用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用性能_第1頁
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文檔簡介

1、1,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,隨著科技的發(fā)展,輪胎制造業(yè)不斷提高輪胎的安全性、降低滾動阻力、改善操縱性和乘坐舒適性、延長使用壽命。安全性要求輪胎具有更好的濕滑/牽引性、耐久性和使用壽命(提高胎面耐磨性)。 為滿足技術要求,橡膠生產商開發(fā)出特種聚合物。例如:為降低輪胎滾動阻力和提高耐磨性開發(fā)出溶聚丁苯橡膠(S-SBR)和化學改性溶聚丁苯橡膠等。,2,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,橡膠助劑生產商不斷努力開發(fā)新的硫化體系

2、。消除促進劑中的亞硝胺,有利于環(huán)保。使用新型抗氧劑和抗臭氧劑,改善輪胎老化性能。炭黑和其它填充劑生產商者也努力開發(fā)出性能得到改善的補強材料。以提高耐磨性并降低滾動阻力。 上述進展離不開輪胎試驗,商業(yè)化生產前的最終優(yōu)化評價仍需現(xiàn)場實際評價。輪胎現(xiàn)場試驗很昂貴且評價周期長。用動態(tài)粘彈性能可預測輪胎的耐磨性、操縱性、乘坐舒適性、滾動阻力、干/濕牽引性、冰牽引性、生熱及耐久性等使用性能。動態(tài)粘彈性能預測可減少為獲得最佳性能而進行現(xiàn)

3、場實際評價的時間和資金。,3,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,基本理論原理: 硫化橡膠等彈性體有兩個突出的特性:彈性和粘性。 彈性理論研究的是應力與應變成正比而與應變率無關的理想彈性體的機械性能。  虎克定律: 應力=虎克定律彈性系數× 應變 在應力的作用下,彈性體產生形變儲存能量。去除應力,彈性體恢復原狀釋放能量。 彈性有利于輪胎承受

4、周期性形變后保持形狀,儲存和釋放周期性形變中輸入的能量,降低滾動阻力,進而提高燃油經濟效率,降低生熱、改善屈撓龜裂性等。,4,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,基本理論原理(續(xù)): 粘性理論研究的是應力與應變率成正比而與應變無關的理想粘性流體。  牛頓定律: 應力=粘度或粘性常數× 應變率 在應力的作用下,粘性體產生形變,去除應力,形變的粘性體不能恢復原狀,輸入的能量

5、化為熱能或摩擦能消散。 粘性有利于輪胎消除噪音和震動。提供轉彎時防滑以及制動時將動能傳給制動閘所要求的摩擦力等。 橡膠在受力變形時既有彈性響應也有粘性行為,屬于粘彈體。 不同組合的四元件模型,5,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,粘彈性能的重要參數: 動態(tài)粘彈性預測輪胎使用性能的常用基本參數如下: 剪切方法:G* 復數剪切模量 G* = G′+ G″(矢量和)

6、G′: 與彈性和能量儲存有關。彈性剪切模量、儲能剪切模量 G″: 與粘性能量耗散有關。損耗剪切模量 拉伸方法:E* 復數法向模量 復數楊氏模量 E* = E′+ E″(矢量和) 損耗角正切(損耗因子):Tanδ= G″/ G′= E″/ E′ 柔量定義為:1/G(模量倒數) J* 復合柔量 J′儲存柔量 J″損耗柔量,6,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,粘彈譜儀

7、又稱動態(tài)熱機械分析儀(DMA),是一種熱分析儀。常用熱分析儀有:①熱重儀(TG)②差熱分析儀(DTA)和差式掃描分析儀(DSC)③高壓DTA儀④動態(tài)熱機械分析儀(DMA)⑤膨脹計等。 研究高分子材料性能、膠料配方時常用此儀器。北京化工大學,北京紡織學院,科學院化學所,北京橡膠設計研究院等有此儀器。 動態(tài)力學分析儀是在程序溫度下,測量物質在振動負荷下的動態(tài)模量和阻尼與溫度的關系的技術。它能測出材料的粘彈性能和玻

8、璃化轉變等,這些數值對輪胎配方的研究是非常重要的。 橡膠粘彈性測試的儀器很多,如強迫震動非共振類:日本產DDV-III型粘彈譜儀,頻率0.01-110赫茲,溫度-150- +250 ℃,試樣受拉伸變形。美國PE公司DMA7e:測試頻率范圍0.01—51赫茲,溫度-170- +500 ℃ 。下面以胎冠膠為例進行應用介紹。,7,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,滾動阻力: 科學家指出50-100 ℃下的Tanδ與滾

9、動阻力有關。 Tanδ值越小,耗散能越小,滾動阻力越低。,選P195/75R14輪胎,制備不同Tanδ值的胎冠膠(結構和硫化相同),在1.7m輪鼓上用標準方法測定滾動阻力。 試驗結果表明: 75℃下的Tanδ值與滾動阻力成正比,值越小滾動阻力越低。,8,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,濕牽引性能和濕操作性能: 輪胎75 ℃下滾動變形頻率約為10-100HZ,由于路面不平整輪胎滑動中決定抗?jié)窕妮喬ケ砻嬖谑覝叵?/p>

10、的微觀變形頻率105~106HZ,高頻無法測實際粘彈性,用0 ℃下10-100HZ頻率下測的Tanδ值與室溫106HZ頻率下的計算值相關??捎? ℃下的Tanδ值或損耗模量G″預測濕牽引性。,不同Tanδ值的胎冠膠制作P175/70R14輪胎,用ASTM濕牽引法測量裝車后輪胎的實際濕牽引性和操縱性。 提高0 ℃下Tanδ值或損耗模量G″,使?jié)駰l件下產生摩擦作用的耗散能增大,改善濕牽引性和濕操縱性。,9,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用

11、特性,干牽引性: 干路面條件下的摩擦力約為濕路面條件下的3倍。60℃溫度條件下的干路面上滑動時胎面表面的微觀變形頻率為105~106HZ,高頻無法測其實際粘彈性,室溫下低頻的損耗因子值與60℃高頻的損耗因子值相關。,用不同值得的胎冠膠制作P175/70R14輪胎,在84km/h測量4組輪胎的干牽引性。他與室溫下的Tanδ或損耗柔量相關, Tanδ或損耗柔量越大,干牽引性越好。,10,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,干操作性

12、能和乘坐舒適性: 高性能輪胎須具備更優(yōu)異的耐熱性、耐久性、耐氧化龜裂性,同時具有更好的抗滑牽引性及操作性。 改善操縱性應提高子午胎胎冠的剛性,以增大轉彎系數。方法1:減少鋼絲帶束層的角度,但可能降低乘坐舒適性。方法2:提高胎冠膠的動態(tài)模量或硬度,以增大轉彎系數。 胎冠膠料:增大膠料在室溫下的動態(tài)模量或復合模量,可增大轉彎系數即改善輪胎的操縱性。而改善乘坐舒適性,應降低室溫下動態(tài)模

13、量或復合模量。 改善操縱性 ←======→ 改善乘坐舒適性,11,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,冰雪路面牽引性能: 雪地輪胎已采用NR和BR并用配方,以獲得低溫的低動態(tài)模量。也有采用海綿膠胎冠降低輪胎動態(tài)模量或復合模量。,通過Futamura研究發(fā)現(xiàn),冰面牽引性能隨聚合物類型和碳黑用量不同而不同。炭黑用量的影響與聚合物類型一樣大。 低Tg聚合物與較低用量炭黑相結合可降低低溫下的動態(tài)模量。冰面牽

14、引性能與動態(tài)柔量關系如圖。,12,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,耐久性和生熱性: 輪胎的耐久性與輪胎的結構、均勻性、簾布和膠料的粘合性能、膠料的物理性能和滯后作用有關,我們僅討論膠料的滯后作用。 輪胎破壞通常發(fā)生在溫度較高的部位,如帶束層邊緣脫層或胎側較低部位的脫空(胎圈部位)等。 因此滯后作用小的膠料降低輪胎在行駛中的生熱量是至關重要的。在50-100℃溫度下膠料的損耗因子較小,則在逐步加

15、速和逐步加載試驗中輪胎的耐久性得到改善。 用75℃溫度下的膠料的損耗因子Tanδ值表征輪胎的生熱性和高速性,損耗因子小輪胎的生熱低耐久性好。,13,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,胎冠磨耗: 胎冠磨耗可從幾個方面改善。最重要的是聚合物的種類,聚合物的玻璃化轉變溫度是預測磨耗的關鍵參數。聚合物的分子量也是一個重要參數。 碳黑生產商試圖提供高結構和小粒子碳黑來改善胎冠耐磨性。設計人員試圖從結構設計

16、上改善胎冠耐磨性。低溫破壞能與粘彈性能有很好的相關性。降低動態(tài)模量或復合模量可增大低溫破壞能。,,隨著玻璃化轉變溫度Tg的提高,膠料的磨耗上升、濕抓著力也上升。,14,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,新型聚合物的設計: 根據現(xiàn)有聚合物的粘彈譜圖與使用性能的關系,設計胎冠膠用新型聚合物-組合橡膠。這是八十年代典型的高分子設計的范例。,15,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,其他應用: 曾對不同公司生產的炭黑生產的

17、胎冠膠料進行了分析,進口炭黑為卡博特公司的N234炭黑,國產炭黑為天津炭黑廠生產的N234炭黑。,,從圖中可以觀察到不同廠商生產的同品種炭黑的差異。這些差異是無法在化學分析和常規(guī)物性檢測中得到的。,16,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,試驗條件的設定: 根據各公司發(fā)表的相關文獻得知其實驗所用儀器和試驗條件。 不同公司/使用儀器 試驗條件

18、 拜爾公司 12HZ拉伸1% 三菱化工公司 10HZ拉伸1% 橫濱橡膠公司 20HZ拉伸2% 通用輪胎公司 20-100HZ拉伸0.1-4% 助友橡膠公司

19、 10HZ拉伸1% 橋石公司 50HZ拉伸1% 北京橡膠院 11HZ拉伸2% 北京輪胎廠 10HZ拉伸1%,17,用動態(tài)粘彈性能預測輪胎使用特性,研究結論: 輪胎使用性能

20、 試驗室粘彈性能預測參數 參數的期望方向 濕牽引性能 0℃溫度下的G″或Tanδ 高 濕操縱性能 0℃溫度下的G″或Tanδ 高 干牽引性能 室溫下的J″或Tanδ 高 干操縱性能 室溫下的G*

21、 高 滾動阻力 75℃溫度下的Tanδ 低 生熱性和高速性 75℃溫度下的Tanδ 低 冰雪地面牽引性能 -25℃溫度下的G″或G* 低 轉彎系數 室溫度下的G″或G* 高

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