上海铁道大学　王野平
【Abstract】No t only direct increment of moto r vehicle service cost but also power consumption of motor vehicle and adhesive characteristic between ty re and road surface w ill be effected by tyre wear.M echanism of ty re wear occur rence, especially various factors acting on the tyre wear are discussed.T he conclusion of analysis may have a definite meaning fo r g uarding design and application of automobile w heel tyre.
【摘要】轮胎磨损除会直接增加汽车的使用成本外，还会影响汽车的功率消耗、轮胎与路面间的附着性能等。对轮胎磨损的机理进行了探讨，并着重讨论了影响轮胎磨损的各种因素及其影响机理。通过分析得出的一些结论对正确设计和使用汽车轮胎具有一定的指导意义。
Topic words:Tyre,Wear,Analysis
主题词：轮胎　磨损　分析
1　前言
轮胎的磨损是一个非常复杂的问题，国内外学者对此已进行了大量的研究。轮胎磨损除会直接增加汽车的使用成本外，还会影响汽车的功率消耗、轮胎与路面间的附着性能等。本文从摩擦学的角度对轮胎磨损的机理进行阐述，并在此基础上着重讨论了轮胎磨损的各种影响因素及影响机理。
2　轮胎磨损机理
轮胎产生磨损的机理随胎面材料、路面状况、环境温度以及运行条件等的不同会有所变化。轮胎产生磨损的机理主要有以下几种。
2.1　弹性磨损
如果路面微凸体的尺寸小、光滑性好，则轮胎与路面接触时的应力集中就相对较小，轮胎在与路面的摩擦过程中主要发生弹性变形。如图1所示，当作用在胎面橡胶内的拉应力或剪应力超过其抗拉或抗剪强度时，就会在橡胶的内部或表面产生裂纹。随着弹性变形次数的增加，裂纹会逐渐扩展，直至橡胶颗粒从轮胎表面上脱落下来形成磨粒[1]。这种磨损与金属材料的疲劳磨损非常相似，简称弹性磨损，由这种磨损而产生的橡胶磨粒尺寸一般较大。
2.2　塑性磨损
如果路面微凸体的尺寸大、锋利性好，则轮胎与路面接触时的应力集中就相对较大。若轮胎与路面微凸
体之间的接触应力超过胎面橡胶的屈服应力，则轮胎在与路面的摩擦过程中将主要发生塑性变形。路面微凸体将对胎面橡胶形成微切削作用，从而使胎面橡胶磨损，图2是这种磨损的模型[1]。这种磨损与金属的磨粒磨损非常相似，简称塑性磨损，由这种磨损产生的橡胶磨粒尺寸一般较小
。
图1　
胎面发生弹性磨损的模型
图2　胎面发生塑性磨损的模型
2.3　橡胶表面层的机械-化学腐蚀磨损
由于橡胶是热的不良导体，在橡胶的弹性滞后作用及轮胎与路面间的高摩擦力作用下，轮胎表面层的温度会急剧升高，从而使某些由于摩擦力作用而急剧伸长的橡胶分子链断裂。当橡胶分子链断裂后，就会产生两个亚稳的自由端。对天然橡胶和丁苯橡胶来说，这种亚稳的自由端将与自由端接收体(一般是氧)发生化学反应，从而使自由端回到稳定状态，同时这也使分子链彻底断裂。在这种情况下，由分子链断裂而产生的累积效果是橡胶分子量
的减少，并伴随产生油一样的物质。对顺聚丁二烯之类的橡胶来说，分子链的自由端将与邻近的分子链发生反应，从而形成交错连接。与橡胶分子量减少而产生的效果相反，交错连接将使橡胶产生干的、粉状磨粒。
3　轮胎磨损的影响因素
轮胎磨损的影响因素非常多，概括起来主要体现在以下几个方面。
3.1　轮胎结构
目前使用的轮胎主要有子午线轮胎、斜交线轮胎和带束斜交轮胎三类。由于结构原因，斜交线轮胎在滚动时其交叉层将产生较大的挠曲并相互摩擦。这种挠曲作用使得胎面与路面间产生一种揩拭运动，从而加剧轮胎的磨损。同样由于结构原因，子午线轮胎的刚度很大，它在路面上滚动时，其胎面与路面的接
触区域内不存在揩拭运动。因此其耐磨性要较斜交线轮胎显著提高。试验表明，子午线轮胎的耐磨性要比斜交线轮胎高出30%～50%。轮胎的运行条件越是恶劣，子午线轮胎在磨损方面的优越性就越是明显。带束斜交轮胎的耐磨性介于子午线轮胎和斜交线轮胎之间。图3是在侧向力相等条件下用实验方法测得的轮胎磨损率与侧偏角之间的关系曲线。从图中可以看出，斜交线轮胎的磨损率要明显高于子午线轮胎，特别是当侧偏角较大时更是如此[2]
。
图3　轮胎磨损率与侧偏角之间的关系
对轮胎磨损特性有显著影响的另一个结构要素是胎面花纹。胎面花纹基本上可分为纵向花纹、横向花纹和块状花纹三类。其中块状花纹由于其花纹在纵向和横向都不连续，胎面在切向力作用下的滑
移较大，再加上它在与路面接触过程中的不连贯、存在冲击，因此其耐磨性最差。同样，横向花纹由于其周向不连续，它在与路面的接触过程中也存在不连贯性。另外，如图4所示，当轮胎上有几个花纹与路面同时接触时，即使轮胎上没有任何切向力的作用，在垂直载荷的作用下，由于花纹在与路面接触过程中变形方向的改变，它与路面间也会发生较大的滑移。因此，横向花纹轮胎的耐磨性也较差。另外，横向花纹轮胎还较易发生轮胎特有的锯齿形磨损。纵向花纹轮胎由于其胎面花纹周向连续，因而与路面的接触过程是连续的，胎面花纹受挤压时变形也小。因此，纵向花纹轮胎的耐磨性要明显好于横向花纹和块状花纹轮胎
。
图4　横向花纹在垂直载荷作用下产生的滑移
胎面花纹的密度系数对轮胎磨损也有较大的影响。胎面花纹的密度系数提高后不但可以增加轮胎与路面间的直接接触面积，降低接触压力，而且可增加胎面的切向刚度，减少轮胎与路面间的滑移量，从而减
少轮胎的磨损。所以，在保证胎面花纹排水和贮水能力的前提下，应尽量提高胎面花纹的密度系数，尤其是斜交线轮胎更应如此[1]。
轮胎的高宽比对轮胎切向刚度有较大的影响。高宽比越大，切向刚度越小，轮胎的耐磨性就越差。因此，对那些本来切向刚度就较小的轮胎，如斜交线轮胎，应尽量选用小一些的高宽比[1]。3.2　充气压力
充气压力对轮胎磨损的影响主要体现在以下几个方面:
a .　侧偏刚度轮胎的气压越低，则其侧偏刚度越小，在一定横向力作用下其滑移角就越大，因此磨损也就越大。
b .　轮胎与路面间的实际接触面积较低的气压可使轮胎与路面间的实际接触面积增大，降低胎面上的平均接触压力，可减少磨损。但低气压在增加接触面积的同时，也增加了轮胎与路面间接触区
域的长度，从而加大了轮胎的希思科特滑移[3]，使轮胎磨损加剧。
c.　轮胎与路面间的接触压力分布如果轮胎气压过高，则轮胎的胎冠部将明显突出，使胎冠部的磨损加剧。相反，如果轮胎的气压过低，则由于胎侧刚度的影响，胎肩部的压强将增大，而胎冠部的压强将减小，形成所谓的“桥式效应”，从而使胎肩部的磨损加剧，而胎冠部的磨损减轻。
d.　弹性滞后损失和轮胎温升低气压的轮胎在滚动时将使轮胎橡胶产生较大的弹性变形，使轮胎由弹性滞后而引起的滚动阻力增加，发热加剧，从而使轮胎的工作温度升高，并加剧轮胎的机械-化学腐蚀磨损。
轮胎磨损3.3　轮胎载荷
根据阿查德磨损定律[3]，当其它参数不变时，磨损量与载荷成正比。载荷越大，轮胎与路面间的接触压力就越大，轮胎的磨损就越严重。但载荷对轮胎磨损的影响主要还不在于它使轮胎与路面间的接触压力增大，而在于它使轮胎在驱动、制动及转向时的切向力显著增加，切向力是引起轮胎磨损的最主要因素。研究表明，切向力F和轮胎磨损率RW之间的关系可用下式表示[1]:
R W=kF n(1)式中,k为比例系数，它与轮胎的刚度成反比;n 为指数，当F为横向力(转向)时,n取为2.3；当F为纵向力(驱动或制动)时,n取为2.0。由于轮胎的横向刚度比其纵向刚度小，当载荷大小一样时，横向力产生的轮胎磨损约为纵向力的3倍[4]。因此，减小转向时的横向力对减少轮胎磨损来说非常重要。
作用在轮胎上的载荷增加还会使轮胎滚动时的弹性滞后损失增加，并加剧轮胎与路面间的摩擦，使轮胎的发热量加大，温升增加，从而加剧轮胎的机械-化学腐蚀磨损。过大的载荷还会使轮胎产生与缺气时一样的“桥式效应”，即胎肩部磨损过多，而胎冠部磨损较少。
3.4　速度
速度对轮胎磨损的直接影响并不大，它主要通过下述两个方面来影响轮胎的磨损:
a.　轮胎的温度　速度越高，轮胎在单位时间里的摩擦发热量越大，轮胎的温度也就越高，将加速轮胎的机械-化学腐蚀磨损。
b.　切向力　高速时轮胎在制动和转向过程中的切向力将显著提高。以转向为例，设分配在轮胎上的惯性质量为M，道路的转弯半径为R，轮胎的速度为V，则轮胎转向时作用在其上的离心力F为:
F=M V2/R(2)将式(2)代入式(1)，并取n=2.3，可得:
R W=kM2.3R-2.3V4.6(3)即轮胎在转向时的磨损率大约与速度的5次方成正比。因此，为了减少轮胎的磨损，汽车转向时一定要降低车速。
3.5　前束和外倾角
当车轮具有一定的前束或外倾角后，在垂直载荷的作用下就会产生侧向力，使车轮有侧向滑移的倾向。但由前束和外倾角产生的侧向力方向是相反的，如果前束和外倾角选择得合适，就可使作用在轮胎上的合成侧向力减至最小，使它们对轮胎磨损的影响程度降至最低。当前束过小(负前束)或外倾角过大时，轮胎外侧的磨损就要明显比内侧严重；当前束过大或外倾角过小(负外倾角)时，轮胎内侧的磨损就要明显比外侧严重。
3.6　胎面橡胶性能
研究表明，对耐磨性有影响的橡胶性能很多，如其璃态转变温度、炭黑含量、弹性模量、硬度、抗拉强度及疲劳强度等。每种性能对橡胶耐磨性的影响情况还和路面状况及环境条件等有关。过去的研究主要强调璃态转变温度和炭黑含量对橡胶磨损的影响。一般认为，璃态转变温度越低，炭黑含量越少，橡胶的弹性就越好，就越容易发生弹性磨损而不易发生塑性磨损。环境温度越高，路面粗糙度越小，弹性磨损就越严重。而如果璃态转变温度高，炭黑含量多，就说明橡胶的弹性差，此时橡胶较易发生塑性磨损而不易发生弹性磨损。环境温度越低，路面粗糙度越大，塑性磨损就越严重。用此方法虽然能解释许多橡胶磨损现象，但其存在诸多缺点。近年来人们通过研究发现了一个与橡胶磨损性能关系更为密切的性能参数，即橡胶在0℃时的损耗模量E″，该参数直接反映了橡胶的弹性滞后性能。E″大，说明橡胶的弹性滞后损失大，弹性差，较易发生塑性磨损而不易发生弹性磨损;E″小，说明橡胶的弹性滞后损失小，弹性好，橡胶较易发生弹性磨损而不易发生塑性磨损。采用0℃时的损耗模量是因为测量时的应变率低，而轮胎实际工作时的应变率高，较低的测量温度可补偿应变速率上的差异。虽然E″的值可直接通过实验测出，但研究表明，其值的大小主要取决于橡胶的璃态转
变温度和炭黑含量，它们之间存在一种定量关系。璃态转变温度越高，炭黑含量越大，橡胶的E ″就越大。图5是试验后获得的E ″与磨损率之间的关系曲线。高温时E ″的减小对轮胎磨损影响较严重，而低温时E ″的增加对轮胎磨损的影响较严重[5]
。
图5　E ″与磨损率的关系
3.7　路面状况
路面状况对轮胎磨损的影响除与路面材料本身的性能(如硬度、强度、韧性等)有关外，还与路
面的形貌有关。根据研究问题的着眼点不同，路面形貌可分为宏观形貌、微观形貌和中间形貌三种。
路面的宏观形貌主要指路面的纵横坡度和弯曲度等。汽车在上、下坡多的路面上行驶时，轮胎会经常处于驱动或制动状态，对轮胎磨损不利。较大的路面拱度除会使轮胎载荷分配不均外，还会加大作用在轮胎上的横向力，使轮胎产生不均匀磨损或单边磨损。汽车在弯曲道路上行驶时作用在轮胎上的离心力会使轮胎磨损急剧增加。试验表明，轮胎在需经常驱动、制动或转向的城市道路上行驶时的磨损率约为它在很少需驱动、制动及转向的高速公路上行驶时的磨损率的32倍。图6是用模拟试验获得的磨损量与行驶里程之间的关系[6]。试验条件为先在高速公路上行驶765km ，然后再在城市道路上行驶40km ，如此循环下去。从图中可以看出，轮胎在城市道路上行驶时的磨损率(即图中曲线的斜率)要比在高速公路上行驶时的磨损率高出许多。
路面中间形貌又可称为路面波纹度。由于磨损的作用，路面波纹度会不断增加。研究表明，路面波纹度对轮胎磨损的影响不是很大[1]。一般来说，随着路面波纹度的增加，轮胎的磨损会略有增加。
路面的微观形貌是指路面粗糙度，路面粗糙度对轮胎磨损的影响较大。一般来说，路面粗糙度越大，轮胎的塑性磨损就越严重；而路面粗糙度越小，轮胎的弹性磨损就越严重。研究表明，路面粗糙度
除和路面种类有关外，还受天气和季节的影响。当天刚下过雨时，由于路面受雨水中所含的酸性物质(如CO 2、SO 2)浸蚀，其粗糙度将明显提高。以后
在轮胎的抛光作用下，路面粗糙度将逐渐恢复正常。冬季路面的平均粗糙度要明显高于夏季[5]
。
图6　磨损量与行驶里程之间的关系
3.8　其它因素
由于温度升高后会使橡胶的抗拉强度、剪切强度、疲劳强度等下降，并加剧机械-化学腐蚀磨
损，因此温度越高，轮胎的磨损越快。但温度对不同种类磨损的影响程度是不一样的。由于高温将使橡胶的弹性增加，因此温度对弹性磨损的影响要明显比塑性磨损的严重。图7是根据试验结果拟合出的轮胎磨损率随胎面温度变化的关系[1]。当下过大雨后，由于雨水的冲刷和浸蚀作用，路面粗糙度要明显提高。因此下过大雨后测出的轮胎磨损率要比仅下过小雨后测出的轮胎磨损率高
。
图7　轮胎磨损率随胎面温度变化的关系由于汽车在转向过程中作用在前轮上的横向力要比后轮上的大，因此，如果汽车采用前轮驱动的话，则前轮不但在转向过程中要比后轮产生更多的磨损，而且在驱动过程中也要比后轮产生更多的磨损。前轮驱动时前轮的磨损率约为后轮的2.27倍
[1]
。如果汽车采用后轮驱动，则前轮在转向过程
汽车齿轮行业10年技术进展
国家齿轮产品质量监督检验中心　张敬武　李　玲
  【A bstract】Achiev ement in technical prog ress of automobile gear business in ten years in this country is generalized from the view of automobile gear product quality supervision and inspection.M eanwhile,the gap that we lag behind w ith respect to automobile gear manufacturing in comparison with developed countries is also found out and the technical status quo of automobile gear business as well as future development trend is pointed out.
【摘要】从汽车齿轮产品质量监督检查的角度，综述了我国汽车齿轮行业十年来在技术进步方面所取得的成果，同时也出了与发达国家在汽车齿轮制造方面的差距，指出了我国汽车齿轮行业的技术水平和
今后的发展趋势。
Topic words:Motor vehicle,Gear,Technics,Development
主题词：汽车　齿轮　技术　发展
1　1989年～1998年汽车齿轮产品抽查检验结果的分析
1.1　产品质量监督抽查的目的
产品质量监督抽查是国家对企业产品质量进行宏观控制的主要手段之一。通过检查，力求能客观地反映产品质量的真实水平及存在的问题，为主管部门提供可靠的质量信息。10年来的国家监督抽查实践证明，它对提高全行业产品质量水平具有显著的促进作用。
1.2　检验方法及结果
抽样方法、依据标准、检验项目、判定准则等严格按国家相关标准的要求进行。历年年检结果见表1所列。
中产生较多的磨损，而后轮在驱动过程中产生较多的磨损。因此前后轮的磨损率大致是一样的。
汽车转向时为了保证每个车轮在理论上都是作纯滚动而不发生侧向滑移，左、右轮的转角必须满足由阿克曼原理确定的关系式[7]。但由于车轮定位角的不同、侧向力的作用以及行驶系统的弹性等，实际汽车的左、右轮转向角很难完全满足上述关系。所以实际汽车转向时，其转向轮总是存在着由非纯滚动而引起的侧向滑移。偏离阿克曼曲线的程度越大，转向轮的磨损就越严重。
此外，汽车上许多零部件在制造过程中产生的误差、使用过程中产生的磨损、变形等也会影响轮胎的磨损。如当车桥上下方向弯曲时，会使车轮产生外倾的效应。车桥前后方向弯曲时，会使车轮产生前束的效应。车轮动平衡不好时，由于不平衡的离心力作用，轮胎会产生偏磨损。
4　结束语
通过以上的论述可知，轮胎与路面摩擦时产生磨损的机理主要有弹性磨损、塑性磨损和机械-化学腐蚀磨损三种。轮胎结构、充气压力、轮胎载荷、速度、前束和外倾角、胎面橡胶性能及路面状况是影响轮胎磨损的主要因素。另外，轮胎的行驶温度，汽车驱动方式，左、右车轮转向角偏离阿克曼曲线的程度，汽车上其它零部件的制造误差、磨损和变形等都对轮胎的磨损有一定的影响。
参考文献
1　Veith A G.A Review of Impo rtant Factors Affecting Treadwear.Rubber Chemistry and Technology,1992, 65(3)
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5　Veith A G.Tire Treadwear———The Joint Influence of Com-pound Properties and Environmental Factors.Tire Science and Technology,1995,23(4)
6　Stalnaker D et al.Indoor Simulation of Tire Wear:Some Case Studies.Tire Science and Technology,1996,24
(2)
7　陆风仪等.汽车前轮轮胎异常磨损问题的探讨.太原重型机械学院学报,1997,18(2)
(责任编辑　路　人)修改稿收到日期为1999年3月10日。
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