汽车轮胎磨损机理的研究
汽车轮胎磨损机理的研究
油大学山东东营257062)
谢友柏(西安交通大学)
(吉林工业大学长春)
摘要：综台分析了汽车轮胎和路面问相互作用产生的磨损形式和磨损机理，及研究轮胎磨损常采用的方法. StudyOilWearMechanismsforAutomobileTires
F,engXudong(P呐kuInurty轴arID呲唱DongS)
ZlX)U,~K)uqinXieY oubai(xi'anJiaotongUniversity)
GuoKonghui(JilinPob'tecnicUnivemih')
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mrd:AmmmlileTireWearMedⅫWear
轮胎磨损是轮胎与相对运动表面(如路表面)对
磨时，其摩擦表层材料不断损耗的现象.轮胎磨损的
研究主要是指胎面磨损.轮胎磨损影响车辆运行的经
济性和车辆特性如操作稳定性等，所以研究轮胎磨损
具有重要的意义.
轮胎磨损是一种非常复杂的现象，受各种不同因
素的影响，如轮胎结构，胎面材料，环境条件等，使
得磨损机理至今尚未完全探明，而轮胎磨损的预测则
更是难以实现_3J.目前关于橡胶损耗或轮胎磨损的研
究主要分成两个方面：一是实验室研究，通常为过
分简单化的机理研究；二是车辆列队行驶试验J，这
是一种更实用的估量办法但速度慢且劳动强度大.显然这两种研究方法都有其局限性，不同的研究所得结果可能不完全相同，甚至可能完全相反，例如橡胶抗磨损能力的排序等.
鉴于上述原因，本文着重从轮胎摩擦学角度对轮
胎磨损的各种机理和学说，以及磨损的主要实验方法作简要的叙述，以期认识磨损的本质和基本规律，掌握减少或控制磨损的方法，并求对发展我国的汽车工业特别是轮胎制造业起到抛砖引玉的作用.
1基本概念"J
(1)磨损率(wearrate)：单位滑动距离上橡胶的
总损耗量，分为线性磨损率，体积磨损率和重量磨损率.
(2)磨损度(wP,B2"intensity/abradabihty)：特定界
面条件下，单位输^摩擦功的橡胶损耗(体积)量. (3)耐磨性(wearresistance)：是磨损率或磨损度
的倒数
50
(4)非均匀磨损(unevenwear)：用以描述胎面花
纹横向方向上磨损的非均匀分布.
(5)无规则磨损(irre~flarwear)：主要表征胎面
胶磨损率的周向变化，它同轮胎的安装质量，轮胎或轮子的均匀度以及车辆悬架或制动器产生的问题有关
2胎面磨损的机理
关于轮胎磨损的机理，至今尚无普遍公认的统一
看法.下面结舍摩擦学原理和已经提出的关于轮胎磨损机理的不同表述形式，给出轮胎磨损机理的一般理
论.
(1)磨损现象的三个过程
基于系统观点，摩擦是导致输^量损耗的过程,
而磨损则是导致系统元素损耗的过程【，磨损的产生一
般分为三个过程-.
1)表面问相互作用：摩擦表面问的相互作用方
式有机械和分子两种机械作用可以是两摩擦表面问直接接触，即两体磨损；也可以是两表面问夹杂外界磨粒的接触，即三体磨损.分子作用包括两表面的相互吸引和粘着.
2)表层材料的变化：在摩擦过程中，受表面变
形，界面温度和环境条件等的影响，表层材料将发生机械的，组织结构的，物理的和化学的变化，如胎面
在反复碾过粗糙路面时，胎面胶的反复弹性变形使其发生疲劳；接地面的局部高温使轮胎在速度突变条件下(抱死车轮的高速滑动)产生热分解.
3)表层材料的破坏：破坏形式主要有犁削，撕
裂，疲劳破坏，剥落和磨损花纹.
《润滑与密封》
(2)胎面磨损机理
依据摩擦学原理，将轮胎磨损机理分成四种基本
类型：粘着磨损(Adhesive)，表面疲劳磨损(Surfacefadgue)，磨粒磨损(Abrasivewear)和侵蚀磨
损(Erosivewear)L9J.但无论是金属摩擦，还是非金
属摩擦，磨损机理尚处于进一步探索阶段，所作出
上述分类难免有以偏概全之嫌.作者结合摩擦学理论
和国内外有关橡胶磨损的研究，对轮胎磨损机理的分类解释如下:
1)粘着磨损：当轮胎相对路面产生运动时，由
于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，使胎面表层材料转移到路面的机械磨损现象，称为粘着磨损.它是胎面胶分子对路面的粘着，受接地面温度,
轮胎和道路表层材料的物性(如强度)及表面粗糙度
和环境条件下的影响.
2)疲劳磨损：当轮胎在路面上滚动或产生滚滑
运动时，胎面表层橡胶在重复变化的接触应力作用下疲劳而产生剥落的现象，统称为表面疲劳磨损.如果
橡胶实验块同光滑基面对摩，长期受摩擦力作用将产生点坑并由于接触疲劳过程而产生表面裂纹(图1), 此时摩擦力在表面层产生的应力为拉伸应力.对轮胎而言，产生接触疲劳的台适条件是长距离直线行驶,
实际上，产生接触疲劳的表面很少见，因为典型的侧
偏力分布和胎面聚台物系统的热失稳确保了更严重机理的产生.但是，疲劳破坏形成的点坑连接起来或表面，次表面裂纹的扩展和集结必然造成对轮胎大的破坏.软胎面胶，干燥路面，钝微凸体和适中的切向力
是产生疲劳磨损的条件J.
末端堆集.硬胎面胶，湿路面和尖锐粗糙度是产生切
削的条件.
图2切削厝损(湿路面上犀摄减小彖件F)
②剥落(chunking)：当产生切削或者产生周期性
大变形时.裂纹激励，连续变形以及轮胎一道路表面
间产生的粘着力偶将产生低应变率裂纹扩散机理，从而导致橡胶的大量脱落.在苛刻条件下，这将导致胎
面胶的过度磨损而使牵引力受到影响.
③磨损花纹(abrasionpatterns)或Sehallamach花
纹：这类磨损中磨损表面形成垂直于滑动方向的
波纹，波峰间距为50tm~到10irnal，其值取决于使用条
件的苛刻度(如摩擦力的大小等)和胎面胶强度.如
轮胎磨损图3所示.磨损花纹是在单向相对滑动的条件下产生
的，为公路路面运动轮胎所具有的主要胎面外观特
征.大多数轿车轮胎胎面裸眼看上去很光滑，但在显
或者路表面上的硬突起物(包括微观和宏观纹理)在
轮胎的摩擦过程中引起胎表面材料脱落的现象.磨粒
磨损机理是磨粒的犁沟作用，即微观切削过程.轮胎
和路面问的磨粒磨损主要表现为:
①切削(cutting)：减小的摩擦和尖锐的粗糙度沿
滑动方向对胎面产生切削磨损，胎面上将留下槽状磨
痕，如图2所示.如果粗糙度冲击角很大，则将产生
切削(cutting)；如果冲击角较小，则将产生犁沟(grooving)，此时粗糙度犁过胎面使橡胶向沟槽侧边和
1999年第6期
倒3厝损花纹
④热化学降解(thermochemicaldemi0n)…J：如
果界面摩擦力很低或者胎面胶可以实际承受所加侧向
力，那么胎表面可能产生热化学降解或热氧化降解,
降解颗粒并随后脱落(大小约几个微米).尽管滞后
产生的胎面温度将低于更苛刻条件下的胎面温度，但
是橡胶颗粒脱落的实际存在使降解产生.干燥路面,
钝粗糙度和滑动速度可导致这种磨损(图4).
(掇胶降解形成的污迹碎块(h)高的敬表面温度产生的多孔掇胶图4热化学效应产生的胎面磨损
⑤卷曲磨损(rollabrasion)：如果磨损花纹的波峰