汽車(chē)輪胎氣體微泄漏分析

摘要: 介紹了汽車(chē)輪胎微泄漏的整個(gè)微觀(guān)過(guò)程，以及影響氣體滲透的橡膠材料、溫度、充填氣體種類(lèi)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,擴散系數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(chē)輪胎，在充足氣以后，使用6～12個(gè)月，會(huì )出現不同程度的胎壓下降，對輪胎進(jìn)行檢查，一般也不會(huì )發(fā)現有泄漏點(diǎn)。這樣的微泄漏，通常并不是輪胎胎體、氣門(mén)受到了損傷，而是由于完好無(wú)損的輪胎材料本身氣體滲透所造成的。本文將從微觀(guān)上對造成汽車(chē)輪胎微泄漏的一些原因進(jìn)行分析，希望對汽車(chē)輪胎的生產(chǎn)和使用者能有所幫助。

二、氣體穿過(guò)輪胎橡膠層的過(guò)程分析

汽車(chē)輪胎內的氣體壓力一般為0.2～0.25MPa ，也就是說(shuō)輪胎內氣體分子的密度是輪胎外氣體分子密度的2～2.5倍，這樣在輪胎內外就形成了氣體分子的濃度差。從微觀(guān)的角度來(lái)看氣體分子穿過(guò)輪胎橡膠層是按以下步驟進(jìn)行的（如圖1所示）：

1 在輪胎內側，高壓高濃度的氣體原子或分子在熱運動(dòng)過(guò)程中不斷碰撞到輪胎的內表面；

2 氣體原子或分子逐漸溶解到輪胎內側的橡膠材料內；

3 氣體分子在胎內側的橡膠表面達到溶解平衡；

4 由于濃度梯度的存在，氣體分子向輪胎外側的橡膠材料內擴散；

5 擴散到橡膠外側的氣體分子解吸至空氣中。

氣體分子不停地進(jìn)行上述過(guò)程，zui后導致輪胎的壓力越來(lái)越低。這種滲透過(guò)程非常細微，用常規的檢

測方法無(wú)法檢測到。

 圖1. 氣體分子滲透過(guò)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(guò)橡膠層的幾個(gè)步驟中，擴散是氣體滲透過(guò)程中zui慢又是zui關(guān)鍵的步驟，當同一種氣體透過(guò)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散系數。氣體的擴散現象遵循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，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(chēng)其中的D為“決定于物體本性的常數”，這就是擴散系數，擴散系數D取決于氣體和材料之間的分配系數。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D也會(huì )有所差異。

    需要強調的是，橡膠材料在使用過(guò)程中，會(huì )逐漸老化，其常數D也會(huì )隨之變化。

㈡ 溫度的影響

    擴散系數D與溫度有關(guān)，溫度越高，高分子鏈運動(dòng)越劇烈，氣體分子擴散越容易，擴散系數D隨溫度的升高而增加。擴散系數D和溫度的關(guān)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(wú)限稀釋情況下滲透組分的擴散系數，單位為m²/s

R——普適氣體常數，數值為8.3143J/K·mol

㈢ 胎內充填氣體的影響

    汽車(chē)輪胎充填的氣體為壓縮空氣時(shí)，氣體內通常含有水分、油，會(huì )使輪圈電鍍層被空氣中的氧氣氧化，而導致密封不嚴密，造成胎內氣體外泄。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

四、減少氣體微泄露的幾個(gè)辦法

    對于汽車(chē)輪胎生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，對于不同材料、不同工藝生產(chǎn)出來(lái)的橡膠材料，要加強檢測，并對測試結果進(jìn)行比對，堅持檢測數據指導科研，檢測數據指導生產(chǎn)，針對檢測結果不斷調整工藝、配方，努力把輪胎橡膠材料的擴散系數D降下來(lái)。另外根據Fick Law，適當地增加輪胎橡膠材料的厚度，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。

    對于使用者來(lái)說(shuō)，汽車(chē)輪胎應盡量充填純凈的的氮氣，氮氣分子不僅直徑比較大，并且還有相當的惰性，在相同條件下，不僅其滲透量比較小，還可以減緩輪胎橡膠的老化。