胎面膠性能對轎車輪胎雪地制動性能的影響

曹 暉，王志遠，周榮杰，蔣林峰

（萬力輪胎股份有限公司 廣東省高性能綠色環保輪胎企業重點實驗室，廣東 廣州 510080）

對轎車輪胎的冬季性能，我國有關于雪地抓著性能的試驗方法（GB/T 33829—2017），但對結果沒有明確的指標要求；在國際上，歐盟ECE R117法規要求，輪胎雪地抓著系數（SG）≥1.07（制動法）或SG≥1.1（牽引法），方可在胎側上加山峰雪花標志，才能被認為是真正的雪地輪胎。雖然GB/T 33829—2017和ECE R117關于輪胎雪地抓著性能測試在細節方面存在差異，但均采用了雪地制動的方法[1-2]。因此，雪地制動性能是評價輪胎冬季性能的重要檢測項目。研究表明，冰面上輪胎的牽引力隨著胎面膠復數模量的增大而降低[3-5]；也有資料顯示，胎面膠在冰雪路面上的抓著性能與生膠的玻璃化溫度（Tg）以及胎面膠的硬度有較大關系[6-9]。

本工作采用相同結構和花紋設計、不同胎面膠配方生產試驗輪胎進行輪胎雪地制動性能對比，即主要從胎面膠動態粘彈性能和硬度入手，研究胎面膠性能對轎車輪胎雪地制動性能的影響。

1 實驗

1.1 試驗方案

選取比較有代表性的兩組方案輪胎進行雪地制動性能對比分析，兩組方案輪胎測試年度不同，但均與相同的標準輪胎進行對比；每組方案輪胎分別采用相同的結構和花紋設計、不同的胎面膠配方（常規配方）。

第1組方案：9個不同的胎面膠配方，包含夏季胎面和四季胎面兩大類型，方案A1—A5為夏季胎面，方案A6—A9為四季胎面，方案A1—A9均采用常規夏季胎面花紋（205/55R16 H20）。

第2組方案：8個不同的胎面膠配方，包含四季胎面和冬季胎面兩大類型，方案B1—B5為四季胎面，方案B6—B8為冬季胎面，方案B1—B8均采用常規四季胎面花紋（205/55R16 SC501）。

1.2 主要測試儀器

ARES-G2型動態熱機械分析（DMA）儀，美國TA公司產品；LX-A型邵爾硬度計，上海六菱儀器廠產品；VBOX3i型汽車測試儀，英國Racelogic公司產品。

1.3 性能測試

（1）動態粘彈性能。采用DMA儀測試，試驗條件為：頻率 10 Hz，應變 0.25%，升溫速率 3℃·min-1。

（2）胎面硬度。采用手持式LX-A型邵爾硬度計在輪胎胎面相對平整的位置進行測試。

（3）雪地制動性能。4條試驗輪胎安裝在試驗車輛上，試驗車輛在規定的初始速度下行駛，然后緊急制動，直至停止，計算車輛速度從40 km·h-1降至5 km·h-1的平均減速度。以標準輪胎性能指數為100，與標準輪胎進行對比，得到試驗輪胎的雪地制動性能指數，指數越高，說明輪胎雪地制動性能越好。

2 結果與討論

2.1 雪地制動性能測試結果

輪胎雪地制動試驗均在黑河嘉興汽車試驗場進行，同一組方案輪胎在3天內完成測試，每2—3套試驗輪胎之間進行一次標準輪胎測試；第1組方案輪胎試驗環境溫度為－22～－15 ℃，第2組方案輪胎試驗環境溫度為－22～－18 ℃。第1組和第2組方案輪胎的雪地制動性能試驗結果分別見表1和2。

表1 第1組方案輪胎的雪地制動性能試驗結果

表2 第2組方案輪胎的雪地制動性能試驗結果

從表1和2可見，對于不同類型胎面膠配方，輪胎的雪地制動性能從高到低依次為冬季配方、四季配方和夏季配方。

2.2 胎 面膠粘彈性能對輪胎雪地制動性能的影響

對兩組方案胎面膠進行DMA測試，分析不同溫度下膠料粘彈性能與輪胎雪地制動性能指數的相關性。第1組和第2組方案胎面膠的DMA測試結果分別如表3和4所示，tanδ為損耗因子，E*為復合模量，E′為儲能模量，E″為損耗模量。

表3 第1組方案胎面膠的DMA測試結果

圖1—4所示分別為比較有代表性的夏季胎面膠（方案A2）、四季胎面膠（方案A9）和冬季胎面膠（方案B8）的tanδ-溫度、E*-溫度、E′-溫度和E″-溫度曲線。

從圖1—4可以看出：隨溫度的降低，方案A2，A9和B8胎面膠的tanδ均先提高后降低，Tg左右為轉折點；E*和E′均提高；方案A2和A9胎面膠的E″先提高后降低，方案B8胎面膠的E″提高。

圖1 夏季、四季和冬季胎面膠的tanδ-溫度曲線

為進一步分析不同類型胎面膠的粘彈性能與輪胎雪地制動性能的相關性，將第1組與第2組方案中四季胎面膠（簡稱四季1和四季2）的Tg，tanδ，E*，E′和E″與輪胎雪地制動性能指數的相關性進行分析。

2.2.1Tg的影響

Tg是橡膠耐寒性能的重要指標，是橡膠從高彈態轉變為玻璃態的特征溫度，Tg越低，橡膠耐寒性能越好。輪胎行業中一般用Tg來區分夏季、四季、冬季胎面膠配方，輪胎使用時的溫度通常需高于胎面膠的Tg。Tg對輪胎雪地制動性能的影響如圖5所示，R2為相關因數。

從圖5可以看出：第1組方案及第1組方案中的四季胎面膠的Tg與輪胎雪地制動性能指數表現出高度相關性；第2組方案胎面膠表現為中度相關性，第2組方案中的四季胎面膠表現為無相關性。不同方案胎面膠的Tg與輪胎雪地制動性能指數的相關性差異較大，但均表現出Tg越低，輪胎雪地制動性能越好的趨勢。分析認為：第1組方案包含了夏季和四季胎面膠配方，夏季胎面膠的Tg高于測試時環境溫度，四季胎面膠的Tg在測試溫度附近，在這種情況下Tg的影響較大，因此R2較大；第2組方案為四季和冬季胎面膠配方，胎面膠的Tg低于測試溫度，滿足了橡膠處于高彈態的基本要求，因此Tg對輪胎雪地制動性能的影響相對降低；第2組方案中的四季胎面膠配方B1—B5，胎面膠的Tg相差不大，且都低于測試溫度，故Tg對輪胎雪地制動性能的影響較低。

圖5 Tg對輪胎雪地制動性能的影響

由上述分析可知，胎面膠的Tg對輪胎雪地制動性能的影響總體規律為：Tg越低，輪胎雪地制動性能越好；但若滿足Tg低于使用溫度的基本要求，Tg對輪胎雪地制動性能的影響減弱。

2.2.2 tanδ的影響

tanδ表征材料的粘彈性，tanδ越大，代表材料的粘性越大，力學滯后越嚴重。通常用0 ℃的tanδ來評價胎面膠的抗濕滑性能，tanδ越高，滯后阻力越大，抗濕滑性能越好。不同溫度下胎面膠的tanδ與輪胎雪地制動性能的相關性見圖6。

從圖6可見，各組方案胎面膠的tanδ在－30和0 ℃左右與輪胎雪地制動性能的相關性較好，其中，－30 ℃表現為正相關，0 ℃表現為負相關。

圖6 不同溫度下胎面膠tanδ與輪胎雪地制動性能的相關性

在－30 ℃，夏季及部分四季胎面膠已處于玻璃態，所表現出的相關性意義不大；在0 ℃，膠料的tanδ高，說明橡膠內部滯后損失大，但輪胎雪地制動性能反而下降。分析認為：在低溫下，橡膠模量升高，在相同受力條件下，雖然tanδ增大，但應變降低，實際由滯后導致的能量損失相對減小，滯后損失對制動性能的影響變小；0 ℃的tanδ與輪胎雪地制動性能表現出負相關性，隨機性的可能比較大。

2.2.3 模量的影響

E*為橡膠受拉伸應力時應力與應變之比，E*越大，說明在達成同樣變形的情況下需要的應力越高，也說明材料剛性增大。E′反映材料受力時可逆形變所儲存能量的大小，E′＝E*cosδ；E″反映材料受力時不可逆形變所損耗能量的大小，E″＝E*sinδ。E′及E″同時受E*及δ的影響，單獨對比E′及E″意義不大。不同溫度下胎面膠的E*與輪胎雪地制動性能的相關性見圖7。

表4 第2組方案胎面膠的DMA檢測結果

圖2 夏季、四季和冬季胎面膠的E＊-溫度曲線

圖3 夏季、四季和冬季胎面膠的E′-溫度曲線

圖4 夏季、四季和冬季胎面膠的E″-溫度曲線

由圖7可見，在－20 ℃左右，各方案膠面膠的E*均表現出與輪胎雪地制動性能的高度相關性。分析認為：隨著溫度的降低，橡膠分子鏈段活動性減弱，達到同樣變形需要的應力增大，E*也隨之增大；低溫時胎面膠E*越小，說明同等應力條件下其應變更大，一方面輪胎與地面的接觸面積增大，另一方面在不考慮tanδ的前提下，應變大的滯后能量損失更高。胎面膠的E*越小，輪胎的雪地制動性能越好。

圖7 不同溫度下胎面膠E＊與輪胎雪地制動性能的相關性

2.3 胎面膠硬度對輪胎雪地制動性能的影響

硬度為橡膠抵抗壓針壓力的能力，反映了橡膠的軟硬程度，橡膠越軟，壓針越容易壓入，測得的硬度越低。隨著溫度的降低，橡膠的硬度逐步增大，溫度低于Tg后，橡膠的硬度會有較大幅度提高。胎面膠的硬度高，則剛性大，輪胎與地面的接觸面積減小。通常認為在低溫環境下，橡膠的硬度越低，與地面的接觸面積越大，抓著性能越好。

第1組和第2組輪胎在不同環境溫度下的胎面膠硬度測試結果分別如表5和6所示。

表5 第1組方案輪胎不同溫度下胎面膠邵爾A型硬度 度

不同溫度范圍內胎面膠硬度與輪胎雪地制動性能的相關性如圖8所示。

圖8 不同溫度下胎面膠硬度與輪胎雪地制動性能的相關性

表6 第2組方案輪胎不同溫度下胎面膠邵爾A型硬度 度

從表5和6及圖8可以看出：室溫（22 ℃左右）及較低溫度（6～10 ℃）下胎面膠硬度與輪胎雪地制動性能的相關性較差，且不同方案輪胎的變化趨勢不一致，可認為無相關性；低溫環境下第1組和第2組方案胎面膠硬度與輪胎雪地制動性能指數的R2分別為－0.78和－0.82，為中高度相關，但對于兩組方案中的四季胎面膠R2很低，僅為－0.19和－0.07。

－20 ℃下兩組方案輪胎胎面膠硬度對輪胎雪地制動性能的影響如圖9所示。

圖9 －20 °C時胎面膠硬度對輪胎雪地制動性能的影響

四季胎面膠在－20 ℃左右的硬度在70～80度之間，硬度差異不大，可能導致胎面膠硬度對輪胎雪地制動性能的影響降低。分析胎面膠硬度及其對應的輪胎雪地制動性能可知，－20 ℃時胎面膠硬度在60～70度時，輪胎的雪地制動性能最好，通常冬季胎面膠控制在這個硬度范圍內；胎面膠硬度在70～80度時，輪胎的雪地制動性能中等，通常四季胎面膠在這個硬度范圍內；胎面膠硬度在80度以上時，輪胎的雪地制動性能較差，通常夏季胎面膠在這個硬度區間。

室溫及較低溫度下胎面膠硬度與輪胎雪地制動性能相關性差，可認為無相關；低溫下胎面膠硬度與輪胎雪地制動性能有一定相關性，低溫下胎面膠的硬度越低，輪胎雪地制動性能越好，但若將胎面膠硬度控制在一定范圍內，其與輪胎雪地制動性能的相關性下降，甚至無相關性。

3 結論

根據兩組胎面膠粘彈性和胎面硬度與輪胎（相同結構和花紋設計、不同胎面膠配方）雪地制動性能的相關性分析結果，胎面膠性能對輪胎雪地制動性能影響的可能趨勢如下。

（1）胎面膠的Tg越低，輪胎的雪地制動性能越好；但若滿足Tg低于輪胎使用溫度的基本要求，Tg對輪胎雪地制動性能的影響減弱。

（2）胎面膠的tanδ對輪胎的雪地制動性能影響不大。

（3）胎面膠－20 ℃時的E*與輪胎雪地制動性能高度相關；E*越小，輪胎的雪地制動性能越好。

（4）低溫下胎面膠硬度與輪胎雪地制動性能有一定相關性，總體趨勢表現為低溫下胎面膠硬度越低，輪胎雪地制動性能越好；但若將低溫下胎面膠硬度控制在一定范圍內，其與輪胎雪地制動性能的相關性下降，甚至無相關性。