輪胎的摩擦與滾動阻力

網野直也

（橫濱橡膠株式會社 輪胎材料開發部，日本 神奈川縣 254-8601）

汽車因輪胎滾動阻力而多消耗汽油。汽油燃燒排出的溫室氣體量有85%以上是因滾動阻力。因此降低滾動阻力是輪胎開發最重要的環境對策。本文分析輪胎滾動阻力的產生機理，并介紹降低滾動阻力和提高摩擦力的方法。

1 輪胎滾動阻力的產生機理

輪胎產生滾動阻力主要有3個原因：（1）輪胎變形時其構成材料的能量損失；（2）輪胎與路面摩擦產生的阻力；（3）輪胎受到的空氣阻力。

輪胎與路面接觸會產生變形，由于輪胎具有彈性復原力，復原力越大，則滾動阻力越小，反之彈性復原不了就會產生能量損失，滾動阻力就增大，因此能量損失取決于輪胎構成材料的滯后損失。變形能量損失引起的阻力占輪胎行駛阻力的90%。為減小輪胎變形而導致的構成材料能量損失，可以采用輪胎接地變形量小、體積小或能量損失小的材料，例如提高輪胎充氣壓力使輪胎變形小而降低滾動阻力，或是減薄胎面，使變形橡膠的體積減小而降低滾動阻力。但是，提高輪胎充氣壓力會降低吸收路面對輪胎的沖擊力，影響乘車穩定性，減小胎面膠厚度又會影響輪胎磨耗壽命，因此研究能量損失小的材料特別是對橡膠的研究正受到關注。能量損失與橡膠的損耗因子（tanδ）相關。輪胎的變形速度與其運行頻率是等同的，例如周長2 m的輪胎，以80 km·h-1的速度運行時頻率約為11 Hz，但嚴格地說這種變形波被認為是輪胎接地時產生的脈沖波。因此近年來也建議用橡膠試片進行脈沖波變形測定，這比以往用正弦波測定更與實際輪胎滾動阻力有較好的相關性。

2 橡膠的摩擦機理

輪胎行駛的路面必有無數的突起，橡膠比突起軟很多，橡膠胎面就包覆了路面的突起，同時克服突起而前行。由于橡膠胎面是粘彈性材料，不能迅速恢復彈性，這就產生了能量損失的抵抗力，叫作摩擦滯后。這種受路面突起而產生橡膠周期變形的能量損失可以用粘彈性理論來計算。例如Moore把橡膠的變形假設為Voigt（粘彈性方程）模型，其等間隔排列的圓柱在橡膠上轉動的摩擦滯后（FH）用下式表示。

式中，C為常數，δ0為變形振幅，E′為彈性模量。如果δ0適用于Hertz的接觸理論，則式（1）可改為 下式。

式中，K為常數，根據以上兩式看出，FH隨著橡膠的tanδ增大而增大。輪胎在路面上滑動時，由路面突起產生的橡膠變形頻率為103～106Hz，因此如果要增大FH，則只要增加103～106Hz的tanδ即可；如果希望影響滾動阻力，則可以在維持10 Hz附近的tanδ時增加103～106Hz的tanδ，這能使滾動阻力與摩擦力共存。

兩固體摩擦接觸部分產生的抓著力必須切斷，這個切斷力就是摩擦力（FA），則FA可用真實接觸面積（A）與材料的應力（S）的關系式表示。

在濕路面上，摩擦的抓著效果很小，為了使汽車上安裝的制動防抱死系統（ABS）能適當控制輪胎與路面的滑行速度，則需要適當提高路面與輪胎接觸的抓著力。白炭黑膠料比炭黑膠料有更高的摩擦力，這在濕路面的摩擦以及低滑速的領域都可觀測到。

炭黑或白炭黑填充丁苯橡膠（SBR）膠料的tanδ與頻率（f）的關系曲線如圖1所示。

圖1 SBR膠料的tanδ-lg f曲線

從圖1可以看出，隨著摩擦力的增大，白炭黑填充膠料的滾動阻力降低。因此目前很多節能輪胎使用填充白炭黑的胎面膠。

3 炭黑和白炭黑的補強機理

炭黑與白炭黑填充膠料的不同特性是由于炭黑和白炭黑在橡膠中的分散狀況不同所致。本工作采用小角X線散射法（SAXS）、超小角X線散射法（USAXS）和超小角中性子散射法（USANS）測定炭黑和白炭黑在橡膠中的分散程度。

3.1 測定方法

結合SAXS，USAXS和USANS三種測試方法，在波數（q）從0.000 3～1.5 nm-1，即4 nm～20 μm波長范圍內得到炭黑和白炭黑從表面到內部的微觀結構。q與X線波長（λ）和散射角（θ）的關系式 如下。

SAXS和USAXS分析采用馬克科學公司生產的M18XHF-SRA（標板為銅）分析儀，USANS分析儀為日本原子能研究所產品。USAXS和USANS分析時使用了Bonse Hant像機。像機首先用X射線照射鍺和硅等完全單晶體，根據X線在結晶面之間的反射而形成的高單色性和平行性的X線束對試樣進行照射，然后把試樣上散射的X線再照射到分析器的單結晶上，嚴格來講只檢出結晶面內滿足于散射條件的散射X線。將分析器的單結晶順序轉動則觀測到散射X線可分光。據此能檢出直接射線附近的微小角散射X線以及中性子線。SAXS分析采用石墨單色光鏡試樣及檢出器間距為2 m的像機，散射曲線用空氣散射、吸收及裂幅等影響修正。橡膠試樣為過氧化物硫化的填充炭黑N339（粒徑13 nm，體積分數為0.20）或白炭黑（粒徑8 nm，體積分數為0.20）的聚異戊二烯橡膠（IR），白炭黑中添加了其用量8%的硅烷偶聯劑。

3.2 散射曲線

炭黑或白炭黑填充IR膠料的散射曲線如圖2所示，透射電子顯微鏡（TEM）照片如圖3所示。

圖2 IR膠料的散射曲線

圖3 IR膠料的TEM照片

從圖2可以看出，對于炭黑填充的IR膠料，在比q為0.2 nm-1更寬的廣角側，可以觀測到反映炭黑表面凹凸的直線區域，其斜率為－3.4。在直線區域小角側上可以看到因炭黑形狀而引起的肩部[見圖2（a）中的標注a]。這個肩部的位置處在炭黑一次粒子同樣分布時的散射曲線更偏的小角側。在圖3的TEM照片中炭黑粒子是連接著的，所以這個肩部表示多數一次粒子聚集體，其小角側坡度處在斜率為－2.3的直線區域，因此認為炭黑粒子是以聚集體為基本單位而形成的抱團結構。對于白炭黑填充的IR膠料，在q為0.5 nm-1附近[見圖2（b）中的標注b]可以看到由白炭黑基本粒子產生的峰值，在此峰的廣角側可以觀測到斜率約為－4的直線區域，此區域是根據白炭黑的表面性質而形成的，其斜率－4表示白炭黑粒子具有表面平滑的球體，同時在q為0.04～0.2 nm-1范圍內觀測到斜率為－2.2的直線區域，這表示形成了白炭黑粒子聚集體抱團結構。但這個抱團區域的q點在0.01邊的上限，因此白炭黑粒子只有數百納米，其次在小角側再次觀測到斜率為－4的直線，這也可以推斷IR與材料之間存在明確界面結構。總之在白炭黑填充IR膠料中沒有像炭黑那樣形成大的聚集體，且僅分布數百納米的聚集體。

3.3 炭黑和白炭黑填充橡膠的內部結構模型

炭黑和白炭黑的分散結構模型如圖4所示。

圖4 炭黑和白炭黑的分散結構模型

從散射曲線可知IR填充的炭黑粒子聚集體是旋轉橢圓體的形狀，以此為基本單體可形成20 μm以上的抱團結構。炭黑形成網絡結構，因此橡膠中的炭黑就形成如圖4（a）所示的結構；另一方面白炭黑填充的IR中也形成白炭黑粒子的聚集體，并形成抱團結構，程度可高達數百納米，因此白炭黑填充的IR膠料的結構如圖4（b）所示。以圖4結構為模型，用有限元法算出微小變形的模量，則白炭黑填充橡膠的模量較低，這是因為其在橡膠中的分布與炭黑不同，白炭黑填充的橡膠易隨變形而分布，特別是當接地面積增大時摩擦的凝著項就會增加，同時變形中的白炭黑聚集體之間不易產生摩擦，則可減小橡膠的滯后損失。

4 結語

今后對輪胎的開發要求進一步減小滾動阻力，同時又必須保持或提高摩擦力。一種方法就是采用白炭黑填充的橡膠，因為白炭黑在橡膠中的分布與炭黑不同，從而可以減小滯后損失，同時提高摩擦力。

從摩擦學角度來看，雖然在調查接地狀態以及表面和界面的狀態并與摩擦力進行對比方面已做了大量工作，但對于橡膠這種在摩擦中有很大變形的材料，對其內部結構的分析也非常重要。