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汽车轮胎气体微泄漏解析

  一个汽车轮胎,在充足气以后,使用6~12个月,会出现不同程度的胎压下降,对轮胎进行检查,一般也不会发现有泄漏点。这样的微泄漏,通常并不是轮胎胎体、气门受到了损伤,而是由于完好无损的轮胎材料本身气体渗透所造成的。上海千实精密机电科技有限公司研发技术工程师从微观上对造成汽车轮胎微泄漏的一些原因进行分析,希望对汽车轮胎的生产和使用者能有所帮助。

  气体穿过轮胎橡胶层的过程分析:

  汽车轮胎内的气体压力一般为0.2~0.25MPa,也就是说轮胎内气体分子的密度是轮胎外气体分子密度的2~2.5倍,这样在轮胎内外就形成了气体分子的浓度差。从微观的角度来看气体分子穿过轮胎橡胶层如图1所示:

图1.jpg

  图1. 气体分子渗透过程示意图

  气体渗透的影响因素:

  (一) 轮胎材料本身的的影响

  如图1所示气体穿过橡胶层的几个步骤中,扩散是气体渗透过程中最慢又是最关键的步骤,当同一种气体透过不同的材料时,气体渗透量主要取决于气体在材料中的扩散系数。气体的扩散现象遵循Fick Law(费克定律):

费克定律.jpg

  式中,J ——扩散量,单位为g/s

  A ——扩散发生的截面积,单位为m2

  D——扩散系数,单位为m2/s

  c1——浓度,单位为g/m3

  z——距离,单位为m。

  这是费克定律的一种形式。费克称其中的D为“决定于物体本性的常数",这就是扩散系数,扩散系数D取决于气体和材料之间的分配系数。不同橡胶材料的D是不同的,即使是同一种橡胶材料,由于原料、生产工艺的不同,其物性常数D也会有所差异。需要强调的是,橡胶材料在使用过程中,会逐渐老化,其常数D也会随之变化。

  (二)温度的影响

  扩散系数D与温度有关,温度越高,高分子链运动越剧烈,气体分子扩散越容易,扩散系数D随温度的升高而增加。扩散系数D和温度的关系遵循Arrhenius公式:

Arrhenius公式.jpg

  式中,T ——温度,单位为K

  △E0——扩散活化能,单位为J/mol

  D0——无限稀释情况下渗透组分的扩散系数,单位为m2/s

  R——普适气体常数,数值为8.3143J/K·mol

  (三)胎内充填气体的影响

  汽车轮胎充填的气体为压缩空气时,气体内通常含有水分、油,会使轮圈电镀层被空气中的氧气氧化,而导致密封不严密,造成胎内气体外泄。同时由于水分、油、氧气的存在,也会加剧轮胎橡胶的老化,而加速气体的渗透。

  在Arrhenius公式中,ΔED表示扩散活化能,它随气体分子直径的增加而增大,分子直径的微小变化,会引起ΔE0的迅速增加,而导致分子扩散困难。表1中列举了空气中含量比较高的几种气体分子的直径。经试验验证,对于同一种橡胶,氧气的渗透量约是氮气4倍,二氧化碳的渗透量约是氮气的8倍。这就是为什么轮胎总是选择充氮气的原因。

表1.jpg

  表1.气体分子尺寸

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