评价载重轮胎花纹沟底耐疲劳裂纹性能的一种试样制备及测试方法

毛建清，陈水良，洪志远，和 燕

（1.中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018；2.杭州朝阳橡胶有限公司，浙江 杭州 310018；3.北京橡胶工业研究设计院有限公司，北京 100143）

随着汽车工业新材料和新技术的应用以及汽车各项性能的日趋完善，对轮胎稳定性、安全性和操控性等技术性能的要求也越来越高[1-8]。企业也不断修改各批次原材料抽检指标[9-10]。

轮胎使用过程中，胎面胶会出现疲劳现象，产生早期裂纹，尤其在轮胎超负荷使用的状况下，胎面胶压缩变形会导致其加速生热老化，从而使花纹沟底应力集中的位置产生早期裂纹[11]。

轮胎胶料配方、混炼工艺、过程控制、硫化体系和花纹沟形式的改变均会引起轮胎耐疲劳性能的波动。

（1）花纹类型调整。目前调整轮胎花纹类型对轮胎滚动阻力、噪声和抗湿滑性能的影响测试有相关标准，但对轮胎花纹沟底早期疲劳裂纹的影响无法论证。

（2）硫化工艺调整。在轮胎生产中，企业为增加产能需要调整胶料配方以缩短硫化时间，从而为企业增效。但是硫化工艺调整对轮胎的耐疲劳性能影响及是否能达到预期的效果仍无法论证。

（3）问题轮胎反馈。通常，市场上出现早期花纹沟底裂问题的轮胎及其他使用不当的轮胎，经断面分析及各部件胶料的物理性能分析，部分轮胎花纹沟底裂与花纹沟形式有着密切的关系。

目前，因无相关试样制备和测试方法的国家标准，无法直接查找和论证轮胎花纹沟底耐疲劳性能。针对现有技术的不足，本工作提出一种轮胎花纹沟底耐疲劳裂纹性能的试样制备及测试方法。

1 实验

1.1 试样制备

成品轮胎按试样尺寸要求切割成宽度为200～300 mm的断面，断面数量按试验需求而定，将切割好的断面清除干净，做好标识，并进行解剖修整。

本工作采用U形和V形2种形状和3～5，5～6，6～8 mm 3种宽度的花纹沟试样（见图1和2，取自同一条成品轮胎）进行疲劳测试。

图1 U形花纹沟试样示意

图2 V形花纹沟试样示意

试样制备方法如下：选取合适部位，采用解剖刀具将胎面胶取出，按常规花纹类型模拟花纹沟底半径及沟壁角度的大小，调整切片机刀具切割出不同的深度及角度，制备成试验所需厚度的试样。模拟花纹角度和宽度开槽应为一次形成，不能重刀（重刀开槽会导致沟槽的变形）。

试样制备完成后按照GB/T 2941—2006《橡胶物理试验方法试样制备和调节通用程序》进行调节。

1.2 主要设备和仪器

AB320G型切片机，德国FORTUNA公司产品；RC414型开槽机，德国蒂普拓普公司产品；GT-7011-D型屈挠试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；SZX16型体视显微镜，日本OLYMPUS公司产品。

1.3 性能测试及评价

根据GB/T 13934—2006按试样实际尺寸调整夹持器位置（见图3），以保证试样在花纹沟中心位置出现变形。

图3 夹持试样示意

测试中，试样每进行0.9万次屈挠，设备停机检查1次，测试过程中记录每个试样产生初始裂纹的屈挠次数，检测到最后一个试样产生裂纹后停止试验，中间记录每个试样裂纹增长的级别（一级、二级和三级）。

裂纹级别判断按照企业标准进行。

2 结果与讨论

成品轮胎胎面胶疲劳测试屈挠次数如表1所示。疲劳测试结束后的U形和V形花纹沟试样分别如图4和5所示，U形和V形花纹沟各级裂口分别如图6和7所示。

表1 成品轮胎胎面胶疲劳测试屈挠次数

图4 疲劳测试结束后的U形花纹沟试样

图5 疲劳测试结束后的V形花纹沟试样

图6 6～8 mm沟宽U形花纹沟裂口的体视显微镜图像

图7 5～6 mm沟宽V形花纹沟裂口的体视显微镜图像

从表1可以看出：对U形和V形花纹沟试样，其花纹沟宽度越小，由弯曲变形时应力集中和胶料物理性能下降导致的疲劳损坏裂纹出现越早；随着试样花纹沟宽度加大，U形花纹沟底应力集中降低，耐疲劳性能明显提升；与U形花纹沟相比，V形花纹沟底窄，屈挠变形时应力集中导致生热老化加速，耐疲劳性能明显下降。

从图4和5可以看出：试样花纹沟宽度较小时，其裂口形貌呈I形裂开；随着花纹沟宽度增大，弯曲变形出现应力分散，裂纹形貌由I型转变为小S形；U形花纹沟宽度为6～8 mm的试样耐疲劳裂纹性能最佳；评价花纹沟底疲劳裂纹时，沟底半径为1.5～4.0 mm的试样裂口评价效果更为突出。

从图6和7可以看出，因花纹沟底疲劳裂纹级别的变化，花纹沟损坏界面由垂直裂纹发展为剥离界面。

3 结论

（1）改变测试样品花纹沟的角度和宽度，其耐疲劳测试性能评价效果明显；花纹沟底半径为1.5～4.0 mm时，花纹沟底半径大小对裂口评价效果更为突出。

（2）随着花纹沟宽度增大，U形花纹沟试样耐疲劳屈挠次数明显提升，相应的V形花纹沟试样耐疲劳屈挠次数提升幅度较小，U形花纹沟试样的耐疲劳性能明显优于V形花纹沟试样。

（3）随着V形花纹沟试样宽度减小，其物理性能随着应力集中导致耐裂纹性能明显降低，实际运行过程中胎面胶受到压力影响，导致花纹沟底胶料产生拉伸应力。因此，在周期性的压缩变形时，花纹沟底宽度小更容易导致其早期疲劳裂纹的产生。

（4）设计轮胎花纹时，考虑花纹沟底的处理可以避免轮胎产生早期损坏。