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1、·52·世界橡胶工业1998橡胶摩擦与摩擦系数的测定张文刚(上海橡胶制品研究所)由于橡胶摩擦机制的复杂性,ISO、ASTM、BS、JIS等标准中尚没有关于测定硫化橡胶滑动摩擦系数的篇章。本文从摩擦机制的研究出发,探讨了我国化工行标HG/T2729-95《硫化橡胶与薄片摩擦系数的测定(滑动法)》制订的思路与不足之处。关键词:橡胶摩擦,滑动摩擦,粘附摩擦,滞后摩擦引言橡胶摩擦是一种非常复杂的现象。对这种复杂现象的研究,前人已经做了不少工作,至今仍在继续。我们的着眼点是在研究橡胶摩擦机制的基础上,研究正确地测试出橡胶的滑动摩擦系数的方法,从而为实际应用服务
2、。橡胶摩擦的机制说到摩擦,不免需要回顾一下刚性体之图1橡胶摩擦主要的组分间滑动摩擦的情况。显然,众所周知,摩擦系粘附摩擦数只是与接触面之间的情况有关,而与垂直一般,当橡胶与路面接触时,粘附就形成压力、表观接触面积及滑动速率的大小无关。了。其滑动时,可以设想在橡胶和路表面之间然而,橡胶与刚性体发生摩擦的情况就的空间里,反复发生了粘附被破坏的现象,不同了,由于接触面发生了弹性变形,其摩擦Bartenev等人以分子的动态粘附—滑动模型现象就复杂多了,摩擦系数就不再是个固定对此进行了解释(1),见图2。值,而受到垂直压力、滑动速率以及温度的显著影响。对橡胶摩
3、擦来说,通常主要由以下三种摩擦组成:a、粘附摩擦;b、滞后摩擦(变形损失摩擦);c、气窝摩擦(包括由特殊条件引起的其它摩擦)。一般来说,前两种摩擦机制是主要的,见(1)图2粘附摩擦机制图1因此可以写成F=F粘附+F滞后(1)第1卷第1期橡胶摩擦与摩擦系数的测定·53·a、粘附发生于A点;切破坏力)随滑动速率的增加;而增加;而分b、当弹性试样以速度V经过一段距离子化学键的数目(表征粘附的程度)则随之减移动时,拉伸力增加,弹性能贮存在粘附元少。这两种情况是竞争发生的,滑动速度增加中。到某一数值时,作用于分子间的化学键力成c、当A点的粘附破坏时,其贮存的能
4、量为占优势的一方,而超过某一速率时,粘附程会失去部分,而粘附元则粘附在新的A点。度的减少就成为占优势的一方了。结果,粘附粘附摩擦力在造成粘附破坏方面是重要摩擦力作为滑动速率的函数有一个最大值。的,由于橡胶在压力下发生弹性变形,因此,滞后(变形)摩擦处于弹性体变形中的橡胶与水平路面之间的当橡胶在粗糙的无规则的路面上滑动真正的接触面积是不与垂直压力W成正比时,橡胶的一部分就与路面的凹凸不平处接的。这在已经获得的经验公式中很容易得到触,并受到反复的压缩与复原。由于橡胶是一证实。种粘弹性材料,在反复的压缩与复原期间,其nA=K1W(2)聚合物分之链之间、聚合
5、物分子与填料之间这里K1是常数,n=3/4～8/9产生相互作用,从而导致了能量损耗(滞后损粘附摩擦力F粘附和摩擦系数可以写失)。这种能量损耗必须由外力做的功来予以成:弥补,这个外力就是滞后摩擦力。nF粘附=K2A=K1K2W(3)图3是滞后摩擦力的一种模型。(这里K2也是常数)从图中,我们可以看到与静止位置(A)n-11-n=F粘附/W=K1K2W=K1K2/W(4)相比,当橡胶开始在路面上滑动时(B),在路因为1-n>0,等式(4)说明,当垂直压面突出部的压力分布的改变是不对称的,同力W增加时,摩擦系数就变小了。时在突出部的边缘区域产生一个滞
6、后作用力在粘附摩擦力中,分子间的化学键力(剪——滞后摩擦力。这个滞后力随滑动速度的图3不规则路面与橡胶的相互作用在滞后摩擦中的效应·54·世界橡胶工业1998增加而增加。当滑动速率超过某一值后,橡胶的形变在通过这一突出部位后滞后了,这样在路面的下一个突出部位,压力分布的形状缓慢地趋向一个对称的形状(接触面积和形变程度都减小了),因此滞后摩擦力也减小了(C)。结果,滞后摩擦力像粘附摩擦力那样,在某一滑动速率下,有最大值。橡胶摩擦的粘弹特性[2]Grosch的实验表明,橡胶的摩擦系数表现一种Willams-Landel-Ferry(WLF)类图4对不同
7、摩擦表面的NBR的摩擦系数与滑动速率的对应曲线。的对温度的依赖性。这意味着就摩擦系数而言,温度和速度是等价的,并且能通过WLF摩擦系数的测定转变被相互变换。这种温度和滑动速率转换规律关系的有效性通常可以用聚合物材料的由于上面所述的橡胶摩擦现象的复杂粘弹特性加以证明。[6]性,对它的研究直到现在仍在继续。尽管在(1)Moore曾基于橡胶的动态粘弹特性,ASTM标准中收集了测试车辆行驶时轮胎用下列等式表示橡胶的摩擦力:[7,8,9]湿摩擦力的方法。,但是在涉及硫化橡rF粘附=K1S(E′/P)tg(5)胶摩擦系数的领域中,ISO、ASTM、JIS、BS
8、、nF滞后=K2S(P/E)tg(6)NF、DIN等都没有成熟的标准发布。随着经这里P为垂直压力;S为橡胶
