實驗室摩擦和磨耗試驗膠輪與路面間靜態接觸壓強測試方法的開發

吳愛芹，李夕鑫，陳文森，劉世杰

（1.思通檢測技術有限公司，山東 青島 266045；2.怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045）

輪胎是汽車與地面接觸的唯一部件，其與地面的摩擦力在汽車啟動、行駛和制動的過程中起重要作用[1-2]。在輪胎配方開發中，實驗室中膠料磨耗和摩擦因數（摩擦性能）的測試也是膠料性能評價非常重要的一環，長期以來，圍繞著膠料性能評價，研究人員從儀器、方法到機理都進行了非常廣泛的研究[3-7]。實驗室評價輪胎膠料摩擦性能的儀器較多，其中常用的有阿克隆磨耗試驗機、蘭伯恩磨耗試驗機和RTM綜合摩擦試驗機等，這些儀器可以從不同角度考察膠料的耐磨性能。實驗室模擬輪胎行駛條件評價膠料摩擦性能的關鍵因素主要有試驗膠輪與路面的接觸壓強、角度和滑移率、試驗膠輪轉動頻率、環境溫度和路面特點6個方面。其中試驗膠輪與路面的角度、滑移率和環境溫度儀器可以直接設置，試驗膠輪轉動頻率可以通過轉速和膠輪直徑進行換算設置而實現，路面特點由儀器自帶或可根據需要進行更換，6個因素中只有接觸壓強的設置有問題，因為儀器雖然可以設置負荷但無法得到在不同負荷下膠輪與路面的接觸面積。

基于此，本工作開發一種測試方法，通過計算不同負荷下試驗膠輪與路面的接觸面積，考察采用不同硬度膠料的膠輪在不同負荷下與路面間的靜態平均接觸壓強，適用于阿克隆磨耗試驗機、蘭伯恩磨耗試驗機和RTM綜合摩擦試驗機，可為研究人員考察不同車型輪胎膠料的摩擦性能時設置試驗參數提供參考。

1 實驗

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR）2557S、順丁橡膠（BR）9000、白炭黑1165MP、氧化鋅、硬脂酸、環保芳烴油（TDAE）、硅烷偶聯劑TESPT、防老劑4020、防護蠟、硫黃、促進劑CBS和DPG，均為市售品。

1.2 試驗配方

試驗配方見表1。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

XSM-1/10～120型密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；XK-160型開煉機，上海雙翼橡塑機械有限公司產品；P-V-200-3RT-2-PCD型硫化機，磐石油壓工業有限公司產品；硬度計，德國MonTeck公司產品；ZW-H4800型顯微鏡，深圳市中微科創科技有限公司產品；UX4200H型電子天平，日本島津株式會社產品；5969型電子萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司產品；AB-1511型阿克隆磨耗試驗機、AB-1165型改進式蘭伯恩磨耗試驗機和FR-7225型RTM綜合摩擦試驗機，日本上島株式會社產品。

1.4 試樣制備

按照GB/T 6038—2006要求對膠料進行混煉，并按照阿克隆磨耗試驗機、蘭伯恩磨耗試驗機和RTM綜合摩擦試驗機的要求硫化出各配方相應的試驗膠輪。

1.5 測試方法

1.5.1 硬度

試樣硬度按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》進行測試。

1.5.2 接地印痕

將設計的夾具裝到萬能材料試驗機上，試驗膠輪裝到上夾具上，路面輪裝到下夾具上，路面鋪上坐標紙，試驗膠輪接地面涂上印泥；萬能材料試驗機開啟壓縮模式測試，壓縮速率為500 mm·min-1，試驗膠輪在路面不保持（膠輪在路面不設停留時間，即壓上達到設置負荷，馬上抬起）；負荷根據各磨耗試驗機的特點進行設置。

1.5.3 接地印痕面積

接地印痕面積可以通過坐標紙中格子個數進行計算，本工作通過顯微鏡的多邊形面積測試功能完成計算。

2 結果與討論

2.1 實驗室摩擦和磨耗試驗膠輪接地印痕測試系統的開發

在摩擦和磨耗試驗中，一個重要的原則是盡量使用輪胎實際運行狀況的設計參數，評價結果才更有指導意義。目前在實驗室模擬輪胎行駛的6個參數中只有接觸壓強無法設置，但儀器可以設置負荷，只要能測得一定負荷下試驗膠輪的接地印痕面積，就可以求出膠輪與路面的平均接觸壓強。利用萬能材料試驗機負荷傳感器可以提供準確的負荷和可以連接不同夾具的特點，本工作設計一套可安裝到萬能材料試驗機上的夾具（見圖1）。

按照接地印痕測試方法，開啟萬能材料試驗機，固定試驗膠輪的上夾具，以一定的負荷將膠輪壓到路面坐標紙上，可以得到相應負荷下膠輪的接地印痕。利用顯微鏡測量接地印痕面積，再根據負荷和接地印痕面積比計算出試驗膠輪的靜態壓強。需要說明的是，試驗膠輪與坐標紙剛接觸時印痕是一條線，隨著萬能材料試驗機推動工裝下移，膠輪與坐標紙接觸部位不斷變形（印痕由線形成面），負荷也不斷增大，最終達到預設負荷。此過程中試驗膠輪不同部位形變不同，所受到的擠壓力也不同，無法測出不同部位的單位面積負荷，只能得出整個接地印痕平均單位面積的負荷。輪胎在實際行駛過程中也存在類似情況，輪胎接地部分不同部位受到的擠壓力也不同。二者具有可比性，采用該方法的測試結果用于試驗參數設置，可以模擬輪胎行駛條件，以評價膠料性能。

綜上，該測試方法是將磨耗試驗機的試驗膠輪和路面輪通過2個夾具移到萬能材料試驗機上進行測試，操作方便，測試精細。沒有夾具時，在試驗膠輪上涂印泥，在路面放置坐標紙，利用磨耗試驗機本身也可以測試。二者原理一樣，測試結果基本一致。

2.2 阿克隆磨耗試驗機用試驗膠輪靜態接地壓強的測試

阿克隆磨耗試驗機的試驗膠輪外直徑為68 mm，寬度為12.7 mm；砂輪外直徑為150 mm，寬度為25 mm，砂輪圓周即為膠輪運行軌道；試驗時兩輪錯向15°，在一定負荷（26.7，53.4和80.1 N）下壓緊，砂輪在試驗膠輪的帶動下運動。在試驗膠輪和路面輪成15°角時，按照前述方法測試一定負荷下試驗膠輪的接地印痕及其面積，再利用負荷和印痕面積比得出靜態平均接觸壓強。阿克隆磨耗試驗機用不同硬度試驗膠輪在不同負荷下與路面間的靜態平均接觸壓強如表2所示。

表2 阿克隆磨耗試驗機用不同硬度試驗膠輪在不同負荷下與路面間的靜態平均接觸壓強測試結果

從表2可以看出，在相同負荷下，隨著試驗膠輪硬度的增大，膠輪與路面的接觸面積減小，從而導致膠輪與路面間的靜態平均接觸壓強增大。

由于乘用車輪胎與路面的接觸壓強小，卡客車輪胎與路面的接觸壓強大，實驗室評價兩種輪胎膠料的耐磨性能時，采用與其使用壓強有可比性的條件進行評價更具有代表性。對于阿克隆磨耗試驗機，使用26.7 N的負荷評價乘用車輪胎膠料的耐磨性能較合適，而使用53.4或80.1 N的負荷評價卡客車輪胎膠料耐磨性能可能更合適。由此可知，采用本工作開發的測試方法，對于實驗室評價膠料耐磨性能條件的選擇有一定的指導意義。需要說明的是，實際輪胎行駛的路面為平面，而阿克隆摩擦和磨耗試驗的路面為金屬砂輪，測試結果為靜態平均接觸壓強，試驗膠輪各點的具體受壓情況與水平路面上輪胎各點的受壓情況不同，試驗條件設計時要適當考慮。

2.3 蘭伯恩磨耗試驗機用試驗膠輪靜態接地壓強的測試

蘭伯恩磨耗試驗機的試驗膠輪外直徑為49 mm，寬度為10 mm；砂輪外直徑為150 mm，寬度為25 mm，砂輪圓周即為膠輪運行軌道；試驗時膠輪和路面輪在一定負荷（5～80 N）下壓緊，各自獨立相向而行。按照前述方法測試一定負荷下試驗膠輪的接地印痕及其面積，利用負荷和印痕面積比得出靜態平均接觸壓強。蘭伯恩磨耗試驗機用不同硬度試驗膠輪在不同負荷下與路面間的靜態平均接觸壓強如表3所示。

從表3可以看出，在相同負荷下，隨著蘭伯恩試驗膠輪硬度的增大，膠輪與路面間的靜態平均接觸壓強增大，這與阿克隆試驗膠輪有完全相同的趨勢和規律。同樣，實驗室評價不同用途輪胎膠料的耐磨性能時，應采用與其使用壓強有可比性的條件進行評價，使結果具有一定的代表性。

表3 蘭伯恩磨耗試驗機用不同硬度試驗膠輪在不同負荷下與路面間的靜態平均接觸壓強測試結果

2.4 RTM綜合摩擦試驗機用試驗膠輪靜態接地壓強的測試

RTM綜合摩擦試驗機的試驗膠輪外直徑為80 mm，寬度為15 mm；運行軌道為一個水平圓形軌道，其外直徑為700 mm，寬度為30 mm，試驗時膠輪沿著水平圓形軌道旋轉；儀器負荷為20～150 N。測試膠輪在水平軌道上的接觸印痕比較簡單，只需安裝上夾具夾住膠輪，不需要安裝下夾具，將坐標紙直接鋪在萬能材料試驗機的工作平臺上即可。按照前述方法測試一定負荷下試驗膠輪在水平路面上的接地印痕及其面積，利用負荷和印痕面積比得出靜態平均接觸壓強。RTM綜合摩擦試驗機用不同硬度試驗膠輪在不同負荷下與路面間的靜態平均接觸壓強如表4所示。

從表4可以看出，在相同負荷下，隨著試驗膠輪硬度的增大，膠輪與路面間的靜態平均接觸壓強增大，這與阿克隆和蘭伯恩試驗膠輪有完全相同的趨勢和規律。由于試驗路面為平面，試驗與輪胎在實際路面的行駛狀況基本一致，測試結果在試驗參數設置方面有更好的可比性。

表4 RTM綜合摩擦試驗機用不同硬度試驗膠輪在不同負荷下與路面間的靜態平均接觸壓強測試結果

3 結語

本工作開發了一種萬能材料試驗機的夾具以及摩擦和磨耗試驗用不同負荷下試驗膠輪與路面間靜態平均接觸壓強的測試方法，可適用于阿克隆磨耗試驗機、蘭伯恩磨耗試驗機和RTM綜合摩擦試驗機等。該方法適用范圍廣，尚未見文獻報道，可為實驗室模擬輪胎行駛摩擦和磨耗試驗參數的設置提供重要指導。