轮胎异常磨损机理及对策

第１９卷第５期　机械研究与应用　ＭＥＣ　ＨＡＮＩＣＡＬ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　Ｖｏｌ　１９　Ｎｏ　５　２００６年１０月　２００６．１０　轮胎异常磨损机理及对策　蒙留纪　（懈放军汽车管理学院，安徽蚌埠２３３０１１）　摘要：轮胎是支撑车辆重量，传递驱动和制动力矩，提高吸振和包络能力的总成部件。应具有一定的抗磨性、低滚动阻力、耐久性、保　证转向稳定性和安全性等特点。论述了轮胎与路面之间的摩擦机理；并从使用、检修和道路影响等方面，分析轮胎异常磨损　的影响因素及原因；提出减轻轮胎磨损的对策。　关键词：轮胎；异常磨损：机理；减磨对策　中图分类号：ＴＨ１１７．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—４４１４（２００６）０５—００９９—０２　Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｒｅ　ａｂｎｏｒｍｉｔｙ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　Ｍｅｎｇ　Ｌｉｕ—ｊｉ　（Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＰＬ４，Ｂｅｎｇｂｕ　Ａｎｈｕｉ　２３３０１　ｌ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｙｒｅ　ｉｓ　ａ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｓｕｓｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｐａｓｓ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ，　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ。ｓｏ　ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ、ｌｏｗ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａ。　ｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ　ｃａｎ　ａｌｓｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｗｅｒｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｙｒｅ　ａｎｄ　ｒｏａｄ：ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｕｓａｇｅ、ｅｘａｍｉｎａ【ｉ０ｎ　ａｎｄ　ｒｅｐａｉｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｒｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ａｔｔｒｉｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｙｒｅ；ａｂｎｏｒｍｉｔｙ　ａｂｒａｓｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　车辆行驶时，轮胎将地面上所有的作用力传递到汽车上，　车轮在滚动过程中，主要承受重力、驱动力、制动力、冲击力和　侧向力的作用。在多种力的作用下，轮胎会发生连续不断的　变形，主要有径向变形、周向变形和横向变形等，而变形的结　果又引起轮胎摩擦生热、温度升高、应力增加。各种作用力、　变形和摩擦生热在周而复始与相互交错下不断变化，由此所　引起的正常磨损是允许的。为控制其受力、变形和发热在允　许范围内，避免轮胎的早期磨损、损坏及事故的发生，因此对　轮胎异常磨损与对策的研讨显得十分必要。　面粗糙度较大、环境温度较低、橡胶的损耗量较高或其玻璃态　转变温度较高、炭黑含量较大时；较易发生此类磨损。由这种　磨损而产生的橡胶磨粒相对较小。　１．３　橡胶表面层的机械及化学腐蚀磨损　橡胶、化纤是热的不良导体，在橡胶的弹性滞后作用及轮　胎与路面间的高摩擦力作用下，轮胎表面的温度会急剧升高，　使某处因摩擦力作用而急剧伸长的橡胶分子链断裂。当橡胶　分子链断裂后，会产生两个亚稳的自由端。对天然橡胶和丁　苯橡胶而言，发生氧发生化学反应，使自由端回到稳定状态，　１轮胎磨损的主要特征　１．１　以弹性变形为特征的磨损　汽车轮胎运行的路面上微凸体的尺寸小、光滑性好，轮胎　与路面接触时的应力集中则相对较少。轮胎与路面摩擦过程　中主要发生弹性变形，当作用在胎面橡胶内的拉应力或剪应　力超过其抗拉或抗剪切强度时，在橡胶的内部或表面产生裂　纹。随着弹性变形次数的递增，裂纹扩展会逐渐延伸，直至橡　胶颗粒从轮胎表面上脱落而形成磨粒。当路面粗糙度较小、　环境温度较高、橡胶的损耗模量（反映橡胶粘性阻力大小的一　且使分子链彻底断裂，由分子链断裂而产生的累积效果使橡　胶分子量减少，并伴随产生油一样的物质。对顺聚丁二烯之　类的橡胶而言，分子链的自由端将与邻近的分子链发生反应，　形成交错连接，与橡胶分子量减少而产生的效果相反，交错连　接使橡胶产生干的粉状磨粒。在轮胎的磨损过程中，这些磨　损可能会同时存在，但某一种会占主导地位。　２轮胎与路面间的摩擦机理　２．１　轮胎与路面间的分子引力作用　实践证明，当两个物体表面之间相距非常近时，其分子引　力作用相当可观；这种分之引力构成了轮胎与路面间摩擦力　的一部分。显然，这种摩擦力与轮胎和路面材料的性质有关，　并取决于轮胎和路面间实际接触面积的大小，并受路面状态，　如灰尘、积水、污染及湿度等影响较大。　个物理量）较小或其玻璃态转变温度较低、炭黑含量较少时，　较易发生这种磨损，由此类磨损而产生的橡胶磨粒一般较大。　１．２以塑性变形为特点的磨损　当路面上微凸体的尺寸大、锋利性强，轮胎与路面接触时　的应力集中则相对较大。若轮胎与路面微凸体之间的接触应　力超过了胎面橡胶的屈服力，轮胎在与路面的摩擦过程中，主　要发生塑性变形。路面微凸体对胎面橡胶形成微切削作用，　导致胎面橡胶磨损，这种磨损与金属的磨粒磨损相似。当路　２　２轮胎与路面间的粘着作用　进行制动实验后证明，轮胎与路面问会发生粘着作用，观　察轮胎表面能找到粘着有路面材料的微粒，和在路面上的橡　胶磨粒。同时，轮胎与路面间发生的静电吸引也是轮胎与路　收稿日期：２００６—０７—２４　作者简介：蒙留纪（１９５５一）．男，陕西蒲城县人。副教授，主要从事汽车维修理论与工艺、汽车工程与电控发动机等方面的教学和科研工作。　・９９・　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｖ０ｌ　１９　Ｎｏ　５　２００６．１０　机械研究与应用　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＬＩＣＡＴ１０Ｎ　第１９卷第５期　２００６年１０月　面间发生粘着的确认。由粘着作用而产生的摩擦力取决于轮　胎与路面材料的性能、接触面之间的压力、路面状态和轮胎与　路面间的实际接触面积等。　２．３橡胶胎面的弹性变形　在路面较大微凸体及胎面花纹等的作用下，胎面会反复　产生较大的弹性变形，所产生变形力与弹性变形恢复力的合　力也构成了摩擦力的一部分…。由于存在弹性滞后等影响。　弹性变形恢复力总是小于弹性变形力。不同花纹的轮胎在纵　向（汽车运动方向）或横向（垂直于汽车运动方向）载荷作用　下，产生完全不同的变形状况，所产生的纵向或横向摩擦力的　能力完全不同，则证明橡胶弹性变形对轮胎与路面间摩擦力　产生的影响。此种摩擦力取决于胎面花纹和路面上较大尺寸　微凸体的性能等。橡胶应有良好的减振和包络能力，即将路　面上的突起包进去的能力。　２．４路面上小尺寸微凸体的微切削作用　在载荷作用下，路面上较小尺寸的微凸体在胎面的局部　产生较大的应力集中。当胎面上所产生的局部应力超过其断　裂强度时，在切向力的作用下，路面上尺寸较小的微凸体将对　胎面形成微切削作用。微切削过程中产生的阻力是轮胎与路　面间摩擦力的一部分。由微切削作用产生的摩擦力与轮胎及　路面的材料性能有关，并取决于路面上微凸体尺寸的大小、分　布情况及锋利性等。　３轮胎异常磨损的影响因素　３．１轮胎气压异常的影响　轮胎气压过低使最大负荷能力降低，当轮胎气压低于标　准值的３０％时，其寿命将缩短　３０％，如图１所示。轮胎气压　低于标准气压时，径向变形增大。胎侧内壁受压，外壁受拉，　使胎体内的帘线产生较大的交变应力和变形。加速了帘线的　疲劳损伤。因轮胎变形过大，增加胎面与地面的接触面积，使　胎面与地面的相对滑移加剧，摩擦产生的热量多，应轮胎应力　的增大及温度急剧升高，降低橡胶的抗拉强度，胎肩两侧极易　磨损，使帘线松散或局部脱落，又因帘线间产生摩擦而使温度　升高，在脱落处易造成轮胎爆裂。气压过低的轮胎在遇到障　碍物时，因受到冲击，变形量极大，胎体内层易产生“ｘ”形的　爆胎。轮胎花纹的凹部在低气压状态下，易嵌人道路上的钉　子和石块等，引起机械性损伤。　１ｏ０　／　＼　８０　／　／　螽６０　／　母｝　Ｉ，　，　４。　，　２　ｉ　４０　６０　８０　１０　１２　气压　图１　轮胎气压与寿命的关系　轮胎气压过高时，胎面与路面的接触面积仅在轮胎的中　间区域，接触路面明显减少，单位面积压力升高，使胎冠中部　磨损加剧，轮胎变硬使其刚度增大，起不到应有的缓冲作用，　使轮胎受到的动载荷增加，易产生胎体爆裂、脱层和外伤等。　・１００・　且胎体中部易磨损，使轮胎的使用寿命缩短。　３．２轮胎温度的影响　车辆在酷热气候中行驶，轮胎由于受到伸张、压缩和摩　擦，引起胎温剧升。过高的温度易加剧轮胎异常磨损。或轮　胎长时间在烈日下爆晒，产生的热能不易散发，过热使轮胎腔　内空气分子的内能显著升高，轮胎内的气压随之升高和压力　增大，使帘线内应力加大，当轮胎的温度超过其承受的极限温　度时，导致橡胶过热软化而发生甩胶、脱胶的征状，甚至会发　生爆胎。在寒冬行车，因气温过低，轮胎的橡胶脆性明显增　大，弹性显著下降，易使轮胎损坏，其寿命显著降低。尤其在　外部受到冲击力时，易产生龟裂。又因温差很大，轮胎中的空　气热胀冷缩幅度较大，气压易改变，使轮胎的气压偏离标准　值，影响轮胎的使用寿命。　３．３轮胎超速旋转时的“驻波”现象及机理　高速运转中的轮胎反复变形，变形频率随之提高，产生很　多热量，易发生“驻波”现象，在炎热的季节里长时间行驶时　更是如此。轮胎“驻波”（静止波）实际上是一种共振现象，如　图２所示。轮胎均标注有最大运行速度限定值，即“临界速　度”。轮胎在运转时，受地面压迫产生弹性变形，当这一部位　变形的轮胎离开地面时，在胎体内空气压力作用下，迅速恢复　原状。轮胎在低于临界速度下滚动时，发生于胎面、胎侧部位　的变形，可在其发生再次变形之前得到恢复。尽管轮胎恢复　原状的时间很短，仍需要一段时间，当车轮转速达到或超过　“临界速度”时，变形的轮胎在尚未完全恢复原状的情况下，　又一次受到地面压迫，且变形量比上次还大，因变形恢复力总　是小于前次变形力，使发生在胎面　与胎侧等部位的变形得不到及时的　向　恢复，并失去了其原有的均一性，使　旋转中的轮胎失去原来均匀的圆形　外观，而在周向与侧向呈现波浪不　平的扭曲变形，则形成轮胎“驻波”　的征状。导致轮胎的滚动阻力急剧　上升，轮胎在短时间内吸收驻波能　量，轮胎温度急剧升高，此时，如继　续高速行驶，将发生胎面脱胶的损　伤，同时轮胎也极易在外界诱因的　图２轮胎超速旋转时　作用下突然爆裂。　产生的“驻波”现象　３．４汽车载荷对轮胎的影响　由于内燃机与所匹配的每个轮胎的负荷指数和速度级别　是一定的，如严重超载，轮胎会超负荷运转，变形增大，使胎冠　剥落、帘布层破裂及轮胎内温度迅速升高。超负荷越多，引起　损坏的可能性越大　。当承载负荷超过额定值的１０％、　２０％、５０％、１００％时，则轮胎行驶里程数将相应地减少８％、　３５％、５０％、８０％，轮胎的寿命随超载的递增而缩短；偏载使部　分轮胎磨损加剧。　３．５驾车人员操作技能的因素　不能合理掌控车辆行驶速度与行驶路况及行车环境等，　对轮胎的使用寿命有直接影响。如在平整的沥青混凝土路面　上行驶时轮胎的寿命为１００％，在沙砾碎石路面上行驶时，轮　（下转第１０２页）　维普资讯 http://www.cqvip.com