交通事故频繁发生，特别是交叉路口、上下坡及弯道区域，冰雪路面对交通的影响更加明显.据统计，冰雪路况引起的交通事故数量较正常情况下一般高出3～4倍[1].车辆在冰雪路面上行驶，尤其是上坡、起步时，因车辆轮胎与路面的摩擦系数减小、附着力大大降低，车辆驱动轮很容易打滑或空转；当遇情况紧急制动时，制动距离会大大延长，高于一般干燥路面的4倍以上；当在冰雪路面上转弯时，很容易造成侧滑及方向跑偏现象.为有效提高冬季冰雪路面车辆的起动性、制动性和抗侧滑能力，冬季轮胎的抗湿滑和冰滑、雪滑性能尤为重要[2-3].车辆轮胎与冰雪路面相互摩擦问题是一个典型的三重非线性问题，研究表明，冰雪路面是弹塑性材料，表现为材料非线性；冰雪路面和车辆轮胎由于变形较大，表现为几何非线性；车辆轮胎和冰雪路面界面的接触摩擦作用表现为边界非线性[4].冬季轮胎橡胶与冰雪路面摩擦与磨耗机理的研究始终进展比较缓慢，目前还不能用理论模型对其进行完整而精确的预测[5-7].近年来，有关冰雪路面车辆轮胎橡胶的摩擦特性及抗滑机理研究已经成为中、日、美和西欧等国轮胎学和车辆控制学领域的研究热点，并提出了一些相关理论和设计方法，但依然缺乏基础性研究[8-9].为此，本文针对提高冰雪路面车辆轮胎胎面的抗滑问题，通过车辆轮胎胎面的配方设计、制备工艺设计、物理力学性能测试、摩擦系数测试、冰雪路面抗滑实车测试等，探索车辆轮胎冰雪路面摩擦特性与橡胶材料物理机械性能的相互影响规律，为揭示冰雪路面的轮胎摩擦机理及提高车辆冰雪路面的抗滑性能提供重要的理论指导.

1 试验部分

1.1 车辆轮胎胎面配方设计

采用全天候车辆轮胎胎面主要配方，见表1.各配方组成按质量份计算，天然橡胶、白炭黑、炭黑N330及其他配合剂等均由某汽车轮胎翻新有限公司提供.

表1 车辆轮胎胎面主要配方

1.2 车辆轮胎胎面试样制备

车辆轮胎胎面试样制备工艺流程见图1.先将天然橡胶(SMR20)和高顺式顺丁橡胶在6寸开炼机混合均匀并塑炼 20 min左右后停放10 min，辊筒温度设置为50 ℃，转子转速设置为45 r/min.采用两段混炼工艺，首先在6寸开炼机上进行一次混炼，先加入充油丁苯橡胶混炼10 min后，依次加入炭黑和防老剂，辊筒温度设置为60 ℃，转子转速设置为50 r/min，再继续混炼20 min.一次混炼后，在6寸开炼机上进行二次混炼，依次加入其他配合剂，辊筒温度设置为65 ℃，转子转速设置为50 r/min，再继续混炼20 min.当二次混炼胶温度降至约40 ℃，压延成6～8 mm厚薄片，然后下片在25 t电热平板硫化机上硫化，硫化压力为5 MPa，分五种情况控制硫化温度和硫化时间，分别为：①130 ℃，20 min；②140 ℃，20 min；③145 ℃，20 min；④150 ℃，20 min；⑤160 ℃，20 min，然后利用冲片机冲切成待测试样，试样分别编号为1#、2#、3#、4#、5#试样.制备试样过程中所用到的开炼机、硫化机、冲片机均由江苏某有限公司生产.

图1 试样制备工艺流程

1.3 性能测试

2 试验结果与分析

不同硫化温度和硫化时间下(对应5种试样)获得的车辆轮胎胎面物理机械性能见表2.五种试样的抗拉强度、撕裂强度、100%定伸应力、300%定伸应力、扯断伸长率、耐磨指数、邵尔硬度、耐疲劳次数、耐冲击回弹性与压实冰面摩擦系数、压实雪面摩擦系数的对比曲线分别见图3.由表 2 和图3可知，五种试样的压实冰面摩擦系数为0.12～0.23，压实雪面摩擦系数为0.22～0.29，随着胎面的抗拉强度、撕裂强度、扯断伸长率、耐磨指数、回弹性的增大，其压实冰面摩擦系数和压实雪面摩擦系数均增大，基本呈线性正比关系；随着100%定伸应力、300%定伸应力、邵尔硬度的减小，其压实冰面摩擦系数和压实雪面摩擦系数均增大，基本成线性反比关系；五种试样的耐疲劳次数变化不大，其与压实冰面摩擦系数和压实雪面摩擦系数关系不是很大.综合试验各项物理机械性能结果分析可知，不同硫化温度对胎面橡胶的抗拉强度等物理力学性能及冰雪路面摩

擦特性有一定的影响.

表2 不同硫化温度下的车辆轮胎胎面物理机械性能

图3 不同因素与摩擦系数关系曲线

3 车辆轮胎冰雪路面抗滑性实车测试

3.1 试验设备和过程

某手动档轿车，某牌轮胎(型号为195/60R15 88 V)，便携式制动性能测试仪(型号为MBK-01(Ⅲ)型)、流动式换胎车、温度计等.

将4条轮胎原胎面花纹在打磨掉，利用冷翻工艺将试验所用的5组胎面粘贴在打磨后的胎体上，胎压为2.5 MPa.试验环境温度为-20 ℃，压实冰面自行浇注，冰面长度大于1 500 m，压实路面长度大于2 000 m，试验车辆分成满载(搭乘4人)和空载(仅有驾驶员1人)两种情况，车速分别设定为30，40，50 km/h，分别测定五种胎面轮胎的在压实冰面和压实雪面工况下的制动距离.

试验测试过程中，便携式制动性能测试仪安装在副驾驶位置，每种工况试验次数为三次取平均值.

3.2 试验结果及分析

图4～5为压实冰面、雪面车速与满载、空载制动距离关系见图4～5.

图4 压实冰面车速与满载、空载制动距离关系

图5 压实雪面车速与满载、空载制动距离关系

由图4～5可知，随着车速的增加，5种试样轮胎的满载制动距离和空载制动距离均增大，其中车速从40 km/h增加至50 km/h较从30 km/h增加至40 km/h满载制动距离和空载制动距离增加幅度大；相同车速条件下，无论是压实冰面还是压实雪面空载制动距离均大于满载制动距离，但是1#～3#试样轮胎与4#～5#试样轮胎有所区别，4#～5#试样轮胎的空载制动距离十分接近满载制动距离.分析其原因可能为：4#～5#试样轮胎胎面硬度较软，在垂直载荷作用下，硬度较软的胎面橡胶已与接触面之间达到完全接触，当超过这个点时，继续增大的垂直载荷并没有增加两种材料之间的相互作用程度，因此摩擦力不再增加，导致满载制动距离和空载制动距离十分接近；对于硬度比较大的胎面橡胶，硬胎面橡胶与接触表面没有完全接触，增加垂直载荷导致真实接触面积增大，因而将会产生较大的摩擦力.相同车速条件下，压实冰面和压实雪面两种工况，5种试样轮胎满载制动距离和空载制动距离的大小关系均为1#试样轮胎>2#试样轮胎>3#试样轮胎>4#试样轮胎>5#试样轮胎，这与静摩擦系数1#试样轮胎<2#试样轮胎<3#试样轮胎<4#试样轮胎<5#试样轮胎的关系相吻合，说明其抗滑性能关系为1#试样轮胎<2#试样轮胎<3#试样轮胎<4#试样轮胎<5#试样轮胎.

4 结 论

1) 车辆轮胎冰雪路面摩擦特性与橡胶材料物理机械性能具有一定的相关性.

2) 车辆轮胎胎面橡胶的抗拉强度、撕裂强度、扯断伸长率、耐磨指数、回弹性等与压实冰面摩擦系数和压实雪面摩擦系数呈线性正比关系；100%定伸应力、300%定伸应力、邵尔硬度与压实冰面摩擦系数和压实雪面摩擦系数成线性反比关系.

3) 通过测试验证了车辆轮胎压实冰面及压实雪面的摩擦特性与垂直载荷、车速、胎面硬度、静摩擦系数、外界环境温度等均有一定的关联性，后续将进一步做深入的研究.