余本祎，邢 程，蔡瑩瑩

（佳通輪胎中國研發(fā)中心，安徽 合肥 230601）

輪胎老化是其失效的主要原因之一，對于輕型載重（LT）類大規(guī)格輪胎，若使用環(huán)境溫度較高、日照時(shí)間較長，則更容易出現(xiàn)輪胎老化后耐久性能差的問題。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）對輪胎老化耐久性能進(jìn)行了近15年的研究，目前已經(jīng)確定了其合適的室內(nèi)測試方法。

國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心在2016年開展了“汽車輪胎老化測試項(xiàng)目的研究”，邀請國內(nèi)輪胎企業(yè)一起開展同等條件下國內(nèi)外品牌輪胎老化耐久性能對比分析。研究結(jié)果表明：國內(nèi)品牌輪胎的老化耐久性能與國際行業(yè)標(biāo)桿品牌輪胎存在一定差距；國內(nèi)品牌輪胎老化后的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率都明顯下降，相比國際行業(yè)標(biāo)桿品牌輪胎差距較大。

本工作分析輪胎老化機(jī)理，通過輕型載重子午線輪胎的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其老化耐久性能，并試制成品輪胎進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 輪胎老化機(jī)理分析

與普通的輪胎耐久失效相比，輪胎老化耐久失效現(xiàn)象和成因都有一定差別，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1.1 化學(xué)老化是輪胎老化失效的主要原因

輪胎實(shí)際使用過程中，有很多因素都會(huì)導(dǎo)致輪胎性能下降，但從機(jī)理上主要可以分為化學(xué)老化和機(jī)械老化兩種。

若僅使用長時(shí)間的轉(zhuǎn)鼓測試（機(jī)械老化）來模擬輪胎老化，輪胎性能下降不明顯。通過收集市場上舊輪胎發(fā)現(xiàn)，不僅正常行駛多年的輪胎發(fā)生老化而出現(xiàn)性能下降的問題，實(shí)際上未使用過的備胎老化情況也很嚴(yán)重，性能下降程度僅略低于正常行駛的輪胎（為其70%～80%）。因此可以得出：對于輪胎老化，化學(xué)老化占主要部分，行駛里程不是關(guān)鍵影響因素，車輛類型、臭氧、濕度及路況對帶束層的損壞等影響因素也不是主要因素，影響輪胎老化程度的關(guān)鍵因素是環(huán)境溫度和輪胎類型。

1.2 老化對膠料和材料性能的影響

老化時(shí)間的延長會(huì)使膠料的模量、硬度、含氧量和交聯(lián)密度都有增大的趨勢，但是拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、剝離力和彎曲特性會(huì)隨著時(shí)間的延長而降低。

為對比輪胎老化前后膠料性能的變化，我公司進(jìn)行了大量的物理性能測試。結(jié)果表明，老化使輪胎膠料的硬度和剛度增大，強(qiáng)度大幅下降，恢復(fù)形變的能力也降低，老化后輪胎進(jìn)行室內(nèi)耐久性試驗(yàn)，發(fā)生損壞的部位多為胎側(cè)和胎圈。分析認(rèn)為，胎側(cè)膠和胎體簾布膠的硬度和剛度大幅提高，同時(shí)三角膠的強(qiáng)度大幅下降，可能對輪胎的耐久性能影響較大，即老化后輪胎膠料和簾線變硬、變脆，對輪胎耐久性能產(chǎn)生不利影響。

1.3 不同類型的輪胎性能下降幅度不同

抽取不同規(guī)格、不同類型的輪胎，對比老化前后輪胎的室內(nèi)耐久性能（每個(gè)規(guī)格抽取4條輪胎，2條老化前進(jìn)行測試，2條老化后進(jìn)行測試）。試驗(yàn)方法為：輪胎先充入氮氧（體積比為1/1）混合氣體，然后在65 ℃的烘箱中老化5周，且每周更新混合氣體；老化試驗(yàn)結(jié)束后，參考FMVSS 139—2005《低氣壓耐久性能試驗(yàn)方法》在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，直至輪胎損壞為止，若試驗(yàn)達(dá)到200 h輪胎還未損壞，則手動(dòng)停機(jī)，試驗(yàn)結(jié)束。不同規(guī)格輪胎老化耐久性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同規(guī)格輪胎老化耐久性試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：規(guī)格和負(fù)荷較小的輪胎，老化前后輪胎耐久性能基本沒有變化；規(guī)格和負(fù)荷較大的輪胎，老化后輪胎在低氣壓耐久性試驗(yàn)中累計(jì)行駛時(shí)間大幅縮短，多數(shù)輪胎損壞情況為肩部和冠部開裂或掉塊（占70%），其他為胎圈起鼓（占30%）。由此可以判斷，老化耐久問題主要表現(xiàn)在大規(guī)格、高負(fù)荷輪胎上，LT類輪胎表現(xiàn)更為明顯，普通轎車輪胎則表現(xiàn)較好。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 氣密層

耐久性試驗(yàn)與氧擴(kuò)散能力有很大的相關(guān)性，充入的氣體通過擴(kuò)散而引起膠料氧化降解和輪胎胎體內(nèi)部壓力升高，是室內(nèi)試驗(yàn)和道路行駛過程中引起帶束層邊緣脫層進(jìn)而產(chǎn)生破壞的重要因素。對輪胎室內(nèi)耐久性試驗(yàn)而言，充氣壓力損失率較低的輪胎具有非常好的耐久性能。

在氣密層膠中使用溴化丁基橡膠[1-2]替代天然橡膠，可提高膠料老化后性能，氣密層的透氣率隨著膠料中溴化丁基橡膠含量的增大而顯著減小。為提高氣密層的保氣性能，還可以考慮增大氣密層厚度或者增加肩部膠條。

2.2 胎圈

輪胎在行駛過程中，因受到負(fù)荷、制動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力和橫向力等作用，會(huì)導(dǎo)致輪胎某一部位受力較大。通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，胎圈部位所受的應(yīng)力較大。現(xiàn)有輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在胎圈部位會(huì)聚集大量的端點(diǎn)，包括簾布層反包端點(diǎn)、胎圈耐磨膠端點(diǎn)、胎圈包布端點(diǎn)、三角膠端點(diǎn)和增強(qiáng)層端點(diǎn)等。

胎圈部位的端點(diǎn)使其應(yīng)力集中明顯，生熱較大，會(huì)導(dǎo)致簾布與橡膠粘合性能下降，不利于輪胎的耐久性能。在實(shí)際使用過程中，則表現(xiàn)為輪胎胎圈部位脫層，嚴(yán)重時(shí)影響汽車行駛的安全性。通過降低三角膠高度和調(diào)整簾布層端點(diǎn)高度，可以減小胎圈應(yīng)力集中。圖1示出了設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后胎圈部位應(yīng)力的有限元分析結(jié)果。

通過本次研究可以看出,兇險(xiǎn)性前置胎盤患者相對于普通前置胎盤患者來說,面臨的威脅更大,可能導(dǎo)致的不良妊娠結(jié)局與不良新生兒結(jié)局的概率更高。另外,在一般資料對比中我們可以看出,高齡產(chǎn)婦、孕次和產(chǎn)次較高的產(chǎn)婦其發(fā)生兇險(xiǎn)型前置胎盤的可能性更大,因此,臨床上對于此類前置胎盤產(chǎn)婦要給予特別關(guān)注。

從圖1可以看出，與優(yōu)化前輪胎相比，優(yōu)化后輪胎胎圈處剪切應(yīng)力較小。

圖1 胎圈部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力有限元分析結(jié)果

2.3 帶束層

分析老化耐久輪胎的損壞位置發(fā)現(xiàn)，損壞大多由帶束層端點(diǎn)開始，然后分離1#和2#帶束層，最終導(dǎo)致輪胎肩部損壞。而帶束層端點(diǎn)的主要材料是帶束層邊膠[3]，膠片貼合在1#和2#帶束層間。

采用有限元方法分析帶束層邊膠厚度對帶束層端點(diǎn)應(yīng)力的影響，結(jié)果表明增大帶束層邊膠厚度有利于提高肩部耐久性能。

圖2示出了帶束層邊膠厚度對輪胎肩部剪切應(yīng)力影響的有限元分析結(jié)果。

從圖2可以看出，帶束層邊膠厚度為1.6 mm的輪胎肩部剪切應(yīng)力明顯小于帶束層邊膠厚度為0.8 mm的輪胎。

圖2 帶束層邊膠厚度對輪胎肩部剪切應(yīng)力影響的有限元分析結(jié)果

3 成品輪胎性能

3.1 外緣尺寸

按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》測定輪胎充氣外緣尺寸。安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的成品輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下，原方案和優(yōu)化方案輪胎的充氣斷面寬分別為272.0和270.0 mm，充氣外直徑分別為808.0和809.0 mm，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求（充氣斷面寬為257.0～280.0 mm，充氣外直徑為793.0～815.0 mm）。

3.2 脫圈阻力

按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》測定輪胎脫圈阻力。結(jié)果表明，原方案和優(yōu)化方案輪胎的脫圈阻力分別為36 892和36 116 N，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求（不小于11 120 N）。

3.3 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行輪胎強(qiáng)度性能測試，試驗(yàn)條件為：壓頭直徑 63 mm，充氣壓力410 kPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，原方案和優(yōu)化方案輪胎的最小破壞能分別為1 891和1 626 J，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求（不小于972 J）。

3.4 高速性能

高速性能試驗(yàn)先按照GB/T 4501—2016進(jìn)行，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求后，再按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至輪胎損壞為止，試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，原方案和優(yōu)化方案輪胎的高速性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，優(yōu)化方案輪胎的高速性能優(yōu)于原方案輪胎。輪胎高速行駛過程中，離心力逐漸增大，胎冠溫度持續(xù)升高，膠料老化、性能下降，導(dǎo)致胎冠崩花掉塊。

表2 輪胎高速性能試驗(yàn)條件和結(jié)果

3.5 老化耐久性試驗(yàn)

老化耐久性能的驗(yàn)證參考NHTSA烘箱老化測試方法，先對輪胎進(jìn)行烘箱老化[老化氣體 氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w（體積比為1/1），充氣壓力550 kPa（100%胎側(cè)壓力），溫度 （65±2.0） ℃，時(shí)間 35 d，氣體補(bǔ)充頻率 每周取出輪胎并更換氣體]，以模擬輪胎在正常使用多年后輪胎性能下降的情況，該條件可以模擬輪胎使用4年后的情況。

輪胎烘箱老化結(jié)束后，進(jìn)行室內(nèi)耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表3。

表3 輪胎耐久性試驗(yàn)條件

輪胎老化后耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：原方案輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為37.8 h，總行駛里程為4 536 km，胎面花紋掉塊時(shí)試驗(yàn)終止；優(yōu)化方案輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為200 h，總行駛里程為24 000 km，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎外觀完好，無損壞，但無損檢測機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)帶束層端點(diǎn)有氣泡。

從損壞現(xiàn)象上看，原方案輪胎胎面花紋掉塊，通過切割斷面可以看到輪胎內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了帶束層間的脫離（見圖3）。分析認(rèn)為：烘箱老化過程中橡膠與氧氣加速反應(yīng)，能快速模擬輪胎在自然使用條件下橡膠性能下降的過程；輪胎帶束層端點(diǎn)為胎面膠與胎側(cè)膠匯集處，烘箱老化過程導(dǎo)致膠料性能下降，且?guī)鴮佣它c(diǎn)本身是輪胎應(yīng)力集中的位置，因此輪胎老化后進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，一般都是帶束層端點(diǎn)先損壞，然后導(dǎo)致胎面花紋掉塊。這種損壞現(xiàn)象是典型的老化后耐久損壞。

圖3 老化后耐久性試驗(yàn)結(jié)束后原方案輪胎斷面

優(yōu)化方案輪胎累計(jì)行駛200 h后外觀依然完好，無損檢測機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)帶束層端點(diǎn)有氣泡。分析認(rèn)為：在輪胎行駛過程中，帶束層不斷發(fā)生變形，導(dǎo)致帶束層端點(diǎn)不停地產(chǎn)生剪應(yīng)變，會(huì)造成帶束層端點(diǎn)的鋼絲簾線與橡膠之間產(chǎn)生小縫隙；輪胎無損檢測時(shí)周圍環(huán)境抽真空，導(dǎo)致輪胎內(nèi)部的縫隙因?yàn)閴毫Φ淖饔门蛎涀兇?，再通過X光照射檢查時(shí)有縫隙的地方會(huì)以氣泡的形式展現(xiàn)出來。

圖4示出了優(yōu)化方案輪胎無損胎冠照片。帶束層端點(diǎn)縫隙在耐久性試驗(yàn)中很常見，并不屬于嚴(yán)重的損壞。優(yōu)化方案輪胎的老化耐久試驗(yàn)時(shí)間比原方案輪胎延長5倍以上。

圖4 優(yōu)化方案輪胎無損冠部照片

4 結(jié)語

分析輪胎老化機(jī)理，通過優(yōu)化輕型載重子午線輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高其老化耐久性能，并試制成品輪胎進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過采取增大氣密層厚度、調(diào)整胎圈區(qū)域各部件的應(yīng)力分布以及增大帶束層邊膠厚度等優(yōu)化措施，可以大幅提高輪胎的老化耐久性能，同時(shí)輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、脫圈阻力和高速性能均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。