一個汽車輪胎,在充足氣以后,使用6~12個月,會出現(xiàn)不同程度的胎壓下降,對輪胎進行檢查,一般也不會發(fā)現(xiàn)有泄漏點。這樣的微泄漏,通常并不是輪胎胎體、氣門受到了損傷,而是由于完好無損的輪胎材料本身氣體滲透所造成的。上海千實精密機電科技有限公司研發(fā)技術工程師從微觀上對造成汽車輪胎微泄漏的一些原因進行分析,希望對汽車輪胎的生產(chǎn)和使用者能有所幫助。
氣體穿過輪胎橡膠層的過程分析:
汽車輪胎內(nèi)的氣體壓力一般為0.2~0.25MPa,也就是說輪胎內(nèi)氣體分子的密度是輪胎外氣體分子密度的2~2.5倍,這樣在輪胎內(nèi)外就形成了氣體分子的濃度差。從微觀的角度來看氣體分子穿過輪胎橡膠層如圖1所示:
圖1. 氣體分子滲透過程示意圖
氣體滲透的影響因素:
?。ㄒ唬?輪胎材料本身的的影響
如圖1所示氣體穿過橡膠層的幾個步驟中,擴散是氣體滲透過程中最慢又是最關鍵的步驟,當同一種氣體透過不同的材料時,氣體滲透量主要取決于氣體在材料中的擴散系數(shù)。氣體的擴散現(xiàn)象遵循Fick Law(費克定律):
式中,J ——擴散量,單位為g/s
A ——擴散發(fā)生的截面積,單位為m2
D——擴散系數(shù),單位為m2/s
c1——濃度,單位為g/m3
z——距離,單位為m。
這是費克定律的一種形式。費克稱其中的D為“決定于物體本性的常數(shù)",這就是擴散系數(shù),擴散系數(shù)D取決于氣體和材料之間的分配系數(shù)。不同橡膠材料的D是不同的,即使是同一種橡膠材料,由于原料、生產(chǎn)工藝的不同,其物性常數(shù)D也會有所差異。需要強調(diào)的是,橡膠材料在使用過程中,會逐漸老化,其常數(shù)D也會隨之變化。
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擴散系數(shù)D與溫度有關,溫度越高,高分子鏈運動越劇烈,氣體分子擴散越容易,擴散系數(shù)D隨溫度的升高而增加。擴散系數(shù)D和溫度的關系遵循Arrhenius公式:
式中,T ——溫度,單位為K
△E0——擴散活化能,單位為J/mol
D0——無限稀釋情況下滲透組分的擴散系數(shù),單位為m2/s
R——普適氣體常數(shù),數(shù)值為8.3143J/K·mol
?。ㄈ┨?nèi)充填氣體的影響
汽車輪胎充填的氣體為壓縮空氣時,氣體內(nèi)通常含有水分、油,會使輪圈電鍍層被空氣中的氧氣氧化,而導致密封不嚴密,造成胎內(nèi)氣體外泄。同時由于水分、油、氧氣的存在,也會加劇輪胎橡膠的老化,而加速氣體的滲透。
在Arrhenius公式中,ΔED表示擴散活化能,它隨氣體分子直徑的增加而增大,分子直徑的微小變化,會引起ΔE0的迅速增加,而導致分子擴散困難。表1中列舉了空氣中含量比較高的幾種氣體分子的直徑。經(jīng)試驗驗證,對于同一種橡膠,氧氣的滲透量約是氮氣4倍,二氧化碳的滲透量約是氮氣的8倍。這就是為什么輪胎總是選擇充氮氣的原因。
表1.氣體分子尺寸
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