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。
關鍵詞：微泄漏,滲透,擴散系數(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。本文將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。
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動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)擴散；
5 擴散到橡膠外側(cè)的氣體分子解吸至空氣中。
氣體分子不停地進行上述過程，zui后導致輪胎的壓力越來越低。這種滲透過程非常細微，用常規(guī)的檢
測方法無法檢測到。
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步驟中，擴散是氣體滲透過程中zui慢又是zui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。
㈡ 溫度的影響
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
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，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。
| 氣體種類 | N2 | O2 | CO2 |
| 動力學直徑（nm） | 0.364 | 0.346 | 0.33 |
表1 氣體分子尺寸
四、減少氣體微泄露的幾個辦法
對于汽車輪胎生產(chǎn)廠家來說，對于不同材料、不同工藝生產(chǎn)出來的橡膠材料，要加強檢測，并對測試結(jié)果進行比對，堅持檢測數(shù)據(jù)指導科研，檢測數(shù)據(jù)指導生產(chǎn)，針對檢測結(jié)果不斷調(diào)整工藝、配方，努力把輪胎橡膠材料的擴散系數(shù)D降下來。另外根據(jù)Fick Law，適當?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。
對于使用者來說，汽車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?shù)亩栊?，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。
