用动态粘弹性能预测轮胎使用性能 PPT课件.ppt

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1、用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 随着科技的发展，轮胎制造业不断提高轮胎的安全性、降低滚动阻力、改善操纵性和乘坐舒适性、延长使用寿命。安全性要求轮胎具有更好的湿滑/牵引性、耐久性和使用寿命(提高胎面耐磨性)。为满足技术要求，橡胶生产商开发出特种聚合物。例如：为降低轮胎滚动阻力和提高耐磨性开发出溶聚丁苯橡胶(S-SBR)和化学改性溶聚丁苯橡胶等。1用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 橡胶助剂生产商不断努力开发新的硫化体系。消除促进剂中的亚硝胺，有利于环保。使用新型抗氧剂和抗臭氧剂，改善轮胎老化性能。炭黑和其它填充剂生产商者也努力开发出性能得到改善的补强材料。以提高耐磨性并降低滚动阻力。上述进展离不开轮

2、胎试验，商业化生产前的最终优化评价仍需现场实际评价。轮胎现场试验很昂贵且评价周期长。用动态粘弹性能可预测轮胎的耐磨性、操纵性、乘坐舒适性、滚动阻力、干/湿牵引性、冰牵引性、生热及耐久性等使用性能。动态粘弹性能预测可减少为获得最佳性能而进行现场实际评价的时间和资金。2用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 基本理论原理：基本理论原理：硫化橡胶等弹性体有两个突出的特性：弹性和粘性。弹性理论研究的是应力与应变成正比而与应变率无关的理想弹性体的机械性能。虎克定律：应力=虎克定律弹性系数 应变 在应力的作用下，弹性体产生形变储存能量。去除应力，弹性体恢复原状释放能量。弹性有利于轮胎承受周期性形变后保持形状，储存

3、和释放周期性形变中输入的能量，降低滚动阻力，进而提高燃油经济效率，降低生热、改善屈挠龟裂性等。3用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 基本理论原理（续）：基本理论原理（续）：粘性理论研究的是应力与应变率成正比而与应变无关的理想粘性流体。牛顿定律：应力=粘度或粘性常数 应变率 在应力的作用下，粘性体产生形变，去除应力，形变的粘性体不能恢复原状，输入的能量化为热能或摩擦能消散。粘性有利于轮胎消除噪音和震动。提供转弯时防滑以及制动时将动能传给制动闸所要求的摩擦力等。橡胶在受力变形时既有弹性响应也有粘性行为，属于粘弹体。不同组合的四元件模型4用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 粘弹性能的重要参数：粘弹性能的重要

4、参数：动态粘弹性预测轮胎使用性能的常用基本参数如下：剪切方法：G*复数剪切模量 G*=G+G(矢量和)G:与弹性和能量储存有关。弹性剪切模量、储能剪切模量 G:与粘性能量耗散有关。损耗剪切模量 拉伸方法：E*复数法向模量 复数杨氏模量 E*=E+E(矢量和)损耗角正切（损耗因子）：Tan=G/G=E/E 柔量定义为：1/G(模量倒数)J*复合柔量 J储存柔量 J损耗柔量5用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 粘弹谱仪又称动态热机械分析仪(DMA)，是一种热分析仪。常用热分析仪有：热重仪(TG)差热分析仪(DTA)和差式扫描分析仪(DSC)高压DTA仪动态热机械分析仪(DMA)膨胀计等。研究高分子材料

5、性能、胶料配方时常用此仪器。北京化工大学，北京纺织学院，科学院化学所，北京橡胶设计研究院等有此仪器。动态力学分析仪是在程序温度下，测量物质在振动负荷下的动态模量和阻尼与温度的关系的技术。它能测出材料的粘弹性能和玻璃化转变等，这些数值对轮胎配方的研究是非常重要的。橡胶粘弹性测试的仪器很多,如强迫震动非共振类:日本产DDV-III型粘弹谱仪，频率0.01-110赫兹，温度-150-+250，试样受拉伸变形。美国PE公司DMA7e：测试频率范围0.0151赫兹，温度-170-+500 。下面以胎冠胶为例进行应用介绍。6用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 滚动阻力：滚动阻力：科学家指出50-100 下的T

6、an与滚动阻力有关。Tan值越小，耗散能越小，滚动阻力越低。选P195/75R14轮胎，制备不同Tan值的胎冠胶(结构和硫化相同)，在1.7m轮鼓上用标准方法测定滚动阻力。试验结果表明：75下的Tan值与滚动阻力成正比，值越小滚动阻力越低。7用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 湿牵引性能和湿操作性能：湿牵引性能和湿操作性能：轮胎75 下滚动变形频率约为10-100HZ，由于路面不平整轮胎滑动中决定抗湿滑的轮胎表面在室温下的微观变形频率105106HZ，高频无法测实际粘弹性，用0 下10-100HZ频率下测的Tan值与室温106HZ频率下的计算值相关。可用0 下的Tan值或损耗模量G预测湿牵引性。不

7、同Tan值的胎冠胶制作P175/70R14轮胎，用ASTM湿牵引法测量装车后轮胎的实际湿牵引性和操纵性。提高0 下Tan值或损耗模量G，使湿条件下产生摩擦作用的耗散能增大，改善湿牵引性和湿操纵性。8用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 干牵引性：干牵引性：干路面条件下的摩擦力约为湿路面条件下的3倍。60温度条件下的干路面上滑动时胎面表面的微观变形频率为105106HZ，高频无法测其实际粘弹性，室温下低频的损耗因子值与60高频的损耗因子值相关。用不同值得的胎冠胶制作P175/70R14轮胎，在84km/h测量4组轮胎的干牵引性。他与室温下的Tan或损耗柔量相关，Tan或损耗柔量越大，干牵引性越好。9用

8、动态粘弹性能预测轮胎使用特性 干操作性能和乘坐舒适性：干操作性能和乘坐舒适性：高性能轮胎须具备更优异的耐热性、耐久性、耐氧化龟裂性，同时具有更好的抗滑牵引性及操作性。改善操纵性应提高子午胎胎冠的刚性，以增大转弯系数。方法1：减少钢丝带束层的角度，但可能降低乘坐舒适性。方法2：提高胎冠胶的动态模量或硬度，以增大转弯系数。胎冠胶料：增大胶料在室温下的动态模量或复合模量，可增大转弯系数即改善轮胎的操纵性。而改善乘坐舒适性，应降低室温下动态模量或复合模量。改善操纵性=改善乘坐舒适性10用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 冰雪路面牵引性能：冰雪路面牵引性能：雪地轮胎已采用NR和BR并用配方，以获得低温的低动

9、态模量。也有采用海绵胶胎冠降低轮胎动态模量或复合模量。通过Futamura研究发现，冰面牵引性能随聚合物类型和碳黑用量不同而不同。炭黑用量的影响与聚合物类型一样大。低Tg聚合物与较低用量炭黑相结合可降低低温下的动态模量。冰面牵引性能与动态柔量关系如图。11用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 耐久性和生热性：耐久性和生热性：轮胎的耐久性与轮胎的结构、均匀性、帘布和胶料的粘合性能、胶料的物理性能和滞后作用有关，我们仅讨论胶料的滞后作用。轮胎破坏通常发生在温度较高的部位,如带束层边缘脱层或胎侧较低部位的脱空（胎圈部位）等。因此滞后作用小的胶料降低轮胎在行驶中的生热量是至关重要的。在50-100温度下胶料

10、的损耗因子较小，则在逐步加速和逐步加载试验中轮胎的耐久性得到改善。用75温度下的胶料的损耗因子Tan值表征轮胎的生热性和高速性，损耗因子小轮胎的生热低耐久性好。12用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 胎冠磨耗：胎冠磨耗：胎冠磨耗可从几个方面改善。最重要的是聚合物的种类，聚合物的玻璃化转变温度是预测磨耗的关键参数。聚合物的分子量也是一个重要参数。碳黑生产商试图提供高结构和小粒子碳黑来改善胎冠耐磨性。设计人员试图从结构设计上改善胎冠耐磨性。低温破坏能与粘弹性能有很好的相关性。降低动态模量或复合模量可增大低温破坏能。随着玻璃化转变温度Tg的提高，胶料的磨耗上升、湿抓着力也上升。13用动态粘弹性能预测轮胎

11、使用特性 新型聚合物的设计：新型聚合物的设计：根据现有聚合物的粘弹谱图与使用性能的关系，设计胎冠胶用新型聚合物-组合橡胶。这是八十年代典型的高分子设计的范例。14用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 其他应用：其他应用：曾对不同公司生产的炭黑生产的胎冠胶料进行了分析，进口炭黑为卡博特公司的N234炭黑,国产炭黑为天津炭黑厂生产的N234炭黑。从图中可以观察到不同厂商生产的同品种炭黑的差异。这些差异是无法在化学分析和常规物性检测中得到的。15用动态粘弹性能预测轮胎使用特性 试验条件的设定：试验条件的设定：根据各公司发表的相关文献得知其实验所用仪器和试验条件。不同公司/使用仪器 试验条件 拜尔公司 12

12、HZ拉伸1%三菱化工公司 10HZ拉伸1%横滨橡胶公司 20HZ拉伸2%通用轮胎公司 20-100HZ拉伸0.1-4%助友橡胶公司 10HZ拉伸1%桥石公司 50HZ拉伸1%北京橡胶院 11HZ拉伸2%北京轮胎厂 10HZ拉伸1%16用动态粘弹性能预测轮胎使用特性研究结论：研究结论：轮胎使用性能轮胎使用性能 试验室粘弹性能预测参数试验室粘弹性能预测参数 参数的期望方向参数的期望方向 湿牵引性能 0温度下的G或Tan 高 湿操纵性能 0温度下的G或Tan 高 干牵引性能 室温下的J或Tan 高 干操纵性能 室温下的G*高 滚动阻力 75温度下的Tan 低 生热性和高速性 75温度下的Tan 低 冰雪地面牵引性能 -25温度下的G或G*低 转弯系数 室温度下的G或G*高 胎冠寿命 聚合物的Tg 低 -32温度下的G或G*低 乘坐舒适性 室温度下的G或G*低17用动态粘弹性能预测轮胎使用特性参考文献：参考文献：略略18