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汽車輪胎氣體微泄漏解析

  一個(gè)汽車輪胎,在充足氣以后,使用6~12個(gè)月,會出現(xiàn)不同程度的胎壓下降,對輪胎進(jìn)行檢查,一般也不會發(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。上海千實(shí)精密機(jī)電科技有限公司研發(fā)技術(shù)工程師從微觀上對造成汽車輪胎微泄漏的一些原因進(jìn)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.jpg

  圖1. 氣體分子滲透過程示意圖

  氣體滲透的影響因素:

  (一) 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最慢又是最關(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):

費(fèi)克定律.jpg

  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也會有所差異。需要強(qiáng)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。

  (二)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:

Arrhenius公式.jpg

  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

  (三)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(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,對于同一種橡膠,氧氣的滲透量約是氮?dú)?倍,二氧化碳的滲透量約是氮?dú)獾?倍。這就是為什么輪胎總是選擇充氮?dú)獾脑颉?/p>

表1.jpg

  表1.氣體分子尺寸

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