胎面膠性能對(duì)轎車輪胎雪地制動(dòng)性能的影響

曹 暉，王志遠(yuǎn)，周榮杰，蔣林峰

（萬力輪胎股份有限公司 廣東省高性能綠色環(huán)保輪胎企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510080）

對(duì)轎車輪胎的冬季性能，我國(guó)有關(guān)于雪地抓著性能的試驗(yàn)方法（GB/T 33829—2017），但對(duì)結(jié)果沒有明確的指標(biāo)要求；在國(guó)際上，歐盟ECE R117法規(guī)要求，輪胎雪地抓著系數(shù)（SG）≥1.07（制動(dòng)法）或SG≥1.1（牽引法），方可在胎側(cè)上加山峰雪花標(biāo)志，才能被認(rèn)為是真正的雪地輪胎。雖然GB/T 33829—2017和ECE R117關(guān)于輪胎雪地抓著性能測(cè)試在細(xì)節(jié)方面存在差異，但均采用了雪地制動(dòng)的方法[1-2]。因此，雪地制動(dòng)性能是評(píng)價(jià)輪胎冬季性能的重要檢測(cè)項(xiàng)目。研究表明，冰面上輪胎的牽引力隨著胎面膠復(fù)數(shù)模量的增大而降低[3-5]；也有資料顯示，胎面膠在冰雪路面上的抓著性能與生膠的玻璃化溫度（Tg）以及胎面膠的硬度有較大關(guān)系[6-9]。

本工作采用相同結(jié)構(gòu)和花紋設(shè)計(jì)、不同胎面膠配方生產(chǎn)試驗(yàn)輪胎進(jìn)行輪胎雪地制動(dòng)性能對(duì)比，即主要從胎面膠動(dòng)態(tài)粘彈性能和硬度入手，研究胎面膠性能對(duì)轎車輪胎雪地制動(dòng)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

選取比較有代表性的兩組方案輪胎進(jìn)行雪地制動(dòng)性能對(duì)比分析，兩組方案輪胎測(cè)試年度不同，但均與相同的標(biāo)準(zhǔn)輪胎進(jìn)行對(duì)比；每組方案輪胎分別采用相同的結(jié)構(gòu)和花紋設(shè)計(jì)、不同的胎面膠配方（常規(guī)配方）。

第1組方案：9個(gè)不同的胎面膠配方，包含夏季胎面和四季胎面兩大類型，方案A1—A5為夏季胎面，方案A6—A9為四季胎面，方案A1—A9均采用常規(guī)夏季胎面花紋（205/55R16 H20）。

第2組方案：8個(gè)不同的胎面膠配方，包含四季胎面和冬季胎面兩大類型，方案B1—B5為四季胎面，方案B6—B8為冬季胎面，方案B1—B8均采用常規(guī)四季胎面花紋（205/55R16 SC501）。

1.2 主要測(cè)試儀器

ARES-G2型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，美國(guó)TA公司產(chǎn)品；LX-A型邵爾硬度計(jì)，上海六菱儀器廠產(chǎn)品；VBOX3i型汽車測(cè)試儀，英國(guó)Racelogic公司產(chǎn)品。

1.3 性能測(cè)試

（1）動(dòng)態(tài)粘彈性能。采用DMA儀測(cè)試，試驗(yàn)條件為：頻率 10 Hz，應(yīng)變 0.25%，升溫速率 3℃·min-1。

（2）胎面硬度。采用手持式LX-A型邵爾硬度計(jì)在輪胎胎面相對(duì)平整的位置進(jìn)行測(cè)試。

（3）雪地制動(dòng)性能。4條試驗(yàn)輪胎安裝在試驗(yàn)車輛上，試驗(yàn)車輛在規(guī)定的初始速度下行駛，然后緊急制動(dòng)，直至停止，計(jì)算車輛速度從40 km·h-1降至5 km·h-1的平均減速度。以標(biāo)準(zhǔn)輪胎性能指數(shù)為100，與標(biāo)準(zhǔn)輪胎進(jìn)行對(duì)比，得到試驗(yàn)輪胎的雪地制動(dòng)性能指數(shù)，指數(shù)越高，說明輪胎雪地制動(dòng)性能越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 雪地制動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果

輪胎雪地制動(dòng)試驗(yàn)均在黑河嘉興汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，同一組方案輪胎在3天內(nèi)完成測(cè)試，每2—3套試驗(yàn)輪胎之間進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)輪胎測(cè)試；第1組方案輪胎試驗(yàn)環(huán)境溫度為－22～－15 ℃，第2組方案輪胎試驗(yàn)環(huán)境溫度為－22～－18 ℃。第1組和第2組方案輪胎的雪地制動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果分別見表1和2。

表1 第1組方案輪胎的雪地制動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 第2組方案輪胎的雪地制動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果

從表1和2可見，對(duì)于不同類型胎面膠配方，輪胎的雪地制動(dòng)性能從高到低依次為冬季配方、四季配方和夏季配方。

2.2 胎 面膠粘彈性能對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響

對(duì)兩組方案胎面膠進(jìn)行DMA測(cè)試，分析不同溫度下膠料粘彈性能與輪胎雪地制動(dòng)性能指數(shù)的相關(guān)性。第1組和第2組方案胎面膠的DMA測(cè)試結(jié)果分別如表3和4所示，tanδ為損耗因子，E*為復(fù)合模量，E′為儲(chǔ)能模量，E″為損耗模量。

表3 第1組方案胎面膠的DMA測(cè)試結(jié)果

圖1—4所示分別為比較有代表性的夏季胎面膠（方案A2）、四季胎面膠（方案A9）和冬季胎面膠（方案B8）的tanδ-溫度、E*-溫度、E′-溫度和E″-溫度曲線。

從圖1—4可以看出：隨溫度的降低，方案A2，A9和B8胎面膠的tanδ均先提高后降低，Tg左右為轉(zhuǎn)折點(diǎn)；E*和E′均提高；方案A2和A9胎面膠的E″先提高后降低，方案B8胎面膠的E″提高。

圖1 夏季、四季和冬季胎面膠的tanδ-溫度曲線

為進(jìn)一步分析不同類型胎面膠的粘彈性能與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性，將第1組與第2組方案中四季胎面膠（簡(jiǎn)稱四季1和四季2）的Tg，tanδ，E*，E′和E″與輪胎雪地制動(dòng)性能指數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2.2.1Tg的影響

Tg是橡膠耐寒性能的重要指標(biāo)，是橡膠從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的特征溫度，Tg越低，橡膠耐寒性能越好。輪胎行業(yè)中一般用Tg來區(qū)分夏季、四季、冬季胎面膠配方，輪胎使用時(shí)的溫度通常需高于胎面膠的Tg。Tg對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響如圖5所示，R2為相關(guān)因數(shù)。

從圖5可以看出：第1組方案及第1組方案中的四季胎面膠的Tg與輪胎雪地制動(dòng)性能指數(shù)表現(xiàn)出高度相關(guān)性；第2組方案胎面膠表現(xiàn)為中度相關(guān)性，第2組方案中的四季胎面膠表現(xiàn)為無相關(guān)性。不同方案胎面膠的Tg與輪胎雪地制動(dòng)性能指數(shù)的相關(guān)性差異較大，但均表現(xiàn)出Tg越低，輪胎雪地制動(dòng)性能越好的趨勢(shì)。分析認(rèn)為：第1組方案包含了夏季和四季胎面膠配方，夏季胎面膠的Tg高于測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度，四季胎面膠的Tg在測(cè)試溫度附近，在這種情況下Tg的影響較大，因此R2較大；第2組方案為四季和冬季胎面膠配方，胎面膠的Tg低于測(cè)試溫度，滿足了橡膠處于高彈態(tài)的基本要求，因此Tg對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響相對(duì)降低；第2組方案中的四季胎面膠配方B1—B5，胎面膠的Tg相差不大，且都低于測(cè)試溫度，故Tg對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響較低。

圖5 Tg對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響

由上述分析可知，胎面膠的Tg對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響總體規(guī)律為：Tg越低，輪胎雪地制動(dòng)性能越好；但若滿足Tg低于使用溫度的基本要求，Tg對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響減弱。

2.2.2 tanδ的影響

tanδ表征材料的粘彈性，tanδ越大，代表材料的粘性越大，力學(xué)滯后越嚴(yán)重。通常用0 ℃的tanδ來評(píng)價(jià)胎面膠的抗?jié)窕阅埽瑃anδ越高，滯后阻力越大，抗?jié)窕阅茉胶谩２煌瑴囟认绿ッ婺z的tanδ與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性見圖6。

從圖6可見，各組方案胎面膠的tanδ在－30和0 ℃左右與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性較好，其中，－30 ℃表現(xiàn)為正相關(guān)，0 ℃表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。

圖6 不同溫度下胎面膠tanδ與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性

在－30 ℃，夏季及部分四季胎面膠已處于玻璃態(tài)，所表現(xiàn)出的相關(guān)性意義不大；在0 ℃，膠料的tanδ高，說明橡膠內(nèi)部滯后損失大，但輪胎雪地制動(dòng)性能反而下降。分析認(rèn)為：在低溫下，橡膠模量升高，在相同受力條件下，雖然tanδ增大，但應(yīng)變降低，實(shí)際由滯后導(dǎo)致的能量損失相對(duì)減小，滯后損失對(duì)制動(dòng)性能的影響變小；0 ℃的tanδ與輪胎雪地制動(dòng)性能表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，隨機(jī)性的可能比較大。

2.2.3 模量的影響

E*為橡膠受拉伸應(yīng)力時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之比，E*越大，說明在達(dá)成同樣變形的情況下需要的應(yīng)力越高，也說明材料剛性增大。E′反映材料受力時(shí)可逆形變所儲(chǔ)存能量的大小，E′＝E*cosδ；E″反映材料受力時(shí)不可逆形變所損耗能量的大小，E″＝E*sinδ。E′及E″同時(shí)受E*及δ的影響，單獨(dú)對(duì)比E′及E″意義不大。不同溫度下胎面膠的E*與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性見圖7。

表4 第2組方案胎面膠的DMA檢測(cè)結(jié)果

圖2 夏季、四季和冬季胎面膠的E＊-溫度曲線

圖3 夏季、四季和冬季胎面膠的E′-溫度曲線

圖4 夏季、四季和冬季胎面膠的E″-溫度曲線

由圖7可見，在－20 ℃左右，各方案膠面膠的E*均表現(xiàn)出與輪胎雪地制動(dòng)性能的高度相關(guān)性。分析認(rèn)為：隨著溫度的降低，橡膠分子鏈段活動(dòng)性減弱，達(dá)到同樣變形需要的應(yīng)力增大，E*也隨之增大；低溫時(shí)胎面膠E*越小，說明同等應(yīng)力條件下其應(yīng)變更大，一方面輪胎與地面的接觸面積增大，另一方面在不考慮tanδ的前提下，應(yīng)變大的滯后能量損失更高。胎面膠的E*越小，輪胎的雪地制動(dòng)性能越好。

圖7 不同溫度下胎面膠E＊與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性

2.3 胎面膠硬度對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響

硬度為橡膠抵抗壓針壓力的能力，反映了橡膠的軟硬程度，橡膠越軟，壓針越容易壓入，測(cè)得的硬度越低。隨著溫度的降低，橡膠的硬度逐步增大，溫度低于Tg后，橡膠的硬度會(huì)有較大幅度提高。胎面膠的硬度高，則剛性大，輪胎與地面的接觸面積減小。通常認(rèn)為在低溫環(huán)境下，橡膠的硬度越低，與地面的接觸面積越大，抓著性能越好。

第1組和第2組輪胎在不同環(huán)境溫度下的胎面膠硬度測(cè)試結(jié)果分別如表5和6所示。

表5 第1組方案輪胎不同溫度下胎面膠邵爾A型硬度 度

不同溫度范圍內(nèi)胎面膠硬度與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性如圖8所示。

圖8 不同溫度下胎面膠硬度與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性

表6 第2組方案輪胎不同溫度下胎面膠邵爾A型硬度 度

從表5和6及圖8可以看出：室溫（22 ℃左右）及較低溫度（6～10 ℃）下胎面膠硬度與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性較差，且不同方案輪胎的變化趨勢(shì)不一致，可認(rèn)為無相關(guān)性；低溫環(huán)境下第1組和第2組方案胎面膠硬度與輪胎雪地制動(dòng)性能指數(shù)的R2分別為－0.78和－0.82，為中高度相關(guān)，但對(duì)于兩組方案中的四季胎面膠R2很低，僅為－0.19和－0.07。

－20 ℃下兩組方案輪胎胎面膠硬度對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響如圖9所示。

圖9 －20 °C時(shí)胎面膠硬度對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響

四季胎面膠在－20 ℃左右的硬度在70～80度之間，硬度差異不大，可能導(dǎo)致胎面膠硬度對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響降低。分析胎面膠硬度及其對(duì)應(yīng)的輪胎雪地制動(dòng)性能可知，－20 ℃時(shí)胎面膠硬度在60～70度時(shí)，輪胎的雪地制動(dòng)性能最好，通常冬季胎面膠控制在這個(gè)硬度范圍內(nèi)；胎面膠硬度在70～80度時(shí)，輪胎的雪地制動(dòng)性能中等，通常四季胎面膠在這個(gè)硬度范圍內(nèi)；胎面膠硬度在80度以上時(shí)，輪胎的雪地制動(dòng)性能較差，通常夏季胎面膠在這個(gè)硬度區(qū)間。

室溫及較低溫度下胎面膠硬度與輪胎雪地制動(dòng)性能相關(guān)性差，可認(rèn)為無相關(guān)；低溫下胎面膠硬度與輪胎雪地制動(dòng)性能有一定相關(guān)性，低溫下胎面膠的硬度越低，輪胎雪地制動(dòng)性能越好，但若將胎面膠硬度控制在一定范圍內(nèi)，其與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性下降，甚至無相關(guān)性。

3 結(jié)論

根據(jù)兩組胎面膠粘彈性和胎面硬度與輪胎（相同結(jié)構(gòu)和花紋設(shè)計(jì)、不同胎面膠配方）雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性分析結(jié)果，胎面膠性能對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能影響的可能趨勢(shì)如下。

（1）胎面膠的Tg越低，輪胎的雪地制動(dòng)性能越好；但若滿足Tg低于輪胎使用溫度的基本要求，Tg對(duì)輪胎雪地制動(dòng)性能的影響減弱。

（2）胎面膠的tanδ對(duì)輪胎的雪地制動(dòng)性能影響不大。

（3）胎面膠－20 ℃時(shí)的E*與輪胎雪地制動(dòng)性能高度相關(guān)；E*越小，輪胎的雪地制動(dòng)性能越好。

（4）低溫下胎面膠硬度與輪胎雪地制動(dòng)性能有一定相關(guān)性，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為低溫下胎面膠硬度越低，輪胎雪地制動(dòng)性能越好；但若將低溫下胎面膠硬度控制在一定范圍內(nèi)，其與輪胎雪地制動(dòng)性能的相關(guān)性下降，甚至無相關(guān)性。