評(píng)價(jià)載重輪胎花紋溝底耐疲勞裂紋性能的一種試樣制備及測(cè)試方法

毛建清，陳水良，洪志遠(yuǎn)，和 燕

（1.中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018；2.杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018；3.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143）

隨著汽車工業(yè)新材料和新技術(shù)的應(yīng)用以及汽車各項(xiàng)性能的日趨完善，對(duì)輪胎穩(wěn)定性、安全性和操控性等技術(shù)性能的要求也越來越高[1-8]。企業(yè)也不斷修改各批次原材料抽檢指標(biāo)[9-10]。

輪胎使用過程中，胎面膠會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，產(chǎn)生早期裂紋，尤其在輪胎超負(fù)荷使用的狀況下，胎面膠壓縮變形會(huì)導(dǎo)致其加速生熱老化，從而使花紋溝底應(yīng)力集中的位置產(chǎn)生早期裂紋[11]。

輪胎膠料配方、混煉工藝、過程控制、硫化體系和花紋溝形式的改變均會(huì)引起輪胎耐疲勞性能的波動(dòng)。

（1）花紋類型調(diào)整。目前調(diào)整輪胎花紋類型對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力、噪聲和抗?jié)窕阅艿挠绊憸y(cè)試有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)輪胎花紋溝底早期疲勞裂紋的影響無法論證。

（2）硫化工藝調(diào)整。在輪胎生產(chǎn)中，企業(yè)為增加產(chǎn)能需要調(diào)整膠料配方以縮短硫化時(shí)間，從而為企業(yè)增效。但是硫化工藝調(diào)整對(duì)輪胎的耐疲勞性能影響及是否能達(dá)到預(yù)期的效果仍無法論證。

（3）問題輪胎反饋。通常，市場(chǎng)上出現(xiàn)早期花紋溝底裂問題的輪胎及其他使用不當(dāng)?shù)妮喬ィ?jīng)斷面分析及各部件膠料的物理性能分析，部分輪胎花紋溝底裂與花紋溝形式有著密切的關(guān)系。

目前，因無相關(guān)試樣制備和測(cè)試方法的國家標(biāo)準(zhǔn)，無法直接查找和論證輪胎花紋溝底耐疲勞性能。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本工作提出一種輪胎花紋溝底耐疲勞裂紋性能的試樣制備及測(cè)試方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

成品輪胎按試樣尺寸要求切割成寬度為200～300 mm的斷面，斷面數(shù)量按試驗(yàn)需求而定，將切割好的斷面清除干凈，做好標(biāo)識(shí)，并進(jìn)行解剖修整。

本工作采用U形和V形2種形狀和3～5，5～6，6～8 mm 3種寬度的花紋溝試樣（見圖1和2，取自同一條成品輪胎）進(jìn)行疲勞測(cè)試。

圖1 U形花紋溝試樣示意

圖2 V形花紋溝試樣示意

試樣制備方法如下：選取合適部位，采用解剖刀具將胎面膠取出，按常規(guī)花紋類型模擬花紋溝底半徑及溝壁角度的大小，調(diào)整切片機(jī)刀具切割出不同的深度及角度，制備成試驗(yàn)所需厚度的試樣。模擬花紋角度和寬度開槽應(yīng)為一次形成，不能重刀（重刀開槽會(huì)導(dǎo)致溝槽的變形）。

試樣制備完成后按照GB/T 2941—2006《橡膠物理試驗(yàn)方法試樣制備和調(diào)節(jié)通用程序》進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 主要設(shè)備和儀器

AB320G型切片機(jī)，德國FORTUNA公司產(chǎn)品；RC414型開槽機(jī)，德國蒂普拓普公司產(chǎn)品；GT-7011-D型屈撓試驗(yàn)機(jī)，中國臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；SZX16型體視顯微鏡，日本OLYMPUS公司產(chǎn)品。

1.3 性能測(cè)試及評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 13934—2006按試樣實(shí)際尺寸調(diào)整夾持器位置（見圖3），以保證試樣在花紋溝中心位置出現(xiàn)變形。

圖3 夾持試樣示意

測(cè)試中，試樣每進(jìn)行0.9萬次屈撓，設(shè)備停機(jī)檢查1次，測(cè)試過程中記錄每個(gè)試樣產(chǎn)生初始裂紋的屈撓次數(shù)，檢測(cè)到最后一個(gè)試樣產(chǎn)生裂紋后停止試驗(yàn)，中間記錄每個(gè)試樣裂紋增長的級(jí)別（一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)）。

裂紋級(jí)別判斷按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

成品輪胎胎面膠疲勞測(cè)試屈撓次數(shù)如表1所示。疲勞測(cè)試結(jié)束后的U形和V形花紋溝試樣分別如圖4和5所示，U形和V形花紋溝各級(jí)裂口分別如圖6和7所示。

表1 成品輪胎胎面膠疲勞測(cè)試屈撓次數(shù)

圖4 疲勞測(cè)試結(jié)束后的U形花紋溝試樣

圖5 疲勞測(cè)試結(jié)束后的V形花紋溝試樣

圖6 6～8 mm溝寬U形花紋溝裂口的體視顯微鏡圖像

圖7 5～6 mm溝寬V形花紋溝裂口的體視顯微鏡圖像

從表1可以看出：對(duì)U形和V形花紋溝試樣，其花紋溝寬度越小，由彎曲變形時(shí)應(yīng)力集中和膠料物理性能下降導(dǎo)致的疲勞損壞裂紋出現(xiàn)越早；隨著試樣花紋溝寬度加大，U形花紋溝底應(yīng)力集中降低，耐疲勞性能明顯提升；與U形花紋溝相比，V形花紋溝底窄，屈撓變形時(shí)應(yīng)力集中導(dǎo)致生熱老化加速，耐疲勞性能明顯下降。

從圖4和5可以看出：試樣花紋溝寬度較小時(shí)，其裂口形貌呈I形裂開；隨著花紋溝寬度增大，彎曲變形出現(xiàn)應(yīng)力分散，裂紋形貌由I型轉(zhuǎn)變?yōu)樾形；U形花紋溝寬度為6～8 mm的試樣耐疲勞裂紋性能最佳；評(píng)價(jià)花紋溝底疲勞裂紋時(shí)，溝底半徑為1.5～4.0 mm的試樣裂口評(píng)價(jià)效果更為突出。

從圖6和7可以看出，因花紋溝底疲勞裂紋級(jí)別的變化，花紋溝損壞界面由垂直裂紋發(fā)展為剝離界面。

3 結(jié)論

（1）改變測(cè)試樣品花紋溝的角度和寬度，其耐疲勞測(cè)試性能評(píng)價(jià)效果明顯；花紋溝底半徑為1.5～4.0 mm時(shí)，花紋溝底半徑大小對(duì)裂口評(píng)價(jià)效果更為突出。

（2）隨著花紋溝寬度增大，U形花紋溝試樣耐疲勞屈撓次數(shù)明顯提升，相應(yīng)的V形花紋溝試樣耐疲勞屈撓次數(shù)提升幅度較小，U形花紋溝試樣的耐疲勞性能明顯優(yōu)于V形花紋溝試樣。

（3）隨著V形花紋溝試樣寬度減小，其物理性能隨著應(yīng)力集中導(dǎo)致耐裂紋性能明顯降低，實(shí)際運(yùn)行過程中胎面膠受到壓力影響，導(dǎo)致花紋溝底膠料產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。因此，在周期性的壓縮變形時(shí)，花紋溝底寬度小更容易導(dǎo)致其早期疲勞裂紋的產(chǎn)生。

（4）設(shè)計(jì)輪胎花紋時(shí)，考慮花紋溝底的處理可以避免輪胎產(chǎn)生早期損壞。