轮胎抓着力

轮胎基础知识讲座第六讲轮胎抓地力第1页欧洲轮胎新法规2012年11月起生效，对湿地抓着力的新标准，是提高轮胎安全的一种措施，也对外贸易的技术壁垒；比起美国对中国轮胎的惩罚性关税的办法，要文明得多。贴标签的规定，将影响顾客购买轮胎的决定过程，对中国轮胎而言，既是刁难，但如果我们的轮胎质量能得到优质的评定，那么就是一种免费的宣传，所以也是一种机遇。抓着力指数G，是和标准轮胎刹车距离的比值，共分A,B,C,E,F五个等级。消费者会按照标签上的等级选择轮胎。在安全问题上，一般人不会为省一点钱牺牲自身的安全；因此，在抗湿滑的级别应当以达到A或B级为目标。第3页关于轮胎抓地力的讨论，可以分成4个部分：1.路面结构之影响2.牵引力之机理3.牵引力测试法4.水膜效应第4页我们先从路面结构对轮胎抓地力的影响。第5页路面粗糙度之分类可以从宏观和微观来看，图中照片从上下、左右，分别代表：宏观微观.上左细粗上右粗粗下左细细下右粗细第6页本图从路面之表面粗细，胎面花纹海陆比，轮胎充气压的不同比较轿车胎及卡车胎，接地压力分布之不同。尤其请注意，路面之不同，可以导致局部的接地压成为轮胎充气压的1.7倍到14倍！（主要是宏观粗糙度的影响）第7页本图说明路面粗糙度与牵引系数（亦即一般所说的摩擦系数）首先，这四种路面，在干燥时，牵引系数在1到1.3之间，不构成问题。但是如果下毛毛雨到小雨，而积水不深时，牵引系数的范围依据路面：宏观微观牵引系数.上左细粗0.4到0.8上右粗粗0.5到0.9下左细细0.1到0.2下右粗细0.2到0.3很明显，控制路面湿润牵引系数主要是微观粗糙度；然后才是宏观粗糙度。但是在下大雨，或积水较深时，排水变得重要时，宏观粗糙度的影响会提升的。第8页这里说明不同天气和不同路面对牵引系数的影响。晴天时，1到1.3；微观宏观都粗糙的路面，湿润时，0.7；积水达2毫米时，微观宏观都粗糙的路面，0.6；积水达2毫米时，微观宏观都光滑的路面，0.2。第9页这里说明在湿润路面，不同胶料的抓着系数有何不同：赛车用轮胎：0.8轿车胎1：0.7轿车胎2：0.6卡车胎：0.55请注意，此处卡车胎的数据可能误导，实际使用时充气压要高得多（根据本图底部的说明，本组数据是用轿车胎做的，充气压在2+帕，而卡车胎的充气压应当至少有8帕。）第10页本图说明，一般标准的柏油路面没有，排水不佳；第五讲说过的低噪声路面，是有孔隙的，如右图所示，也能有效地改善排水功能。第11页本图指出与湿抓着相关的一些尺寸，从轮胎的周长，胎面花纹的参数，一直到橡胶分子的大小。第12页第二部分，讨论轮胎牵引力的机理，一共有5个部分：i.什么是滞后性tan?ii.橡胶牵引力（摩擦力）的一般解释iii.碳黑vs.白碳黑iv.牵引力是动量转换，不是摩擦能耗v.Grosch的橡胶摩擦理论第13页i.什么是滞后性tan?第14页首先，说明当没有滞后性时，即tan，如左图所示，一块橡胶就像一个弹簧，用手推放之后，回到原处，没有任何能量的损耗。右图说明，弹簧端点的位移和承受的力都是正弦函数，而且二者的相位差为零。第15页在纯减震器(ShockAbsorber，tan),左图显示当手完成一个周期的推放之后，减震器的右端不能归还原位；右图则说明应力和位移两个正弦波不能同步，位移滞后相位差90度。第16页实际的胶料在前二者之间，一般用一个弹簧和减震器“并联”，来代表；一则两者的力是相加的，二则，二者对应的位移是相等的。左图说明当手完成一个周期的推放之后，开始右端没有回归原位，但是稍后还是回到原点。右图说明位移的正弦波滞后，角度在0到90度之间。第17页这里实际计算了应力和位移在一个周期的正弦波运动之后的能量变化，图中的积分是一个周期后输出的能量，即损耗变成热能的大小。请注意消耗的能量是和sin成正比，而不是和tan。只有在滞后角度很小的时候，tan的值才是正确的。大家只要看当滞后角度接近度时，tan会趋向无穷大，就知道tan的不合理了。第18页轮胎行驶一段时间之后，胎体表面和内部的温度都会升高；要想正确地分析轮胎的行为，轮胎的温度分布，以及橡胶材料动态性能随温度的变化，是至关重要的。本图显示的是橡胶材料动态性能和温度的关系，是高度非线性的。首先看模量，纵轴是从3Mpa到3000Mpa的对数尺；横轴是温度，大约是从-100ºC到+100ºC。在低温的时候模量很高（这里是300Mpa左右），胶料是在玻璃状态；然后升温到所谓玻璃转换温度(GlassTransitionTemperature)时，模量开始下降，最后到了约3Mpa时，终于稳定下来，进入弹性区。这个中间地带可称为转换区(TransitionRegion)。滞后性曲线（红色）在玻璃区和弹性区都比较小，而在转换区则有一个峰值，一般将此峰值所在的温度称为‘玻璃转换温度’。轮胎的实际温度是在右边的弹性区。第19页本图和前一页的基本是同样的胶料动态性能，不同在横轴从‘文牍’改为‘频率’。频率的范围从左端的1赫兹到右边至少1010赫兹以上。请注意本图和前图看来似乎是是“左右对称”的。事实上确实如此，换言之，温度和频率有一定的相关性，之间的关系可从所谓的WLFTransformation(WLF转换)公式（在第21页会进一步说明）。简单地说，在橡胶材料的动态性能裡，高温与低频（或者低速）相当；反之，低温与高频相当。第20页本图是轮胎用胶的动态性能和形变的关系，显示其高度“非线性”的特征。其中暗绿色曲线代表橡胶的模量，红色曲线是其滞后性，tan,代表每次应变周期能量损耗的大小。请注意这里的横轴有两种尺度，对拉伸和压缩而言，其范围以对数尺表示，是从0.1%，1%，10%到100%；而对剪切则是从0.3%，3%，30%，到300%。橡胶动态性能的“非线性”表现在这里有一个过渡区：压缩和拉伸是从0.3%到10%的形变；而剪切是从1%到30%；模量可以减少2/3，而滞后性有一个峰值在过渡区的中央位置。以轿车胎为例，考虑胎面胶的压缩与拉伸应力的大小和橡胶的模量，其应变的范围当在0.5到15%之间；而剪切应变的范围是1到50%；大都处在在这个过渡区的范围内。因此可见从轮胎橡胶的动态性能来看，它是高度非线性的，也就是高度复杂的。第21页第19页裡讲的温度与频率的关系，是由William，Landel，Ferry三个人发现的，他们提出了一个平移因子(ShiftFactor)的概念，就是用本页的公式，将材料的温度T,和其玻璃转换温度TG代入後，求得平移因子，log𝑎𝑇。稍后，当讨论橡胶的摩擦系数的曲线时，我们会说明如何使用此‘平移因子’。目前，请记得：根据WLF方程式，胶料的动态模量在10to105Hz范围内，当频率每增加10倍时，就相当于温度下降了7到8摄氏度。如以下两张图所示，一个在10Hz量得玻璃转换温度为-20°C的胶料，当频率升到105Hz时，即4个10倍，其玻璃转换温度将变为+10°C左右（即4X7.5度=30度的温差）。第22页本图的条件是10赫兹时，玻璃转换温度是-20ºC。第23页但是当频率升高一万倍，变成100,000赫兹=（10赫兹）x10x10x10x10之时，此胶料的玻璃转换温度变成+10ºC，升高了（7.5ºC）x4=30ºC。第24页ii.橡胶牵引力（摩擦力）的一般解释第25页一般解释橡胶牵引力（摩擦力）都用本页的图，即一块橡胶和路面接触，并且做水平方向的滑移，假设速度是𝑉𝑆𝑙𝑖𝑝，路面的粗糙度则以图示的相邻两个凸起点的距离，d，来表征。胎面胶的粘弹性则用并联的弹簧和减震器来代表；每当胎面胶从凸起点滑过时，便经历一个周期的形变和应力的变化，其滞后性便会造成一部分能量的损耗；另外请注意橡胶的形变，也造成左右力的不对称，从而产生牵引力。这种叙述法令人有一些不足的遗憾，例如滞后性引起的能耗和摩擦能量是什么关系？这个左右应力分布的不对称跟胶料的滞后性又是什么关系？第26页按照前页的模型，我们可以计算胎面胶形变即应力的频率，从而选择胶料动态性能的适当数值。这里指出一般的滑移速度是在1到5米/秒之间，而路面的粗糙度则在1微米和1厘米之间，滑移速度除以凸起点的距离等于胎面胶变形（及应力变化）的频率，应当在102到106赫兹之间。第27页前面讨论的是宏观粗糙度。在微观粗糙度（或较光滑的路面上）距离d的尺寸在微米到纳米之间，换算得到的频率在106到109赫兹之间。这里橡胶的变形就变成高分子链跟地面接触後（黏着，adhesionorbond）,分子链拉扯时有它的滞后性产生抗滑力。这种分子链的黏着和分离，在胎面胶滑移时，连续不断。第28页在衡量胎面胶抗湿滑性能时，通常用其tan在1Hz,0ºC附近的数值来比较,其原因如下：•假设气温为20ºC而胎面胶表面上升了15ºC因此，材料操作温度当在35ºC左右。又假设路面粗糙度为0.01mm,而滑移速度为1m/S时，则相关频率应当在105Hz，比实验室测量频率高了主105倍，其对应的温度下降为，5x7.5ºC=37..5°,校正之后，得-2.5ºC,。与冰点十分接近第29页这是1993年美国的SmithersReport胎面胶试验数据，其中就是用摄氏0度的tan，来比较米其林的白炭黑MXN轮胎和黑炭黑MXT轮胎。按照这里的结果，黑炭黑应当比白炭黑略好。有趣的是，在微观粗糙度比较光滑的路面上，尤其加上ABS防抱死刹车系统的路试裡，白炭黑的抗湿滑上要远比黑炭黑为佳。换言之，完全颠覆了传统的0ºC之tan（1Hz）的‘理论’，这是下一页要开始讨论的课题。第30页iii.碳黑vs.白碳黑第31页为何白碳黑胎面胶轮胎从90初在欧洲轿车配套轮胎迅速成为首选?除了低滚动能耗之外，最重要的原因就是：高抗湿滑在湿润路面刹车距离大为缩短，尤其是在较光滑的石头路面,(m0.5),和有防抱死刹车系统(ABS)时，刹车距离可减少15到20%。前面说过，这和传统的0ºC之tan（1Hz）的‘理论’是完全不合的，是传统的认识有所不足？原因到底何在？第32页我们研究米其林的绿色轮胎，原始的资料来自米其林的欧洲和美国专利：EP0501227B1(Dec.2,1992)USPat.5,227,425(Jul.13,1993)以及Smithers’SpecialReportNo.83,1993Michelin155/70R1375TMXNvs.MXT。第33页这是米其林专利中的数据，滚动阻力的15%改进是明显的优势，但和湿地抓着力相关的第一和第二项只有5%左右的改善，实属实验误差边缘。和第31页中提到的15-20%的改进，相去甚远。第34页SmithersReport米其林轮胎试验数据显示白炭黑轮胎MXN滚动阻力的改进达到19%，而抗湿滑与干抗滑分别都少了2%和10%。换言之，与牵引力相关的安全性都不见改善。第35页在上世纪90年代中期，美国卡博特公司推出了所谓双相白炭黑（CSDPF）,商业名字又叫ECOBLACK,的产品。简言之，就是炭黑表面掺有白炭黑的填充料。这里是BPST抗湿滑指数vs.与CSDPF白碳黑覆盖比表面积之间的关系。结果是抗湿滑与掺入的白炭黑之分量成正比，而以100%的白炭黑为最高。第36页这里是N234炭黑，白炭黑，以及ECOBLACK的CRX4210的比较，从摄氏零度附近的tan来看，炭黑似乎好一点，至少三者之间的差别不大，而ECOBLACK和白炭黑基本上相同。根据第页，CRX4210的白炭黑表面覆盖率是80%左右。第37页这里是N234炭黑，白炭黑，以及ECOBLACK的CRX2000的比较，结论和前页的相同。根据第页，CRX2000的白炭黑表面覆盖率是20%左右。第38页白炭黑的‘反常’效应，暴露了传统0ºC附近滞后性tan理论之不足。在寻找新的解释时，我们强调一个概念，就是：牵引力是动量的转换，而不是摩擦能的消耗。第39页以瑞士电动登山小火车为例，它的牵引力来自于带齿钢轨和齿轮之间的咬合，而力的传递之中，‘滞后性’或