自修復材料對輪胎性能的影響

吳長輝，李紅衛，田 健，伊善會，顧培霜

[特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266000]

隨著社會的飛速發展，輪胎安全性愈發重要，根據相關部門數據統計，公路交通事故40%左右由輪胎損壞導致，在車輛以120 km·h-1以上速度行駛時，任何1個前輪發生爆胎，翻車事故死亡率幾乎達到100%，因此由輪胎導致的交通事故因高死亡率受到消費者的重視[1]。為了解決輪胎在遇到釘子、玻璃碎片、石子等異物造成輪胎漏氣導致輪胎爆破問題，各大輪胎廠推出了自修復輪胎，該種輪胎擁有覆蓋胎面內側的自修復材料涂層，可以圍繞直徑5 mm以下的穿透物體[2]，提供幾乎瞬時的密封，即使刺穿物脫落，刺孔也能立即被涂層填充，從而保持輪胎的充氣壓力，保證車輛正常行駛。

但是自修復材料對輪胎性能及車輛行駛過程存在影響。首先，與普通輪胎相比，自修復輪胎內腔覆蓋自修復材料涂層，輪胎質量增大；其次，自修復輪胎自修復材料涂層具有流動性，在車輛行駛過程中會使輪胎的動不平衡性能發生變化，導致車輛發生危險；最后，自修復輪胎可能會對滾動阻力產生影響。

本研究綜合考慮以上問題，結合輪胎研發經驗和專業理論知識，針對自修復材料對輪胎性能的影響進行分析。

1 自修復材料對輪胎室內性能的影響

1.1 輪胎質量

自修復輪胎自修復能力主要來自輪胎內部的自修復材料涂層，其寬度和厚度對自修復輪胎的性能至關重要，自修復材料涂層太窄太薄勢必影響輪胎的自修復能力，太厚太寬則會明顯增大輪胎質量，影響輪胎的綜合性能和制造成本。

以某國產品牌225/55R17規格輪胎為試驗對象，制定兩種試驗方案，方案A自修復材料涂層寬度和中間厚度分別為195和6 mm，方案B自修復材料涂層寬度和中間厚度分別為190和5.5 mm，輪胎質量測試結果如表1所示。

表1 兩種噴涂方案輪胎的質量參數 kg

從表1可知：方案A輪胎噴涂自修復材料前平均質量為11.40 kg，噴涂自修復材料后平均質量為13.51 kg，平均質量差為2.11 kg；方案B輪胎噴涂自修復材料前平均質量為11.34 kg，噴涂自修復材料后平均質量為13.01 kg，平均質量差為1.67 kg。自修復輪胎質量增幅為同規格普通輪胎自身質量的14%～18%，質量增幅較小；與方案A輪胎相比，方案B輪胎質量增幅較小，僅從制造成本角度來說方案B更好。

1.2 高速性能和耐久性能

輪胎是車輛直接接觸地面的部件，作為車輛的一部分，輪胎的高速性能和耐久性能更是直接關系到乘客的生命安全，因此明確自修復材料涂層對輪胎高速性能和耐久性能的影響十分重要。

選用方案A和方案B的自修復輪胎的高速性能測試結果如表2所示，耐久性能測試結果見表3。

表2 輪胎高速性能測試結果

表3 輪胎耐久性能測試結果

從表2和3可以看出，自修復材料涂層寬度和厚度較大的方案A輪胎由于涂層堆積造成高速性能測試終止，由此判斷自修復材料堆積有可能對輪胎的高速性能造成損害。此外，高速性能測試后方案A和方案B輪胎均未損壞，且兩種方案輪胎的耐久性能均通過研發要求。

分析認為，自修復輪胎高速運行時由于與接觸面摩擦和自身生熱導致溫度迅速升高，待停止運行后，自修復材料在自身重力及材料流動特性作用下積聚在輪胎底部，造成自修復材料堆積，由此導致輪胎高速性能測試不合格，但對輪胎耐久性能影響較小。自修復材料涂層厚度和寬度較小時對自修復輪胎的高速性能和耐久性能影響較小。

1.3 均勻性和平衡性

自修復材料堆積極大可能會影響輪胎的平衡性能，因此本研究分別對高速性能和耐久性能測試前后的自修復輪胎進行均勻性和平衡性試驗，結果如表4和5所示。

從表4可以看出，經過耐久性能和高速性能測試后，方案A和方案B輪胎的均勻性均發生了變化，但總體變化不大，由此可知，在滿足輪胎自修復能力的基礎上，自修復材料涂層寬度和厚度小有利于輪胎的均勻性。

表4 輪胎的均勻性測試結果

從表5可以看出，高速性能測試對自修復輪胎的平衡性影響較大，耐久性能測試對自修復輪胎的平衡性影響相對較小，且自修復材料涂層寬度和厚度對輪胎的平衡性影響較大。由此可知，自修復輪胎在行駛過程中可能會出現自修復材料流動的情況，導致動平衡輕點位置發生變動。

表5 輪胎的平衡性測試結果

1.4 自修復能力驗證

由以上試驗可知，方案B輪胎在質量、高速性能、耐久性能、均勻性和動平衡等方面均優于方案A輪胎，因此本研究以方案B輪胎為研究對象，對自修復輪胎的自修復能力進行驗證，試驗鋼釘數量為6，直徑為5 mm，自修復輪胎扎釘拔出試驗結果見表6。

表6 自修復輪胎扎釘拔出試驗結果

從表6可知，方案B輪胎在扎釘拔出后，無論在常溫還是低溫狀況下，輪胎氣壓均未發生變化，沒有發生漏氣現象，扎釘拔出后輪胎的高速性能、耐久性能及低氣壓耐久性能均達到技術要求，由此可知方案B輪胎的自修復能力滿足相關要求。

綜上所述，可以得出以下結論：（1）自修復材料對輪胎質量增加影響較小，同規格自修復材料噴涂質量均在合格范圍內；（2）自修復輪胎在長時間高速運行后均勻性和平衡性均受影響，特別是高速運行有可能造成自修復材料流動導致輪胎平衡性問題；（3）在自修復輪胎開發過程中，自修復材料涂層寬度和厚度對輪胎性能影響較大。

2 自修復材料對輪胎滾動阻力的影響

輪胎滾動阻力是直接影響車輛性能的重要指標之一，不僅影響燃油車輛的燃油經濟性，更是直接關系到電動車輛的續航里程，因此明確自修復材料對輪胎滾動阻力的影響十分必要。

2.1 原理分析

從輪胎運行過程可知，輪胎滾動阻力產生原因主要有以下幾個方面：（1）在運行過程中由于受到車輛質量及牽引力作用，輪胎發生變形，構成部件的能量遲滯損失；（2）輪胎與地面之間存在摩擦阻力；（3）行駛過程中存在空氣阻力。對于自修復輪胎，噴涂自修復材料是否導致輪胎其他部件產生形變是影響輪胎滾動阻力的主要因素。

2.2 試驗驗證

本研究以國產知名品牌225/55R17輪胎為例，方案C為普通225/55R17輪胎，方案D在方案C輪胎內噴涂自修復材料，兩個方案輪胎的滾動阻力測試結果如表7所示。

表7 兩個方案輪胎的滾動阻力測試結果

從表7可以看出，與普通輪胎相比，自修復輪胎的附加損失平均值增大0.08 N，滾動阻力平均值及滾動阻力系數平均值并無增大，甚至有輕微地降低，因此可知，自修復材料對運行過程中輪胎的滾動阻力性能并無影響，更深一步說，在運行過程中，自修復輪胎內部的自修復材料基本沒有發生形變，而其他部件形變量基本與普通輪胎一致，即噴涂自修復材料對輪胎的滾動阻力影響很小。

3結論

噴涂自修復材料對輪胎性能的影響主要包含以下幾個方面：（1）輪胎質量增大14%～18%；（2）自修復材料涂層寬度和厚度過大會造成自修復材料嚴重堆積，從而影響自修復輪胎的高速性能；（3）自修復材料對輪胎的均勻性和平衡性存在影響，對平衡性的影響尤為明顯；（4）自修復材料對輪胎的滾動阻力影響很小。

由以上影響推斷，在自修復輪胎開發過程中，自修復材料配方開發及自修復輪胎生產工藝尤為重要，為避免自修復輪胎發生涂層堆積以及輪胎均勻性和平衡性異常，應該在自修復產品開發中注意以下幾個方面：（1）自修復材料必須具備適應夏季高溫和冬季嚴寒的能力；（2）噴涂自修復材料時，在滿足輪胎自修復能力的前提下，合理設計自修復材料涂層厚度和寬度，避免涂層厚度和寬度過大造成輪胎高速運轉時自修復材料堆積影響車輛安全性；（3）降低自修復材料對輪胎均勻性和平衡性的影響。