轮胎的摩擦与滚动阻力

网野直也

（横滨橡胶株式会社 轮胎材料开发部，日本 神奈川县 254-8601）

汽车因轮胎滚动阻力而多消耗汽油。汽油燃烧排出的温室气体量有85%以上是因滚动阻力。因此降低滚动阻力是轮胎开发最重要的环境对策。本文分析轮胎滚动阻力的产生机理，并介绍降低滚动阻力和提高摩擦力的方法。

1 轮胎滚动阻力的产生机理

轮胎产生滚动阻力主要有3个原因：（1）轮胎变形时其构成材料的能量损失；（2）轮胎与路面摩擦产生的阻力；（3）轮胎受到的空气阻力。

轮胎与路面接触会产生变形，由于轮胎具有弹性复原力，复原力越大，则滚动阻力越小，反之弹性复原不了就会产生能量损失，滚动阻力就增大，因此能量损失取决于轮胎构成材料的滞后损失。变形能量损失引起的阻力占轮胎行驶阻力的90%。为减小轮胎变形而导致的构成材料能量损失，可以采用轮胎接地变形量小、体积小或能量损失小的材料，例如提高轮胎充气压力使轮胎变形小而降低滚动阻力，或是减薄胎面，使变形橡胶的体积减小而降低滚动阻力。但是，提高轮胎充气压力会降低吸收路面对轮胎的冲击力，影响乘车稳定性，减小胎面胶厚度又会影响轮胎磨耗寿命，因此研究能量损失小的材料特别是对橡胶的研究正受到关注。能量损失与橡胶的损耗因子（tanδ）相关。轮胎的变形速度与其运行频率是等同的，例如周长2 m的轮胎，以80 km·h-1的速度运行时频率约为11 Hz，但严格地说这种变形波被认为是轮胎接地时产生的脉冲波。因此近年来也建议用橡胶试片进行脉冲波变形测定，这比以往用正弦波测定更与实际轮胎滚动阻力有较好的相关性。

2 橡胶的摩擦机理

轮胎行驶的路面必有无数的突起，橡胶比突起软很多，橡胶胎面就包覆了路面的突起，同时克服突起而前行。由于橡胶胎面是粘弹性材料，不能迅速恢复弹性，这就产生了能量损失的抵抗力，叫作摩擦滞后。这种受路面突起而产生橡胶周期变形的能量损失可以用粘弹性理论来计算。例如Moore把橡胶的变形假设为Voigt（粘弹性方程）模型，其等间隔排列的圆柱在橡胶上转动的摩擦滞后（FH）用下式表示。

式中，C为常数，δ0为变形振幅，E′为弹性模量。如果δ0适用于Hertz的接触理论，则式（1）可改为 下式。

式中，K为常数，根据以上两式看出，FH随着橡胶的tanδ增大而增大。轮胎在路面上滑动时，由路面突起产生的橡胶变形频率为103～106Hz，因此如果要增大FH，则只要增加103～106Hz的tanδ即可；如果希望影响滚动阻力，则可以在维持10 Hz附近的tanδ时增加103～106Hz的tanδ，这能使滚动阻力与摩擦力共存。

两固体摩擦接触部分产生的抓着力必须切断，这个切断力就是摩擦力（FA），则FA可用真实接触面积（A）与材料的应力（S）的关系式表示。

在湿路面上，摩擦的抓着效果很小，为了使汽车上安装的制动防抱死系统（ABS）能适当控制轮胎与路面的滑行速度，则需要适当提高路面与轮胎接触的抓着力。白炭黑胶料比炭黑胶料有更高的摩擦力，这在湿路面的摩擦以及低滑速的领域都可观测到。

炭黑或白炭黑填充丁苯橡胶（SBR）胶料的tanδ与频率（f）的关系曲线如图1所示。

图1 SBR胶料的tanδ-lg f曲线

从图1可以看出，随着摩擦力的增大，白炭黑填充胶料的滚动阻力降低。因此目前很多节能轮胎使用填充白炭黑的胎面胶。

3 炭黑和白炭黑的补强机理

炭黑与白炭黑填充胶料的不同特性是由于炭黑和白炭黑在橡胶中的分散状况不同所致。本工作采用小角X线散射法（SAXS）、超小角X线散射法（USAXS）和超小角中性子散射法（USANS）测定炭黑和白炭黑在橡胶中的分散程度。

3.1 测定方法

结合SAXS，USAXS和USANS三种测试方法，在波数（q）从0.000 3～1.5 nm-1，即4 nm～20 μm波长范围内得到炭黑和白炭黑从表面到内部的微观结构。q与X线波长（λ）和散射角（θ）的关系式 如下。

SAXS和USAXS分析采用马克科学公司生产的M18XHF-SRA（标板为铜）分析仪，USANS分析仪为日本原子能研究所产品。USAXS和USANS分析时使用了Bonse Hant像机。像机首先用X射线照射锗和硅等完全单晶体，根据X线在结晶面之间的反射而形成的高单色性和平行性的X线束对试样进行照射，然后把试样上散射的X线再照射到分析器的单结晶上，严格来讲只检出结晶面内满足于散射条件的散射X线。将分析器的单结晶顺序转动则观测到散射X线可分光。据此能检出直接射线附近的微小角散射X线以及中性子线。SAXS分析采用石墨单色光镜试样及检出器间距为2 m的像机，散射曲线用空气散射、吸收及裂幅等影响修正。橡胶试样为过氧化物硫化的填充炭黑N339（粒径13 nm，体积分数为0.20）或白炭黑（粒径8 nm，体积分数为0.20）的聚异戊二烯橡胶（IR），白炭黑中添加了其用量8%的硅烷偶联剂。

3.2 散射曲线

炭黑或白炭黑填充IR胶料的散射曲线如图2所示，透射电子显微镜（TEM）照片如图3所示。

图2 IR胶料的散射曲线

图3 IR胶料的TEM照片

从图2可以看出，对于炭黑填充的IR胶料，在比q为0.2 nm-1更宽的广角侧，可以观测到反映炭黑表面凹凸的直线区域，其斜率为－3.4。在直线区域小角侧上可以看到因炭黑形状而引起的肩部[见图2（a）中的标注a]。这个肩部的位置处在炭黑一次粒子同样分布时的散射曲线更偏的小角侧。在图3的TEM照片中炭黑粒子是连接着的，所以这个肩部表示多数一次粒子聚集体，其小角侧坡度处在斜率为－2.3的直线区域，因此认为炭黑粒子是以聚集体为基本单位而形成的抱团结构。对于白炭黑填充的IR胶料，在q为0.5 nm-1附近[见图2（b）中的标注b]可以看到由白炭黑基本粒子产生的峰值，在此峰的广角侧可以观测到斜率约为－4的直线区域，此区域是根据白炭黑的表面性质而形成的，其斜率－4表示白炭黑粒子具有表面平滑的球体，同时在q为0.04～0.2 nm-1范围内观测到斜率为－2.2的直线区域，这表示形成了白炭黑粒子聚集体抱团结构。但这个抱团区域的q点在0.01边的上限，因此白炭黑粒子只有数百纳米，其次在小角侧再次观测到斜率为－4的直线，这也可以推断IR与材料之间存在明确界面结构。总之在白炭黑填充IR胶料中没有像炭黑那样形成大的聚集体，且仅分布数百纳米的聚集体。

3.3 炭黑和白炭黑填充橡胶的内部结构模型

炭黑和白炭黑的分散结构模型如图4所示。

图4 炭黑和白炭黑的分散结构模型

从散射曲线可知IR填充的炭黑粒子聚集体是旋转椭圆体的形状，以此为基本单体可形成20 μm以上的抱团结构。炭黑形成网络结构，因此橡胶中的炭黑就形成如图4（a）所示的结构；另一方面白炭黑填充的IR中也形成白炭黑粒子的聚集体，并形成抱团结构，程度可高达数百纳米，因此白炭黑填充的IR胶料的结构如图4（b）所示。以图4结构为模型，用有限元法算出微小变形的模量，则白炭黑填充橡胶的模量较低，这是因为其在橡胶中的分布与炭黑不同，白炭黑填充的橡胶易随变形而分布，特别是当接地面积增大时摩擦的凝着项就会增加，同时变形中的白炭黑聚集体之间不易产生摩擦，则可减小橡胶的滞后损失。

4 结语

今后对轮胎的开发要求进一步减小滚动阻力，同时又必须保持或提高摩擦力。一种方法就是采用白炭黑填充的橡胶，因为白炭黑在橡胶中的分布与炭黑不同，从而可以减小滞后损失，同时提高摩擦力。

从摩擦学角度来看，虽然在调查接地状态以及表面和界面的状态并与摩擦力进行对比方面已做了大量工作，但对于橡胶这种在摩擦中有很大变形的材料，对其内部结构的分析也非常重要。