弹性体,2002202225,12(1):70～72
CHINA ELASTOMERICS
收稿日期:2001211227
作者简介:高称意(1946-),男,河北人,北京橡胶工业研究设计院高级工程师,从事橡胶制品用骨架材料的性能研究、粘合技术研究、产品开发和标准化工作,已发表论文、译文近60篇。
轮胎用骨架材料的性能及其与轮胎性能的关系
Ⅰ 轮胎帘子线的动态力学性能
高称意
(北京橡胶工业研究设计院,北京 100039)
摘 要:全面介绍了轮胎用纤维骨架材料静态、动态力学性能,分析了纤维骨架材料的性能与轮胎性能的关系。
关键词:轮胎;纤维骨架材料;静态性能;动态性能;关系
中图分类号:TQ 336.1 文献标识码:E 文章编号:100523174(2002)0120070203
众所周知,骨架材料的性能对轮胎性能有直接、重大影响。没有高品质骨架材料,要制造出高
性能轮胎是决不可能的。不管是各国、各公司的产品标准,还是国际贸易合同,有关轮胎用骨架材料(主要是帘子布)的物理性能只列出了11项指标作为考核内容。应当说这些指标只能做为最基本的指标看待,要全面考核骨架材料的性能并判断对轮胎性能的影响,还应参考许多指标。笔者从动态、静态2个方面分析骨架材料的性能与轮胎性能的关系。
1 轮胎帘子线的动态力学性能
1.1 线性粘弹行为内的动态力学性能———动态
模量[1]
有关纤维骨架材料产品标准中规定的各项物理性能均是静态力学性能。实际上轮胎是在动态下工作的帘线———胶料复合体。行驶运转的轮胎,其骨架材料———帘子线处于反复的拉伸、压缩、弯曲、扭转等多种应力的作用,有些作用还是周期性的。帘子线(合成纤维帘子线更具典型性)属于高分子材料,其力学行为属粘弹性,在线性粘
弹行为范围内(对帘线施以低应变可保证帘线的粘弹行为为线性粘弹行为),粘弹性材料在各种动态应力的反复作用下表现出2项与轮胎性能密切相关的主要性能———动态模量E 3和损耗因子tg
δ。把帘线在行驶轮胎内的受力看作是频率为ω的周期变化的随时间成正弦变化的力,振幅为σ,
那么在时刻t 帘线受力为σ(t )=σ0sin ωt ,对粘弹性材料,应变滞后于应力;对线性粘弹性材料,滞
后相角δ为常数,应变与时间变化关系可用ε(t )=ε0sin (ωt -δ)表征,σ0、ε0分别为最大应力与最大应变。也可以把应力向量考虑为2个正交分量
之和———一个与应变同相(σ′=σ0cos
δ),另一个与应变异相,相差90°(σ″=σ0sin
δ)。相应地,模量为E ′=σ′/ε0=σ0cos δ/ε0=E 3cos
δ,这里E ′为贮存模量或弹性模量,E 3为动态模量。E ″=σ″/ε0=
σ0sin δ/ε0=E 3
sin δ,这里E ″为损耗模量,且有E 3=〔(E ′)2+(E ″)2〕1/2
,E 3=σ0/ε0。
每个周期内的损耗能量可以由公式△W =
πσ0ε0sin δ计算,贮存能量可由公式W =E ′ε02
/2=σ0ε0cos δ/2求得,因此△W/W =2πσ0ε0sin δ/σ0ε0cos
δ=2πtg δ或tg δ=△W/2πW 。帘线的动态力学性能———动态模量、损耗因子与轮胎的滚动阻力和油耗有直接关系,当然,作
原先人们研究工作的结论是:与橡胶对轮胎滚动阻力的贡献相比,帘线对轮胎滚动阻力的贡献较小,只占20%～40%的比例,也就是说,帘子线在造成轮胎滚动阻力的因素中只占不重要的位置。
近20～30年间,一些轮胎理论工作者如Y.
D.Kwon、R.K.Sharma、D.C.Prevorsek等对这个问题开展了新的研究工作,他们分别研究了3种结构的轮胎:斜交乘用胎、轻型载重子午胎和乘用子午胎的滚动阻力,得出的结论是:①帘线在轮胎滚动阻力中的贡献率不象旧的理论那样低。在不同结构的轮胎中,帘线对轮胎滚动阻力的贡献可达20%～80%,即帘子线在轮胎滚动阻力中起的作用也很重要且在不同结构轮胎中的贡献率大相径庭。他们还解释了自己研究成果修正了先前结论的原因,即先前的研究工作者无一例外都是在很小的应变幅度下研究帘线的动态力学行为,但实际使用的轮胎中的帘线的应变幅度都远大于他们研究试验工作中所取的数值,这就是先前结论与实际不相吻和的原因所在。②帘线对轮胎滚动阻力贡献大小受轮胎驱动状态、充气压力、轮胎结构的影响,这些因素均可改变帘线对轮胎滚动阻力的贡献率。通常较小规格的子午胎的滚动阻力低于斜交轮胎(但斜交乘用胎是个例外)。因为帘线对轮胎滚动阻力的贡献率是可变的,因此完全可以通过轮胎结构设计把滚动阻力设计为帘线与橡胶共同均担,并根据轮胎结构、最终用途及驱动状态来选择最佳适用的帘线。
帘子线受动态应力作用时,损耗能量转变为热能。因此一种帘子线的损耗能量或损耗因子tgδ越大,这种帘子线的动态力学性能越差,表现为在轮胎行驶时生热多,这显然对轮胎的性能不利。
测定帘线动态力学性能的仪器为粘弹仪,试验时对试样施加低频率的交变应变,粘弹仪自动绘出每一周期内帘线的应力-应变曲线并用积分方法求出每个周期内的能量损耗进而求出试样的动态模量E3和损耗因子tgδ。
图1～图2分别是几种帘子线的贮存模量E′、损耗模量E″的对数值与温度的关系,图3是损耗因子tgδ与温度的关系
。
1—聚酯帘线;2—锦纶;3—锦纶66帘线;4—芳纶帘线图1 轮胎帘线贮存模量E′
的对数与温度的关系
1—聚酯帘线;2—锦纶;3—锦纶66帘线;4—芳纶帘线图2 轮胎帘线损耗模量E″
的对数与温度的关系
1—聚酯帘线;2—锦纶6帘线;3—锦纶66帘线;4—芳纶帘线图3 轮胎帘线损耗因子tgδ与温度的关系
由图2、图3可以看到这样一个事实:每种帘子线都有一个使损耗模量E″和损耗因子tgδ出现
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1
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第1期高称意.轮胎用骨架材料的性能及其与轮胎性能的关系
峰值的温度。显然,轮胎设计工作应避开选用此峰值温度与轮胎最高使用温度接近的帘线。广义
地讲,帘子线的损耗模量E ″和损耗因子tg
δ越小,出现峰值的温度越高,这种帘线的动态力学性能越好。
1.2 非线性粘弹行为下的动态力学行为———滞
后性[1]
实际使用时轮胎内部帘线的应变幅度远大于按线性粘弹行为处理所必备的条件———应变幅度很小(一般为1%以下,此时帘线的动态模量E 3和损耗模量E ″为常数)。当应变幅度高于1%时,帘线表现为非线性粘弹行为。
Y.D.Kwon 等人对帘子线的非线性粘弹行为做过系统的研究工作,发现在应变幅度高于1%之后,帘线的非线性粘弹性对线性粘弹性的误差可超过100%。图4～图5分别为聚酯帘线受周期性应变作用的幅度对损耗因子和对动态模量的影响
。
图4 聚酯帘线受周期性应变作用的幅度对损耗因子tg
δ
的影响图5 聚酯帘线受周期性应变作用的幅度对动态模量E 3的影响
图4、图5表明:随应变幅度提高,帘线的动态模量明显降低而损耗因子大幅度增大。表1是它们对聚酯斜交乘用胎使用期间温度、变形量、帘线受力变化频率(与车速相关)记录的一套数据。要更真实地考察帘子线的粘弹行为对轮胎性能的影响,应进行大应变幅度的粘弹行为试验。该试验有2种方法:①利用大应变动态粘弹仪,Y.D.Kwon 等人的研究工作就是以这种试验仪器的试验为基础展开的;②利用能自动控制帘线拉伸-回复并自动记录任意周期内拉伸、回复、损耗能量的CRE 型材料试验机,这种试验机的社会保有量远大于前者,因此用这种试验机更有现实意义。
化纤帘线为粘弹性材料,滞后性是指受到拉伸作用时其应变相对于应力的不同步性。在大应变下,帘线受到的应力即使是随时间呈正弦变化,其应变也是非正弦变化,这是非线性粘弹行为的表现。帘线的力学性能滞后性的宏观表现是生热,生热对轮胎的耐久性有不利影响。
表1 不同速度下聚酯乘用斜交轮胎的温度、变形量和帘线受力变化频率
速度/(km ・h -1)
频率/s -1
单胎载荷/N
最高温度/℃
胎 肩胎 侧应变幅度/%
胎 肩胎 侧48
6.07
6140
7210865084～80～9499～10357～6161～65
67-710.98～1.021.03～1.071.13～1.170.78～0.820.80～0.840.85～0.8010.16
61407210865096～100108～112127～13159～6367～7177～810.97～1.011.01～1.051.12～1.160.～0.680.75～0.790.78～0.8210513.21
614072108650
100～104121～125149～153
62～6670～7487～91
0.95～0.990.98～1.021.09～1.13
0.56～0.600.67～0.710.77～0.81
(未完待续)
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