影响轮胎湿地抓着性能的因素分析
自欧盟轮胎标签法规颁布以来，增强轮胎的湿地抓着性能的同时不增加滚动阻力已成为轮胎设计的首要研究方向，特别引起出口欧盟轮胎企业的高度重视。本文着重从轮胎生产配方方面、轮胎胎面花纹方面以及湿滑道路等方面来分析影响轮胎湿地抓着性能的因素。
标签：轮胎；湿地抓着性能；影响因素
0 引言
在汽车行驶过程中轮胎直接与路面接触，轮胎的制动性能在很大程度上决定了车辆的安全性能，因此良好的轮胎性能是行驶安全性与可操控性的保证。新的欧盟法对乘用车胎替换轮胎的三大基本性能：滚动阻力、抗湿滑和噪声提出了更加高的标准。自其颁布以来，越来越多的地区和国家对汽车轮胎的性能指标提出了更高的要求。抗湿滑性是指轮胎在湿路面上的抓着性能，湿摩擦力越大，抗湿滑性能越好，它是衡量轮胎行驶的安全性、尤其是在雨天行驶安全性的重要指标[1]。所以增强轮胎的湿地抓着性能的同时不增加滚动阻力已成为轮胎设计的首要研究方向，特别引起出口轮胎到欧盟的企业的高度重视。
汽车高速行驶在潮湿路面时，路面覆盖的水膜会产生滑水压力，滑水压力使轮胎与路面的接触力降低，从而使轮胎的牵引效率和轮胎与路面的附着系数下降。图1所示为轮胎发生部分滑水的三区域状态。区域A为水膜区，在这个区域轮胎下的水膜产生的流体动压力足以把胎面举起，从而使得胎面与地面完全脱离；区域B为过度区，积水快速流动，轮胎与路面间存在薄膜水层，由于水的黏性作用而使轮胎与地面不完全接触；C区为牵引区，不存在水膜，轮胎完全与地面接触。这三个区域的比例是动态变化的，基本趋势是随着汽车行驶速度的提高，水膜与轮胎产生的动态水压抬升轮胎，A区和B区沿着和运行相反的方向扩大，C区变得越来越小。当接触区减少到零时，轮胎发生完全水滑现象。此时的行驶速度相即为轮胎的临界水滑速度[2]。由轮胎的出现滑水现象的机理可知，轮胎胎面的配方设计、轮胎胎面花纹、路面粗糙度等因素对轮胎的抗湿滑能力均有重要影响。
1 橡胶配方设计对轮胎湿地抓着性能的影响
1.1 橡胶基体本身对轮胎湿地抓着性能的影响
橡胶配方设计是决定轮胎的抗湿滑性能的一个关键因素。橡胶基体本身的粘性模量和抗湿滑性之间有很密切的相关性，对轮胎的湿抓着性和滚动阻力起着重要的作用。通常橡胶胶
料的玻璃化温度（Tg）越高，其湿抓着性越好，但同时其滚动阻力也越大。大量研究表明，通过在传统橡胶中并用少量极性橡胶，如橡胶、氯丁橡胶等，可改善胶料的湿抓着性并保持较低的滚动阻力；Grosch等人通过研究几种纯橡胶的湿摩擦系数随着温度速度的变化，在常温下和滚动速度一定时，胎面胶的抗湿滑性大小为顺丁胶<天然橡胶<丁苯胶[3]。丁苯胶的力学性能略差，但其具有较低的生热和较好的湿抓着性。顺丁胶的耐磨性能最好，因此商业化的乘用车高性能轮胎胎面采用顺丁胶与丁苯胶按配方混合使用，提高了轮胎抗湿滑性能的同时，耐磨性能也没有明显的降低。丁苯胶分为乳聚丁苯胶（E-SBR）和溶聚丁苯胶（S-SBR）。S-SBR作为一种新型胶具有不含凝胶、线性度高、纯净、非橡胶成份少以及相对分子质量分布窄等特点，它的生热和滚动阻力性能都优于E-SBR。牟守勇[4]等人通过测得S-SBR和E-SBR随温度的变化曲线显示S-SBR的tanδ（动态滞后损失）在0°C时比E-SBR的高，而60°C时tanδ比E-SBR低。在0℃左右，tanδ值较高可使轮胎具有较高抗湿滑性；在60℃左右，tanδ值较低的胎面胶料可使轮胎具有较低滚动阻力，所以更多的使用溶聚丁苯代替乳聚丁苯去提高轮胎的抗湿滑性能。
1.2 填料种类对抗湿滑性能的影响
研究发现，胎面胶料的动态特性和轮胎在微观尺度上的弹性流体动力润滑性能共同影响轮胎在路面上的抗湿滑性。填料不仅是为了降低胶料成本和提高拉伸强度意义上的“填充剂”，填料实际对上对轮胎性能起到了决定性的作用[5]。炭黑是一种无定形碳，是由烃类化合物液态或气态经不完全燃烧或热裂解制成，在橡胶工业作为重要的填充补强剂。王梦蛟首次研究了白炭黑补强胶料抗湿滑性能比炭黑优越的原因。他认为由于白炭黑填料表面含有大量的极性基团，白炭黑填料粒子之间有较强烈的相互作用，因此在湿条件下，水能够穿过橡胶吸附到白炭黑粒子的表面上。在轮胎发生部分滑水的过程中，橡胶填料在不同的滑水区域中对抗湿滑性能的影响也是不同的。在A区胎面中的填料在是通过影响水膜厚度起作用的[6]。由于白炭黑产生比较薄的水膜，轮胎覆盖到路面所须时间相对较短，因此在A区白炭黑的抗湿滑性能优于炭黑。在流体动力学润滑条件下，添加白炭黑填料的胎面胶比炭黑胎面胶的摩擦力大很多，由此可以断定白炭黑胶料在B区的摩擦系数较高。所以要在不同区域状态下对填料在胎面中的抗湿滑性影响要单独考虑。据此，过渡区为主的条件下，白炭黑胎面胶可得到较好的抗湿滑性能。在牵引区为主的条件下，炭黑胎面胶对抗湿滑性更有利。橡胶的填料除了炭黑以外，还有粘土、淀粉等。梁桂花等人研究发现采用乳液共沉法制备的淀粉部分取代炭黑的淀粉炭黑复合材料，引入淀粉可以降低材料的滚动阻力并提高
抗湿滑性能。但是由于淀粉具有较大的粒径，降低了复合材料的拉伸应力和耐磨性，影响了实际的应用[7]。
2 胎面花纹对轮胎湿附着性能的影响
轮胎外部的橡胶层定义为胎面，它由基部橡胶薄层和顶部橡胶单元即胎面花纹块（条）组成，胎面花纹轮是实现轮胎和路面相互作用的媒介。在有积水的路面上，胎面花纹是决定轮胎摩擦力大小的重要因素，因为花纹沟槽既是排水的通道和也是临时贮水的空间，同时其边缘还能够将路面水膜切断。当车辆行驶在水湿路面上时，胎面花纹将在水膜区的水从花纹沟导出，过渡区则由花纹边缘和细缝线除去水膜，在牵引区通过花纹与路面的接触而提高抓着力。虽然胎面花纹看似简单，但是胎面花纹却对轮胎的地面的抓力、抗滑水性能和直线行驶稳定性产生很大的影响[8]。特别是对轮胎抗滑水性能更具有重要影响，在轮胎发生滑水的现象时，胎面花纹直接决定着轮胎、路面、水膜之间的压力分布、相互作用特性，以及排水效率。在湿滑路面上，带有简单花纹的轮胎速超过50km/h时，胎面与路面的摩擦力发生明显下降，100km/h时就会发生完全滑水。另外花纹发生磨损的轮胎，发生滑水现象的临界速度会更低[9]。张彦辉等人通过数学建模的分析方法，研究了楔角和胎面花
纹对胎面压力分布的作用，即楔角是通过改变液膜厚度分布从而影响胎面单元的压力分布[10]。根据对光滑胎面单元和带不同花纹的胎面单元的液体压力的测试结果来看，花纹对胎面单元的液体压力影响较大。相对光滑平面、斜对角花纹、抛物线型花纹，在相同的外部条件下交叉花纹胎面单元在湿附着性能上更有优势；胎面花纹的楔角越大，胎面的湿牵引性越好，并且随着楔角的增大，交叉花纹相比其它花纹的优势更加明显。由此结论可通过如下方式对胎面进行优化来提高轮胎的湿地牵引性：1）合理安排花纹各沟槽的尺寸，增大胎面花纹的贮水和排水能力；2）改变胎面花纹的图案，如在粗花纹上刻细花纹，为水从接触区域排出提供更多的通道；3）保证胎面花纹的深度，若太浅将影响其贮水和排水能力。
3 道路条件对轮胎湿附着性能的影响
现代道路对路面的安全、经济、舒适的功能和使用品质都具有较高的标准，而其中最重要的就是路面的安全性能。路面宏观结构和路面的微观形貌是影响路面的抗滑特性主要因素。从宏观角度分析，可以在路面上设计一些沟槽、坡度来提高排水能力，能明显的提高路面的抗滑性，从而能降低车辆的滑水风险。研究表明，增大路面凹槽的深度和宽度，减小凹槽之间间距可提高水膜流散的速度，降低滑水风险，但对车辆行驶品质和降噪方面有
一点影响。路面的微观纹理主要由石材、沙料、混凝土、沥青等本身微观形状、颗粒大小及棱角等所构成。路面微观构造是路面摩擦力的大小决定性因素，粗糙度越大的微观形貌，路面的摩擦力越大。在潮湿的路面状态下，当汽车低速行驶在潮湿路面时，车轮路滚动下的路面积水能够被微观构造所容纳并挤压，使胎面与路表直接接触，保证摩擦阻力不会降低；当车速较高时，则要依靠路面的宏观形貌来排除车轮下的路面积水，保障轮胎和路面的接触面积，避免形成水膜。通过对路面微观和宏观形貌的合理设计，在高速状态下时仍然保证微观构造提供的低速抗滑力能发挥作用。
由于道路上泥土、沙砾等杂质的存在，大量的固体颗粒会不可避免存在于水膜中，从而影响了轮胎的滑水性能。水膜中的固体颗粒通过改变液体的粘度、温度等物理特性，对轮胎与路面接触区域胎面单元的受力和变形造成了影响。车辆行驶在湿滑路面上时，胎面下的液膜厚度不断下降，固体颗粒浓度越大，胎面花纹穿过液膜与地面接触所需的时间越长，胎面的湿附着性能就越差，从而影响车辆在湿滑路面上的行驶安全性。
4 结束语
随着欧盟轮胎标签法规的实施和为了保障车辆以及行人的安全，提高轮胎的湿附着性能已
经成为各大轮胎制造厂商急切解决的问题，同时各大标准对轮胎的摩擦力的要求更为苛刻。通过前文的分析：轮胎配方设计、胎面花纹、路面条件对轮胎湿附着性能有明显的影响。外载荷对胎面单元的压力、路面上的水膜厚度和汽车行驶速度也是影响胎面单元湿附着性能的因素。
参考文献：
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[10]Kumar S S， Kumar A， Fwa T F. Analyzing Effect of Tire Groove Patterns on Hydroplaning Speed[J]. Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies， 2010， 8： 2018-2031.
基金支持：国家质检公益性科研专项《轮胎安全环保关键技术与质控体系研究及应用》（201410067）
降噪轮胎
作者简介：刘琪（1982-），男，山东青岛人，助理工程师，主要从事轮胎检测方面工作。