評價載重輪胎花紋溝底耐疲勞裂紋性能的一種試樣制備及測試方法

毛建清，陳水良，洪志遠，和 燕

（1.中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018；2.杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018；3.北京橡膠工業研究設計院有限公司，北京 100143）

隨著汽車工業新材料和新技術的應用以及汽車各項性能的日趨完善，對輪胎穩定性、安全性和操控性等技術性能的要求也越來越高[1-8]。企業也不斷修改各批次原材料抽檢指標[9-10]。

輪胎使用過程中，胎面膠會出現疲勞現象，產生早期裂紋，尤其在輪胎超負荷使用的狀況下，胎面膠壓縮變形會導致其加速生熱老化，從而使花紋溝底應力集中的位置產生早期裂紋[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引起輪胎耐疲勞性能的波動。

（1）花紋類型調整。目前調整輪胎花紋類型對輪胎滾動阻力、噪聲和抗濕滑性能的影響測試有相關標準，但對輪胎花紋溝底早期疲勞裂紋的影響無法論證。

（2）硫化工藝調整。在輪胎生產中，企業為增加產能需要調整膠料配方以縮短硫化時間，從而為企業增效。但是硫化工藝調整對輪胎的耐疲勞性能影響及是否能達到預期的效果仍無法論證。

（3）問題輪胎反饋。通常，市場上出現早期花紋溝底裂問題的輪胎及其他使用不當的輪胎，經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系。

目前，因無相關試樣制備和測試方法的國家標準，無法直接查找和論證輪胎花紋溝底耐疲勞性能。針對現有技術的不足，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試方法。

1 實驗

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，斷面數量按試驗需求而定，將切割好的斷面清除干凈，做好標識，并進行解剖修整。

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）進行疲勞測試。

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，按常規花紋類型模擬花紋溝底半徑及溝壁角度的大小，調整切片機刀具切割出不同的深度及角度，制備成試驗所需厚度的試樣。模擬花紋角度和寬度開槽應為一次形成，不能重刀（重刀開槽會導致溝槽的變形）。

試樣制備完成后按照GB/T 2941—2006《橡膠物理試驗方法試樣制備和調節通用程序》進行調節。

1.2 主要設備和儀器

AB320G型切片機，德國FORTUNA公司產品；RC414型開槽機，德國蒂普拓普公司產品；GT-7011-D型屈撓試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；SZX16型體視顯微鏡，日本OLYMPUS公司產品。

1.3 性能測試及評價

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

圖3 夾持試樣示意

測試中，試樣每進行0.9萬次屈撓，設備停機檢查1次，測試過程中記錄每個試樣產生初始裂紋的屈撓次數，檢測到最后一個試樣產生裂紋后停止試驗，中間記錄每個試樣裂紋增長的級別（一級、二級和三級）。

裂紋級別判斷按照企業標準進行。

2 結果與討論

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

表1 成品輪胎胎面膠疲勞測試屈撓次數

圖4 疲勞測試結束后的U形花紋溝試樣

圖5 疲勞測試結束后的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U形和V形花紋溝試樣，其花紋溝寬度越小，由彎曲變形時應力集中和膠料物理性能下降導致的疲勞損壞裂紋出現越早；隨著試樣花紋溝寬度加大，U形花紋溝底應力集中降低，耐疲勞性能明顯提升；與U形花紋溝相比，V形花紋溝底窄，屈撓變形時應力集中導致生熱老化加速，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，其裂口形貌呈I形裂開；隨著花紋溝寬度增大，彎曲變形出現應力分散，裂紋形貌由I型轉變為小S形；U形花紋溝寬度為6～8 mm的試樣耐疲勞裂紋性能最佳；評價花紋溝底疲勞裂紋時，溝底半徑為1.5～4.0 mm的試樣裂口評價效果更為突出。

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

3 結論

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

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

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

（4）設計輪胎花紋時，考慮花紋溝底的處理可以避免輪胎產生早期損壞。