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通过低成本的实验室测试评估橡胶轮胎材料的摩擦机制和磨损率
文章历史：2014年10月2日收到
2015年3月27日接受
2015年4月5日接受
2015年4月10日网上接受
关键词：聚合物，表面滑动，摩擦接触，力学分析，磨损试验，压痕
摘要：
轮胎路面接触是有几种变量的复杂的摩擦学系统的一部分。一旦路面和轮胎都直接或间接地联系到交通安全、燃料消耗、磨损率、噪声的产生等等，就能更好的解释摩擦逻辑变量，可以提供更深层次的关于摩擦磨损的认识现象。在这项研究中，进行了低成本测试，以评估这些现象。此外，还进行了摩擦磨损率的统计分析，使它们与诸如表面能和磨损图案间距等参数相关。因此，该实验有可能验证摩擦粘附机理的存在性和相关性，这在文献中常常被忽略。它还可以验证间接评价橡胶轮胎材料摩擦磨损性能的方法。
1.介绍
路面表面代表轮胎与路面之间的接触介质。它与运输安全、防滑、油耗、噪声产生、磨损率等变量有关，并受摩擦机理的制约，与路面状况和轮胎的橡胶性能密切相关。本文采用穆尔的摩擦公式（1），将摩擦力描述为迟滞和粘着两个数学独立成分之和，在第2节中得到了较好的解释。
虽然路面纹理分析与本文的范围没有直接关系，但其对摩擦的影响是显著的。根据Wambold等人的理论，将路面纹理分为五类，可以用不同波长和振幅的正弦曲线近似。每个纹理类别都与不同的现象有关。例如，在宏观范畴，证明在美国与汽车事故率显著相关，而且宏观上影响噪声产生。因此，对路面表面分析可以更好地理解橡胶摩擦。
另一方面，过度的摩擦损害轮胎，影响其性能。一些研究预测，世界轮胎需求量可能达到33亿个单位的轮胎2015 [ 5 ]，而另一些人强调，橡胶是不是一种可生物降解的材料[ 6 ]。除了环境问题，分析橡胶的性能对了解轮胎与路面接触产生的磨损率也是十分重要的。
另外，除了磨损机理，摩擦也在影响汽车性能方面起重要作用，这是过去几年进行了深入研究的阿蒙顿和库仑所要表明的。直到最近几年研究人员佩尔松[ 7 ]和克鲁勃尔 [8,9]开发了更复杂的摩擦模型。尽管有些作者完全忽略摩擦机制[10,11]粘附成分，本文结合不同的实验室测试条件证明不能忽略。实验对橡胶试样进行了磨损率、摩擦、能量面和磨损模式间距的测量。
目前的研究主要集中在不同的橡胶轮胎化合物的摩擦磨损率的评价的低成本方法，该措施取得了具有统计上的显着的相关性。英国钟摆设备用于评估两个表面接触的摩擦现象，操作成本低，操作简便。以及英国摆式仪、滚筒研磨机，它是用来评价不同橡胶材料的磨损率的设备，还具有运行成本低和易于操作。此外，本研究还提出粘附的重要性以及轮胎-路面相互作用的机理以及橡胶化合物的粘弹性特性对摩擦磨损率的影响。
2.附着力建模
本文以两种不同的、数学上独立的成分来模拟橡胶路面接触相互作用：（i）滞后和（ii）粘着。这种摩擦力的提法是由穆尔（1975）提出的。虽然更复杂的模型已经被提出了，但两摩擦机制分离模型仍然是广泛使用的摩擦模型[8,9]，关于接触作用的评价，本文将进一步探讨。
摩擦迟滞分量是由于橡胶材料悬垂在粗糙表面造成的。这部分的摩擦不仅取决于表面纹理，还包括接触面积的凹凸形状和相对分布，以及橡胶的粘弹性能。橡胶材料的延迟粘弹性响应导致能量耗散，这是温度依赖性的，对轮胎路面的相互作用起着重要作用。粘结力的来源在这里被分为五个不同的类别：（i）化学（ii）分散，（iii）静电，（iv）扩散，及（v）微观滞后。五种粘附源的详细描述如下。
第一个列出的粘附源是化学反应源，当两个表面通过化合物连接，交换电子，形成离子键，或共享电子，从而形成共价键[ 11 ]。第二个粘着源是分散机制，即范德瓦尔斯力的形成。这些分子间作用力将两个表面结合在一起[ 12 ]。第三个来源，静电粘附，形成吸引力，因为两个表面交换电子，形成一个负的表面和一个积极的相互吸引[ 11 ]。两溶性高分子材料相互作用时，聚合物链的相互渗透产生的粘附力，产生使粘连的第四种机制，扩散[ 11 ]。最后，附着力第五源是微观滞后，这是粘弹性耗散在表面微结构的结果。这种机制类似于摩擦的滞后成分，但在微观尺度上。它最初是由穆尔（1）提出的，作为理解微观粗糙度摩擦的另一种方法。在轮胎路面接触作用中，粘着最主要的来源是分散性和静电性[ 11 ]。静电机制高度依赖于湿度，只留下分散的附着力作为粘合剂的来源在轮胎路面交互作用。虽然一些作者提出，附着力几乎微不足道[13,14]或完全忽视粘附力[10,11]，本文提出了不可忽略的粘连，或更具体地说，这是在轮胎与路面接触的分散机理。
根据穆尔的配方，摩擦粘合组件依赖摩擦学系统的粘附能力。最初考虑橡胶体在刚性表面上滑动。在初始阶段，粘合力产生于橡胶表面和给定粗糙接触面上的刚性表面。这个初始阶段被称为“坚持阶段”。当两个表面之间的相对运动继续时，结应力最终超过了结电阻。此时，第二阶段称为“分离阶段”。部分能量被储存为弹性变形，以适应接合面与两个表面的相对运动的接合。部分能量损失，由于橡胶的粘弹性特性而消散，部分由于在恢复阶段的表面摩擦而失去。注意，由于面内剪切，接近粘滑现象，或是正常牵引，接近粘扣现象，连接处可能会失效。当表面结出现故障时，在分离阶段，它被认为是一对新的表面被创建，这些表面以前是由粘合力连接在一起的。考虑两个实体单元面积表面连接在一起，需要工作来分离它们并创建两个单位面积表面（从（15）调整）。这项工作，即粘附功，可以由表面能的几何平均值来估计，如公式（1）所示，其中gamma;1和gamma;2是接触体的表面能量[ 15 ]。
Wadh12=2radic;gamma;1gamma;2 (1)
约翰逊等人已经预测了表面能量和分离一个接触所需的机械功之间的关系。[ 16 ]。利用断裂力学类比，考虑应变能、势能和界面能，可以使用能量平衡。接线故障建模为模式1裂纹扩展，类似于Maugis和barquins [ 17 ]提出的公式，公式（2）可以得到[ 18 ]G代表一个结失效的能量释放率，f是比例常数。这就使得粘着摩擦与表面能相联系。
G=Wadh12=ѱ,=2fradic;gamma;1gamma;2 （2）
公式（2）表示一个平衡条件，因为能量释放率等于粘附功。创建一个新的无穷小的表面所需要的能量是Wadh12dA。当两个无限小的表面分离时释放的能量是GdA。当两表面状况连接是积极有利的，G＜Wadh，接触面积增大，形成新的连接。当断开连接更有利时，为了减少总接触面积，会发生滑动或折断。这一提法提出连接粘着摩擦的表面能和表面的不稳定性也发生在橡胶上。
3.沙尔马赫波
一个简单和直接的方式来分析橡胶材料具有较高的耐磨损的间距由滚筒研磨机试验[ 19 ]创建观察得出，Muhr和罗伯茨[ 20 ]和Gent[ 21 ]确认，脊的高度和间距的增加与日益严重的磨损密切相关。也可以通过Fukahori和Yamazak[ 24 ]和Uchiyama和Ishino图1中的研究结果证实这一观点。
另外，Fukahori和Yamazaki描述了一个实证方程，记入Schallamach [ 26 ]和Ratner等人。[ 27 ]，提出一个磨损率（V）和模式间距（SP）之间的更直接的关系。公式（3），其中K和n均为常数。
V=Ktimes;Spn (3）
尽管Schallamach波的形成仍然是一个悬而未决的问题，这可能是跟橡胶模的局部变化相关，磨损模式可能的形成机理与粘滑现象有关。根据Fukahori等人的研究，[ 28 ]在一定的滑动速度和接触压力条件下，磨损模式的形成与橡胶的周期性粘滑运动有关。按照这种方法，磨损图案的存在表明接触中与粘着摩擦的相关性。虽然没有这种模式，但并不表示没有粘合效果，因为图案仅是在一定的接触条件下形成的。因此，对Schallamach波检测橡胶不仅是指示性的磨损率，如式（3），但此前提出也表明粘着摩擦相关的特定联系。
图1 通过实验获得的磨损率与图案间距之间的线性关系
在左侧，异戊二烯橡胶（IR）轮的周边被摩擦抵靠在钢筒[25]上，并且在右侧，钢滑块相对于由未填充的天然橡胶（NR1，◒）制成的橡胶块样本上稍微滑动 （NR3，◐），丁二烯橡胶（BR2，△），未填充硅橡胶（SR1，▽）和微填充丁苯橡胶（SBR2，▲）。
4.材料和方法
橡胶试样的分析在这项工作中包括三个橡胶轮胎化合物的代表和标准的英国摆锤试验橡胶。三层复合样品标记的RA、RB、RC为代表，分别为一个标准的商用轮胎，绿色轮胎，一个赛车轮胎。最后，最后，英国摆锤测试标准橡胶被标记为RASTM。这项工作的所有橡胶标本制作、倍耐力轮胎由巴西提供。RASTM遵循ASTM的橡胶滑块规范。两个样本的几何形状被用于这项工作：（i）为英国摆式滑块的矩形试样，和（ii）一个圆柱形试样，磨损和表面能量测量。为了确保统计分析的正确数据，随机选择了测试顺序和样品。
“几个变量可能影响英国的钟摆试验，即温度、润滑条件、橡胶滑块、车身特性、路面或反身体特征。为了充分理解英国摆锤的结果，用系统的方法，所有上述的变量都必须被控制。维埃拉[ 18 ]英国摆锤被用来评估橡胶试样在在不同环境温度、润滑条件、路面纹理的路面摩擦系统的摩擦响应。作为一个验证性的测量集，同样的橡胶滑块进行了评价，以砂纸作为计数器体，代替路面。这个测量装置的砂纸和磨损试验的砂纸是一样的。摩擦试验，在USP的路面技术实验室进行（LTP）。摩擦试验遵循了英国钟摆试验的ASTM标准[ 30 ]，并作了一些修改。有关详细信息，请参见维埃拉[ 18 ]。本文提出的是在1700次的英国摆锤试验允许下的分析和结论。
对4种不同的橡胶化合物的磨损评价，采用滚筒式研磨机，按照ASTM建议[ 19 ]。研磨片在砂纸范围，按FEPA P P60氧化铝砂纸，具有平均直径262毫米。三维干涉仪进行砂纸打磨表面，允许与平滑周期图技术，测量压痕频率主要为英国摆在砂纸摩擦橡胶。在测试过程中，用刷子清洗磨料轨迹，避免产生的碎片干扰结果。在静水压力测量之前，按照ISO的建议[ 31 ]对试样进行酒精清洗，去除碎片并避免气泡形成。磨损试验是在实验室进行的表面现象（LFS）USP。为了提供给定的磨损量值，在进行磨损试验前，对每种橡胶试样进行四次测量。
在摩擦试验和磨损试验后，用光学显微镜对橡胶表面进行了分析。在磨损试验的圆柱形样品和用于摩擦试验的滑块样品上都观察到磨损图案。磨损模式是Schallamach波[ 32 ]代表。为了评估这种磨损模式的强度或严重程度，根据费雷拉[ 33 ]提出的程序，对每一个试件的平均波长进行了评估。在此过程中，平均波长被评估在一个固定长度为7.5毫米的方向且平行于相对表面。运动测试期间，表面分析是在美国药典的表面现象实验室进行的。圆柱形样品是首选的平均波长测量，因为他们受到较少的运行，并不像橡胶滑块，他们没有受到影响，这可能会导致更严重的磨料现象。然而，磨损Schallamach波上清楚地观察到所有的橡胶试样，包括圆柱和橡胶滑块。图2给出了穿Schallamach波在圆柱试样上的情况。
对于表面能的评价，圆柱形标本，由于其体积小、允许在试验装置更好地操纵。能量评估应用接触角滞后法[ 15 ]。用于能源评估的两种选择的液体是水和甲烷二极管。在进行表面能量评价之前，所有标本都要经过清洗处理，以去除表面上可能影响评价结果的任何污染物。清洗过程包括用蒸馏水、异丙醇和超声波浴清洗标本。关于如何制备表面试验用橡胶的文献中发现了许多不同的方法[ 34 ]。即使有几种选择，表面准备也没有标准化的程序。为了避免橡胶材料的降解可能干扰的结果，先前提出的方法，尽可能保持橡胶特性。
图2 橡胶试样上的磨损模式，（a）RC上的较大波长和（b）在RB上的比较
图3 表面能评价：（a）水和（b）甲烷
表面能的测量是在圣保罗州立大学的技术等离子体实验室进行。对三种橡胶混合物的样品进行了测试。图3给出了表面能的测量是达因每厘米（1达因=10-5N）。
5.结果与讨论
该实验的实验结果总结于表1。它包括英国钟摆实验在路面和砂纸上的摩擦测试，旋转鼓研磨机的磨损测试，光学显微镜上的平均磨损波长和接触角滞后方法的表面能。此外，在牵引状态，10赫兹的频率，温度23摄氏度下，巴西的倍耐力轮胎进行三角切线.。从两个表面之间测试的摩擦系数约为100倍[ 35 ]，因此，无量纲化。失去的能量可以由方程（4）估计，其中D是英国摆，接触长度12.7厘米，FN是由摆施加法向力，22.2 N [ 36 ]，u是摩擦系数，W是摆锤重量，H-h表示从初始位置到最后的位置摆的高度差。
DFNu=W(H-h） （4）
初步分析摩擦的结果，一个适当的统计分析后，双
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