1、专论综述弹性体，（）：作者简介：行祺程（），男，河北邯郸人，在读硕士研究生，主要从事橡胶摩擦性能的研究工作。通讯联系人：尹海山（），男，山东莘县人，教授，主要从事橡胶基复合材料性能方面的研究工作。收稿日期：轮胎用橡胶材料摩擦性能研究进展行祺程，仇星文，尹海山（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 ）摘要：重点阐述了轮胎用橡胶摩擦理论在近年来的一些研究进展，简要介绍了橡胶摩擦学理论方面的一些基础研究成果，同时分磨面特征及环境、动态参数、橡胶配方及轮胎结构几个方面介绍了轮胎用橡胶摩擦性能的影响因素。列举了关于轮胎摩擦的常见宏观唯象模型及微观解析模型，分析了摩擦模型研究的进展和不足，展望了轮胎用橡
2、胶材料的摩擦性能在未来的研究方向。关键词：橡胶；摩擦；影响因素；环境；摩擦模型中图分类号：文献标识码：文章编号：（）橡胶材料是一种典型且常见的具有可逆形变的高分子聚合物材料，正因为其具有的高弹性、黏弹性，较好的抗蚀、抗油性，较好的柔软性，较好的电绝缘性能、不易导电等独特性能，所以被广泛应用于制造轮胎、减震配件、医疗设备配件及各种胶带、胶管等物品，尤其在车辆轮胎上得到广泛的应用，并成为车辆轮胎中不可或缺、无法代替的重要原材料。轮胎是在车辆系统中对汽车操纵稳定性有着重要作用的部件，滚动的轮胎与地面的摩擦作用产生的力和力矩直接影响到车辆运动，轮胎操纵稳定性的优劣直接决定车辆操控性能的好坏，直接关乎车
3、上乘客的生命安全。而轮胎的主要原材料就是橡胶，由于橡胶的黏弹性，橡胶的摩擦特性与温度、压力、速度等参数息息相关。这导致了车辆在不同的行驶条件下，轮胎用橡胶的性能差异会很大，如何保证轮胎用橡胶的低滚阻、抗湿滑一直是轮胎研究的热点及难点。由于橡胶摩擦特性的研究是涉及摩擦学，轮胎结构学，路面统计学等多个学科的交叉学科，故该轮胎所用的橡胶材料其本身的物理性能并不仅仅是影响轮胎的摩擦特性的唯一因素，还与轮胎路面接触方式、路面特征等因素相关，诸多因素使得橡胶摩擦机理的研究一直是当今轮胎学术研究与工程研究的难点、热点，是亟须解决、富有挑战性的课题 。本文介绍轮胎用橡胶材料摩擦性能研究进展将从橡胶摩擦机理、影
4、响因素、摩擦模型等方面依次介绍。橡胶摩擦机理长期以来，人们从实验测试和理论研究两方面对橡胶开展了大量的研究工作，以求更深入地认知橡胶摩擦特征和机理。橡胶摩擦的机理也不同于一般金属材料，其力学特性具有超弹性，这导致橡胶与坚硬物体表面的实际接触面积与同等条件 下 的 一 般 固 体 并 不 相 同。和 早在半个多世纪前就指出了金属的摩擦的主要能量耗损是界面的塑性变形。从微观上来说，金属之间的摩擦是微凸体与微凸体之间的高压力剪切，这与具有黏弹性的橡胶材料是有着本质区别的。一般认为，车辆轮胎与路面接触时的摩擦主要包括两个部分，一部分称之为滞后摩擦，是橡胶在运动过程中受到外在的激励作用下，所发生黏弹性能
5、量损失而形成的，如图所示。另一部分DOI:10.16665/ki.issn1005-3174.2022.06.011称之为黏附摩擦，是接触物表面的分子与橡胶表层由于分子间力的作用产生黏连而形成的。图橡胶摩擦机理当接触物体与橡胶材料发生相对滑动时，接触物表面的分子与橡胶表层由于分子间力的作用产生黏连，形成局部黏着点，在滑动过程中橡胶表层与接触物表面黏连的分子被拉伸然后松弛、断裂，从而材料之间的相对运动被阻碍 。而黏附摩擦力是表面力，滑动过程中黏附摩擦力所做的功即黏附造成的能量损失。橡胶摩擦的黏附和滞后分量对橡胶摩擦力的贡献大小与对磨面的几何形状及表面状态密切相关。若对磨面非常光滑，则橡胶所受的摩
6、擦力中黏附项的占比上升。当橡胶相对于粗糙表面滑动时，粗糙表面的微凸体和具备的黏弹性的橡胶表面接触，橡胶表面产生弹性形变导致应力集中，从而引起不均匀的应力分布。由于黏弹性橡胶的压缩过程比松弛过程需要更多的能量，其能量差就是黏弹滞后损失。若磨面非常粗糙，由于对磨面的突起导致橡胶发生黏弹性变形，进而导致橡胶发生能量耗散，此时橡胶所受的摩擦力中滞后项的占比上升。若橡胶与对磨面的界面处存在润滑作用，则可大大减小黏附项，此时滞后项占主要地位。影响橡胶摩擦性能的因素橡胶的摩擦特性具有典型的热力耦合特性，受到路面温度或其本身的温度、压力和滑动速度等因素的影响，导致其特性较为复杂。作为常见且典型的橡胶制品的车辆
7、轮胎，在使用中除了受到温度、压力、滑动速度等因素的制约，还与路面污染物、环境湿度、橡胶配方及轮胎结构有关，这就导致轮胎摩擦特性的研究十分困难。轮胎的摩擦性能大致与三种因素有关：磨面特征及环境、动态参数、橡胶配方及轮胎结构。磨面特征及环境作为轮胎主要原材料的橡胶材料具有黏弹性，这使得轮胎与路面之间的接触摩擦不能完全通过经典的摩擦定律来解释，胎路接触机理需要综合考虑各方面因素，从摩擦学、路表特性以及汽车动力学等方面来进行相关的研究。如图所示，不同种类的路面对摩擦所产生的影响也不同，在一定情况下，粗糙路面的颗粒会造成摩擦系数增大，另外污染物、湿度、温度等条件也会对摩擦产生影响，而在气温较低的冬季，结
8、冰的路面与轮胎的摩擦机理会变得更加复杂 。图不同种类的路面轮胎胎面与路面之间产生的摩擦牵引力在很大程度上决定了行驶、制动和转弯的稳定性。为了满足轮胎控制在不同时间、不同污染程度路面上的所需要求，开发综合性能优异的轮胎，各国的研究人员从实验和理论两方面开展了大量的研究工作。一般认为，环境温度会对轮胎的附着能力有较大的影响。轮胎的温升来自于两种热源，一部分是接地面的摩擦热，另一部分是滚动过程中由橡胶材料滞后摩擦引起的生热。一方面，温度增加使得橡胶分子链的分子运动加剧，引起内部损失减少和刚性下降，从而导致摩擦因数减小；另一方面，由于分子的运动程度变化的更加剧烈，接触面上橡胶的黏弹性导致橡胶与路面的实
9、际接触面积增加，从而导致摩擦因数增大。在一定条件下，高 温 也 会 引 起 轮 胎 橡 胶 的 滞 后 摩 擦减小 。近年来，石伟等研究了天然橡胶在 温度范围内的各项力学性能和交联密度等参数的对应关系，实验表明在高弹态区域内，橡胶的弹性模量和硬度随着温度的上升均呈现下降的趋势，交 联 密 度、拉 伸 强 度 也 随 之 下 降。王 强等 通过调整车辆轮胎胎面的配方及制备工艺设计等方法，研究了车辆轮胎冰雪路面摩擦特性与橡胶材料物理机械性能的相互影响规律，提出了车辆轮胎胎面橡胶的抗拉强度、撕裂强度、扯断第期行祺程，等 轮胎用橡胶材料摩擦性能研究进展伸长率、耐磨指数、回弹性等与压实冰面摩擦系数和压实
10、雪面摩擦系数呈线性正比关系；定伸应力、定伸应力、邵尔硬度与压实冰面摩擦系数 和 压 实 雪 面 摩 擦 系 数 成 线 性 反 比 关 系。研究了丁苯橡胶在在粗糙表面滑动时，接地形状不同但接地面积相同的情况下的摩擦差异，认为接地形状会影响前缘卷曲，并分析了摩擦加热等机理导致这些差异的影响。刘金朋 提出环境湿度对轮胎的温度影响较大，并提出了环境湿度的增加将会在很大程度上起到了降温的作用，一定程度上抑制了接触面间摩擦热对于橡胶降解的影响。动态参数橡胶的动摩擦特性与速度、压力、温度、侧偏角和侧倾角等多种因素有关，尤其是温度。轮胎在实际行驶过程中由于其与地面间的摩擦生热现象及高频变形引起的滞后生热，导
11、致轮胎的内部及表面温度逐渐升高，当其逐渐提升至临界温度时，轮胎帘线的物理特性将会大大降低，有可能导致脱层与爆胎，从而影响车辆行驶的安全性。周忠伟等 测试了规格为 的轮胎在行驶过程中的胎冠及轮胎内部温度，如图所示。当行驶速度从 提高至每 时，轮胎内部的温度由 提高到，轮胎胎冠部位的温度由 提升到。可以看出轮胎温度随着行驶速度的增加而升高，且二者近似呈线性关系。行驶速度（）图轮胎温度与行驶速度的关系曲线 这是因为随着轮胎行驶速度的提高，轮胎在运动过程中的变形频率也逐渐加大，其在单位时间内生热也逐渐增多，使得轮胎温度升高。由此可见，为了保证行车的安全性，行驶过程中的车辆应充分考虑到行驶速度对轮胎生热
12、的影响。早期，提出橡胶摩擦在性质上类似于黏性流体，证明了橡胶的摩擦系数与速度的变化关系不是单调的，它总是在特定的速度时达到峰值，并认为是摩擦过程中温度的升高导致了摩擦力逐渐减小。通过研究冰面上橡胶的动摩擦特性，定性地描述了橡胶摩擦系数和 速 度 的 关 系，当 滑 动 速 度 从 增 加 到 时，摩擦系数逐渐增加，然后随着滑动速度的进一步增加，摩擦力逐渐减小。通过实验表明橡胶摩擦系数与温度和滑动速度这两个因素息息相关，并提出温度和速度是独立影响橡胶摩擦系数的两个参数。研究了不同载荷对丁苯橡胶摩擦系数的影响，并讨论了由载荷变化引起的黏附分量和迟滞分量对摩擦系数的贡献。在实际行驶中，轮胎所受的驱动
13、离心力和轮胎的温度均被轮胎的行驶速度所影响，故行驶速度会多方面的影响轮胎的力学性能。橡胶材料具有的温度敏感特性，轮胎温度的提升会影响橡胶材料的摩擦性能和剪切模量，进而影响轮胎力学特性。同时轮胎力的分布也会影响轮胎温度，因而呈强烈的热力耦合摩擦特性。但目前，考虑热力耦合作用下的摩擦特性研究较少。胶料配方及轮胎结构加入填料是改变橡胶摩擦性能的传统且有效的方法，传统的填料如炭黑、白炭黑等的适量添加已经被证明可以有效改变橡胶的摩擦学性能。除此之外，碳纳米管、石墨烯等新型填料也会影响橡胶的力学性能。即胶料配方的不同会影响到橡胶的玻璃化温度、硬度、断裂伸长率、定伸应力、弹性模量等。近年来，潘路奇等 研究了
14、碳纳米管复合硫化丁苯橡胶的摩擦特性，模拟结果表明碳纳米管硫化复合丁苯橡胶能提高丁苯橡胶的玻璃化转变温度和分子链刚性，增强橡胶的抗剪切性能，减小剪切形变，降低迟滞损耗，从而减小摩擦因数。安林 对填充不同炭黑份数不同测试环境温度下的硫化胶，进行了压缩生热的热力耦合仿真分析，研究了不同炭黑份数对生热传热的影响。裴高林等 研究了丁腈橡胶在丙烯腈含量不同的情况下，水滑摩擦性能的变化，结果表明丁腈橡胶在丙烯腈含量越高的情况下，静摩擦系数和低速下的动摩擦系数越大；在较高速的混合润滑阶段，丁腈橡胶在丙烯腈含量越高的情况下，其摩擦系数越小；在滑动速度进一步提高至进入弹流润滑阶段弹性体第 卷时，丁腈橡胶的丙烯腈含
15、量高低对摩擦系数的影响不大。等研究了橡胶滞后和非线性黏弹性，并认为摩擦系数与应变的大小直接相关。橡胶材料摩擦模型研究现状橡胶作为一种黏弹性物体，其橡胶摩擦机理不同于一般金属材料，物理特性介于液体和固件之间，其摩擦性能的表达模型一般分为两种：一种是宏观唯象摩擦模型，另一种是微观解析摩擦模型。概括实验事实得到的摩擦物理规律称之为宏观唯象模型。研究了橡胶在坚硬表面上的摩擦，认为橡胶的摩擦系数与温度、速度两大因素密切相关，且存在着时温等效特性。结果表明，随滑动速度或温度的提高，摩擦系数会增大到最大值之后下降。认为稳态条件下对摩擦系数贡献最大的黏附摩擦取决于给定正常压力下的滑动速度和温度，其在 的实验基
16、础上，把橡胶在低速状态下的动摩擦系数近似看做静摩擦系数，将摩擦系数与速度的对数曲线以指数函数的形式表达，得到了摩擦系数与滑移速度的关系，见式（）：（）（）（）（）（）式中：为静态摩擦系数，为最大摩擦系数，即（）的最大值，为橡胶黏弹性相关参数，为与所对应的滑动速度。等 测量了侧偏滚动工况的轮胎，接触压力和滑移速度不同的情况下胎面摩擦系数的变化情况。认为速度、接触压力、温度是分别影响摩擦系数的三个参数，但在建立模型时为了公式的简洁，放弃了相对难以控制和测量的温度，建立的相应表征公式为式（）：（，）（）式中：、和为摩擦相关系数，为接触压力，为速度。等 同样认为橡胶材料在不同接触表面上的摩擦行为受到接触压力、相对滑动速度和环境温度的强烈影响，在混凝土和冰面上进行了滑动速度和接触压力不同的实验，得到了橡胶块试件的摩擦系数，并将环境温度对摩擦的影响考虑在和速度相关的参数中，随之提出了相关的表达式（）：（，）（）式中：为滑动速度，为接触压力、为滑动速度的相关参数，、为接触压力的相关参数。等 建立的二项式摩擦模型以及 构建的分形摩擦模型是最有代表性的微观解析摩擦模型。分形摩擦模型以及二项式摩擦模型都指
