汽車輪胎氣體微泄漏分析

摘要: 介紹了汽車輪胎微泄漏的整個(gè)微觀過程,，以及影響氣體滲透的橡膠材料、溫度,、充填氣體種類等三種因素,，并給出了減少微泄漏的方法。
關(guān)鍵詞：微泄漏,滲透,擴(kuò)散系數(shù)D

 

Analysis of Auto Tyre Minim Leak

Abstract: The paper introduces the full microcosmic process of auto tyre minim leak,  and the three kinds of factor affecting leak,  rubber material; temperature; the kinds of gas. At last the paper introduces the way of reducing auto tyre leak quantity.

Keywords: toothful leak,  permeability,  diffusivity coefficient D,  test

一,、概述

    一個(gè)汽車輪胎,，在充足氣以后，使用6～12個(gè)月,，會(huì)出現(xiàn)不同程度的胎壓下降,，對(duì)輪胎進(jìn)行檢查,，一般也不會(huì)發(fā)現(xiàn)有泄漏點(diǎn),。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。本文將從微觀上對(duì)造成汽車輪胎微泄漏的一些原因進(jìn)行分析,，希望對(duì)汽車輪胎的生產(chǎn)和使用者能有所幫助,。

二、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是按以下步驟進(jìn)行的（如圖1所示）：

1 在輪胎內(nèi)側(cè),，高壓高濃度的氣體原子或分子在熱運(yùn)動(dòng)過程中不斷碰撞到輪胎的內(nèi)表面,；

2 氣體原子或分子逐漸溶解到輪胎內(nèi)側(cè)的橡膠材料內(nèi)；

3 氣體分子在胎內(nèi)側(cè)的橡膠表面達(dá)到溶解平衡,；

4 由于濃度梯度的存在,，氣體分子向輪胎外側(cè)的橡膠材料內(nèi)擴(kuò)散；

5 擴(kuò)散到橡膠外側(cè)的氣體分子解吸至空氣中,。

氣體分子不停地進(jìn)行上述過程,，zui后導(dǎo)致輪胎的壓力越來越低。這種滲透過程非常細(xì)微,，用常規(guī)的檢

測(cè)方法無法檢測(cè)到,。

 圖1. 氣體分子滲透過程示意圖

三,、影響氣體滲透的因素

㈠ 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(gè)步驟中,，擴(kuò)散是氣體滲透過程中zui慢又是zui關(guān)鍵的步驟,，當(dāng)同一種氣體透過不同的材料時(shí)，氣體滲透量主要取決于氣體在材料中的擴(kuò)散系數(shù),。氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象遵循Fick Law（費(fèi)克定律）：

式中,，J ——擴(kuò)散量，單位為g/s

A ——擴(kuò)散發(fā)生的截面積,，單位為m²

D——擴(kuò)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(fèi)克定律的一種形式。費(fèi)克稱其中的D為“決定于物體本性的常數(shù)”,，這就是擴(kuò)散系數(shù),，擴(kuò)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(huì)有所差異,。

    需要強(qiáng)調(diào)的是，橡膠材料在使用過程中,，會(huì)逐漸老化,，其常數(shù)D也會(huì)隨之變化。

㈡ 溫度的影響

    擴(kuò)散系數(shù)D與溫度有關(guān),，溫度越高,，高分子鏈運(yùn)動(dòng)越劇烈，氣體分子擴(kuò)散越容易,，擴(kuò)散系數(shù)D隨溫度的升高而增加,。擴(kuò)散系數(shù)D和溫度的關(guān)系遵循Arrhenius公式：

式中，T ——溫度,，單位為K

△E₀——擴(kuò)散活化能,，單位 為J/ mol

D₀——無限稀釋情況下滲透組分的擴(kuò)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

㈢ 胎內(nèi)充填氣體的影響

    汽車輪胎充填的氣體為壓縮空氣時(shí),，氣體內(nèi)通常含有水分、油,，會(huì)使輪圈電鍍層被空氣中的氧氣氧化,，而導(dǎo)致密封不嚴(yán)密,，造成胎內(nèi)氣體外泄。同時(shí)由于水分,、油,、氧氣的存在，也會(huì)加劇輪胎橡膠的老化,，而加速氣體的滲透,。

    在Arrhenius公式中，ΔE_D表示擴(kuò)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(huì)引起ΔE₀的迅速增加,，而導(dǎo)致分子擴(kuò)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(yàn)驗(yàn)證,，對(duì)于同一種橡膠,，氧氣的滲透量約是氮?dú)?/span>4倍，二氧化碳的滲透量約是氮?dú)獾?/span>8倍,。這就是為什么輪胎總是選擇充氮?dú)獾脑颉?/span>

表1 氣體分子尺寸

四,、減少氣體微泄露的幾個(gè)辦法

    對(duì)于汽車輪胎生產(chǎn)廠家來說，對(duì)于不同材料,、不同工藝生產(chǎn)出來的橡膠材料,，要加強(qiáng)檢測(cè)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì),，堅(jiān)持檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)科研，檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn),，針對(duì)檢測(cè)結(jié)果不斷調(diào)整工藝,、配方，努力把輪胎橡膠材料的擴(kuò)散系數(shù)D降下來,。另外根據(jù)Fick Law,，適當(dāng)?shù)卦黾虞喬ハ鹉z材料的厚度，也可以降低氣體滲透量,，再者選擇適合的大分子直徑氣體做為胎壓氣體,。

    對(duì)于使用者來說，汽車輪胎應(yīng)盡量充填純凈的的氮?dú)?，氮?dú)夥肿硬粌H直徑比較大,，并且還有相當(dāng)?shù)亩栊裕谙嗤瑮l件下,，不僅其滲透量比較小,，還可以減緩輪胎橡膠的老化,。