ELASTOMERY NR 1 1996 TOMI
Barbara Jurkowska *
Badania właściwości wulkanizatów a kryteria jakości opon
Cz. 1. Badania statyczne
Właściwości użytkowe opon można podzielić na p ięć zasadniczych grup związanych z:
bezpieczeństwem ja zd y, niezawodnością, wygodą użytkowania, ekonomiką ja zd y i wpływem na środowisko naturalne. Tworzą one razem jakość użytkową opony.
Każda ze stref opony charakteryzuje się określonymi właściwościami, zależnym i od konstrukcji opony i zastosowanych materiałów. Niektóre z tych właściwości są formalnie skorelowane m iędzy sobą.
Spróbowano znaleźć współzależność m iędzy właściwościami użytkow ym i opon a cechami konstrukcyjnym i i materiałowymi poszczególnych stref opony.
Warunki prowadzenia badań laboratoryjnych gum y oponowej w sposób istotny różnią się od warunków pracy tej gum y w oponie. D otyczy to zarówno prędkości przyłożenia obciążenia, ja k i jeg o wartości, temperatury oraz intensywności działania czynników zewnętrznych. Utrudnia to optymalizację składu m ieszanek gumowych i ocenę wpływu zm iany właściwości gum y na przewidywane właściwości opon, w tym prognozowanie ich trwałości na podstawie tylko wyników badań laboratoryjnych. Obecnie nie są znane m etody badań gum y oponowej, które um ożliwiłyby prognozę je j zachowania się podczas badań drogowych opon.
Słowa kluczowe: opony, jakość, właściwości wulkanizatów, właściwości statyczne
Study o f the relationship between properties of rubbers and criterions of tyre quality
Part 1. Static tests
Exploitation properties o f tyre can be classified into five groups related to safety,
reliability, comfort, econom y and influence on the environment. A ll o f them create together the quality o f tyres.
Each zone o f the tyre is characterized by properties, which depend on tyre design and used materials. Som e properties o f these materials are correlated.
It has been tried to evaluate relationships between described exploitation properties o f tyres and properties o f particular zones o f tyres and their design and material characteristics.
Testing procedures o f rubber in the laboratory differ from real work condition o f these rubbers in the tyre. It concerns both the loading speed and its value, the temperature o f testing and real influence o f outer factors. It makes difficult to optimize the rubber com
pound recipies and to predict properties o f tyres, especially their durability, based on results o f laboratory test o f rubbers only. Up to now there are unkown methods o f testing o f rubbers fo r tyres, which could make possible the predictions o f their beha viour during outdoor testing o f tyres.
K ey words: tyre, quality, properties o f vulcanisates, static properties O jakości opony decydują jej właściwości użytkowe.
Powinny być one założone na etapie projektowania [1], gdyż od nich zależą rozwiązania konstrukcji i właściwości materiałów, z których opona ma być zbudowana.
Powtarzalna jakość opon natomiast zależy od stabilności procesu wytwarzania, szczególnie od jakości stosowanych
* OBR Przemyślu Oponiarskiego "Stomil". Poznań
materiałów oraz zachowania parametrów procesu technologicznego.
Właściwości użytkowe opon można podzielić na pięć zasadniczych grup: bezpieczeństwo jazdy, niezawodność, komfort użytkowania, ekonomika jazdy i wpływ na środowisko.
Każda z tych grup obejm uje określone cechy opon, co szczegółowo przedstawiono na rys. 1.
46
Rys. 1. Właściwości u żytko we opon, podział na pods ta w o we grupy
Postęp przemysłu motoryzacyjnego ukierunkowany jest na zmiany w konstrukcji silnika pod kątem wzrostu prędkości jazdy i lepszego wykorzystania paliwa oraz na obniżenie oporów aerodynamicznych i zmniejszenie masy samochodów osobowych. Te zmiany, jak również wzrost liczby pojazdów z napędem na cztery koła i posiadających an ty blokujący system hamulców powodują, że oponom stawia się coraz większe wymagania.
Warunki pracy gumy w oponie, zależne od konstrukcji opony są różne w jej poszczególnych strefach. Guma bieżnika poddawana jest rozciąganiu, dwustronnemu ściskaniu i ścinaniu.
Zużywanie gumy bieżnika opon samochodowych następuje wskutek przemieszczania się elementów rzeźby pod wpływem złożonego układu sił działających w płaszczyźnie styku opony z jezdnią. Pionowa składowa tych sił powoduje wielokrotne odkształcanie powierzchniowej warstwy gumy, co jest przyczyną zmęczeniowego zużycia bieżnika. Siły przemieszczające elementy rzeźby bieżnika w płaszczyźnie poziomej powodują ich ścieranie oraz dodatkowe odkształcenie powierzchniowej wastwy gumy, czego następstwem jest zmęczenie materiału. Intensywność tych procesów zależy od temperatury gumy w warstwie stykającej się z naw ierzchnią drogi. M oże ona osiągać 90-100°C, podczas hamowania 200°C, a w przypadku gwałtownego
hamowania nawet 600°C, czego skutkiem jest termiczna degradacja gumy.
Bok opony pracuje w warunkach wymuszonych odkształceń wywołanych warunkami eksploatacji. Wielkość naprężenia gumy boku w tym przypadku jest proporcjonalna do jej modułu Younga. Odkształcenia gumy w osnowie są znacznie wyższe niż średnie odkształcenie ścianek bocznych, a więc i gumy boku opony. Z powodu sumowania się efektów zmęczeniowych i starzeniowych, widoczne pęknięcia pojawiają się na zewnętrznej powierzchni boku opony.
Najbardziej niebezpieczne, zarówno dla gumy jak i kordu w oponie są odkształcenia ścinające o zmieniającej się amplitudzie od dodatniej do ujemnej. Mogą one występować na boku opony radialnej przy najechaniu jej na przeszkodę.
Zwiększenie odkształcenia w tej strefie może zapoczątkować odwarstwianie się nitek kordu od gumy. Podczas normalnej pracy swobodnie toczącej się opony radialnej w jej osnowie, praktycznie nie występują naprężenia ściskające, które są główną przyczyną degradacji zmęczeniowej kordu.
Przyłożenie do opony momentu napędowego lub hamującego powoduje powstawanie tych naprężeń, które muszą być przejmowane przez gumę nakładową pracującą wtedy na rozciąganie. Odkształcenia ścinające o częstotliwości do 30 Hz powodują intensywne wytwarzanie ciepła,
47
ELASTOMERY NR 1 1996 TOMI
temperatura w barku toczącej się opony osiąga 110-130°C.
Zwiększa się wtedy prawdopodobieństwo zapoczątkowania mikropęknięć w materiale opony.
Każda ze stref opony charakteryzuje się określonymi właściwościami mechanicznymi, zależnymi od konstrukcji opony i właściwości zastosowanych materiałów. Na rys. 2 podano zestawienie podstawowych właściwości gumy opony i połączeń guma-kord. Dotychczas brak znormalizowa
nych metod ich oznaczania. Istotne jest przypisanie poszczególnym strefom opony najważniejszych z punktu widzenia jakości cech konstrukcyjnych, a następnie określenie, jakie właściwości materiału należy oznaczać, aby wyniki badań umożliwiały prognozowanie zachowania się tej gumy w oponie. Przykład takiego związku pokazano na rys. 3. Dla większości wymienionych właściwości trudno przypisać jednoznaczne wartości liczbowe określające optymalną jakość wyrobu. W ynika to z faktu, że jakość opony będącej produktem, który musi spełniać jednocześnie wielorakie, często sprzeczne wymagania, jest wynikiem świadomego kompromisu.
Właściwości opon, jak już wspomniano na wstępie, zależą zarówno od prawidłowości ich zaprojektowania, jak i powtarzalności warunków wytwarzania. Dlatego na wzajemną relację właściwości gumy i właściwości użytkowych opon należy spojrzeć zarówno ze strony badań kontrolnych, ja k i badań, których wyniki będą potrzebne do projektowania następnych opon. W łaściwości gumy przyjęte dla badań kontrolnych muszą charaktery
zować m ateriał w taki sposób, aby niejednorodność surowców oraz zakłócenia procesu wytwarzania łatwo mogły być rozpoznawane. Pożądanym byłoby, aby występowała korelacja między wynikami tych badań i badań próbek wyciętych z gotowych wyrobów.
Nie jest to jednak w arunek konieczny [2], co wynika
z różnych sposobów przygotowania próbek. Zakres badań kontrolnych i dopuszczalne tolerancje wyników określane są zazwyczaj z uwzględnieniem doświadczenia technologa.
Dlatego wymagania dla nowych mieszanek często opracowuje się na podstawie właściwości mieszanek, dotychczas stosowanych dla innych rozmiarów opon.
Przy projektowaniu nowych opon należy jednak maksymalnie wykorzystać określone właściwości danej gumy mając na względzie zachowanie określonego poziomu wartości w warunkach ekstremalnych. Ważna jest korelacja wyników badań wyrobu z wynikami badań laboratoryjnych.
Ponieważ mechaniczne właściwości elastomerów są zależne od prędkości i amplitudy odkształcenia, wybór warunków badań jest tu czynnikiem krytycznym.
Obciążenie opony przenosi głównie kord osnowy.
Guma łącząca nitki tego kordu wyrównuje rozkład jego naprężeń wywołanych ciśnieniem powietrza w oponie i lokalnym odkształcaniem się opony podczas toczenia koła samochodowego. Dlatego guma powinna zachowywać określoną wytrzymałość aż do zużycia opony, tj. wytrzymywać 10-15 min cykli odkształcenia do 15% w temperaturze do 80°C.
W przypadku nie zapewnienia tej właściwości po zbieżni- kowaniu opona będzie podatna na szybsze zniszczenie zmęczeniowe i zniszczenie przez skoncentrowane naprężenia, które występują w chwili najechania koła na przeszkodę. Nie spełnienie warunków zachowania wystarczającej wytrzymałości gumy między nitkami kordu przez cały czas eksploatacji opony stwarza zagrożenie zniszczenia osnowy, które może być przyczyną wypadku.
Jakość opon oceniana jest w badaniach stacyjnych i drogowych. Z uwagi na ich wysoki koszt stosuje się niewielką liczbę próbek. Postępowanie takie jest prawidłowe, jeżeli w laboratorium przeprowadzalibyśmy badania, których
48
Rys. 2. Właściwości gum y opono w ej i połą czeń guma -kord
Rys. 3. Współzależność m iędzy hałaśliwością, jedną z właściwości opony z grupy "komfort jazdy ", a właściwościami stref opony, uzależnionymi od ich cech konstrukcyjnych i materiałowych
wyniki korelują z określonymi cecham i użytkowymi opon. W tym przypadku sprawy nie przedstawiają się jednoznacznie.
W praktyce przemysłowej od wielu lat stosuje się w zasadzie stały zestaw metod badania gumy służący do optymalizacji składu mieszanki. Niestety, warunki tych badań znacznie różnią się od warunków eksploatacji opony. Dotyczy to zarówno prędkości przyłożenia obciążenia, jak i jego wartości, a także temperatury oraz intensywności działania czynników zewnętrznych.
Porównując wyniki badań laboratoryjnych wybranych właściwości wulkanizowanej mieszanki bieżnikowej i gumy, w pracującej oponie obserwuje się istnienie korelacji między wynikami badań statycznej wytrzymałości na rozciąganie (tab.l).
Tabela 1. Korelacja m iędzy wynikami badań m ieszanki bieżnikowej, uzyskanymi dla próbek wulkanizowanych w laboratorium i próbek
wyciętych z opon
Lp. Określenie właściwości Współczynnik korelacji,r
1 Naprężenie przy 300% wydłużenia 0,91
2 Wytrzymałość na rozciąganie 0,92
3 Wydłużenie przy zerwaniu 0,90
4 Twardość Shore’a, skala A 0,91
Z dodatkowo przeprowadzonych badań wynika, że rozrzut wartości wymienionych właściwości gumy bieżników spowodowany jest w 40-50% niepowtarzalnością warunków sporządzania mieszanek, a w 50-60% niepowtarzalnością parametrów dalszych procesów przetwórczych, w tym głównie wulkanizacji.
Wytrzymałość na rozciąganie tylko częściowo informuje 0 przewidywanym zachowaniu się gumy w oponie. Podczas badań laboratoryjnych m oże występować krystalizacja indukowana dużym stopniem wydłużenia próbki, która nie występuje w toczącej się oponie.
Porównując wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie gumy bieżnika opon radialnych wybranych producentów 1 rozmiarów obserwuje się między nim i różnice (rys. 4), wynikające ze świadomego doboru składu mieszanek, narzucającego określony poziom właściwości wytrzymało
ściowych, a będący często kompromisem między kosztami produkcji a konkurencyjnością jakości użytkowej wyrobu.
Pewne zawyżanie przez niektórych producentów wymagań stawianych mieszankom gumowym wynika z trudnych do przewidzenia niedokładności prócesu technologicznego.
Wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu należą do najczęściej oznaczanych właściwości charaktery
zujących jakość mieszanek gumowych, chociaż ze względu na warunki pracy gumy w oponie nie zawsze ma to sensfizyczny.
Zerwanie następuje bowiem przy dużym wydłużeniu nie występującym podczas eksploatacji opony. Parametry te dają wstępną ocenę prawidłowości doboru składu mieszanki, wymieszania składników oraz stopnia usieciowania.
49
ELASTOMERY NR 1 1996 TOMI
1) oznaczenie firm:
1- Bridgestone
2- Cooper
3- Firestone
4- General Tire 5- Goodrich
7-Goodyear 7- Michelin 8- Uniroyal 9- Yokohama
oznaczenie rozmiarów opon:
• 255/70R 22.5 x 275/80R 22.5 Ł 11R 22.5
♦ 295/75R 22.5
Rys. 4 Wytrzymałość na rozciąganie gum y czoła bieżnika opon radiałnych do różnych typów samochodów ciężarowych, różnych producentów. Badanie prowadzono w temperaturze 20° C
Wydłużenie przy zerwaniu gumy zależy m. in. od oddzia
ływań fizycznych zachodzących między polimerem a napełniaczem aktywnym i od koncentracji naprężeń na aglomeratach źle zdyspergowanych surowców. Dlatego daje ono również informacje o nieprawidłowym wymieszaniu składników, zmianie składu mieszanki lub stopnia jej usieciowania. Jednak nie zawsze jest to parametr wystarczająco czuły na niewielką zmianę składu mieszanki.
Dlatego badanie wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia przy zerwaniu mogą być parametrami pomocniczymi.
Nie znaleziono zależności między wytrzymałością gumy na rozciąganie i rozdzieranie a tworzeniem się pęknięć w gumie pracującej opony.
Badanie na starzenie cieplne metodą Geera nie daje pełnej informacji o zmianie wytrzymałości gumy w trakcie eksploatacji opony. Na rys. 5. pokazano zmianę wytrzymałości na rozciąganie gumy bieżnika w czasie eksploatacji opon dwóch różnych producentów. W badaniach starzenia próbek laboratoryjnych obydwa rodzaje gumy charakteryzowały się spadkiem wytrzymałości o 12%
po starzeniu w temp. 70°C, w czasie 144h i o 20% po starzeniu w czasie 196h. Z badań laboratoryjnych wynika, że obydwie badane gumy zestarzały się w jednakowym stopniu, natomiast w trakcie eksploatacji w przypadku gumy 50
Rys. 5. Wpływ czasu eksploatacji opony 11. 00R20na wytrzymałość na rozciąganie gum y bieżnika o - producent A, x -producent B
producenta B zaobserwowano mniejszy spadek omawianych wartości niż w przypadku gumy producenta A.
Badania kordu wypreparowanego z opony wycofanej z eksploatacji wykazują niewielkie zmiany jego wytrzymałości nawet wtedy, gdy jest on pobrany z miejsca uszkodzenia opony lub w jego pobliżu. Należy przypuszczać, że początkiem uszkodzenia jest albo mikropęknięcie gumy, albo zniszczenie połączenia guma-kord, które w wyniku dynam icznego odkształcania się opony prow adzą do większych rozwarstwień lub miejscowego uszkodzenia gumy w wyniku przegrzania. Z niszczenie połączenia guma-kord jest najczęstszą przyczyną uszkodzenia opony.
Z tych względów istotnym jest zachowanie w eksploatowanej oponie przyczepności guma-kord na nie zmienionym poziom ie. M echanizm niszczenia połączenia adhezyjnego w oponach podczas eksploatacji różni się w sposób istotniy od m echanizm u występującego podczas konw encjonalnych statycznych badań laboratoryjnych.
D latego pow inno się prow adzić badania oceniające zachow anie adhezji gum a-kord w warunkach odkształceń dynam icznych, szczególnie w podwyższonej tem peraturze [3].
Znaczne różnice wytrzymałości połączenia bieżnik- -opasanie, oznaczanej w dwóch temperaturach dla opon różnych producentów i różnych rozmiarów (rys. 6a i b) świadczą, że ten wskaźnik, przyjęty w kraju jako kryterium jakości na znak bezpieczeństwa opon, daje ograniczoną informację.
Podsumowanie
Warunki badań laboratoryjnych gumy oponowej w sposób istotny różnią się od warunków pracy tej gumy w oponie podczas eksploatacji. Dotyczy to zarówno prędkości przyłożenia obciążenia, jak i jego wielkości, temperatury oraz intensywności działania czynników zewnętrznych.
Wyniki badań statystycznych można wykorzystać do badań kontrolnych, oceniających jednorodność produkcji.
W badaniach nad optymalizacją składu lub prognozowaniem zachowania się gumy w oponie trzeba je traktować jako badania pomocnicze. Potrzebną informację mogą dać jedynie badania dynamiczne.
Rzadko analizuje się przebieg zależności naprężenie-
-wydłużenie przy wydłużeniach takich, jakie występują w pracującej oponie, tj. rzędu 15-20%. Najczęściej określana jest wartość modułu przy wydłużeniu 300%, co ma znaczenie historyczne, gdyż na mechanicznych maszynach wytrzymałościowych nie można było wystarczająco dokładnie wykreślić początku krzywej rozciągania.
O becnie, gdy pow szechnie stosuje się m aszyny z tensometrycznym pomiarem siły i komputerowym przetwarzaniem danych, korzystne byłoby wprowadzenie do stałej praktyki technologicznej porównywania wartości modułu przy małych wydłużeniach.
Literatura
1. Jurkowska B., JurkowskiB. : Polimery 1991, 36, 391 2. Kainradl P.: Rubber Chemistry a. Technology
1978; 52,232
3. Jurkowski B., M anuszakJ.: Tire Technology International ’95, s.144
1) oznaczenie firm 1 -Bridgestone 2- Firestone
3- General Tire
4- Goodrich
5- Goodyear
6- Michelin 7- Uniroyal 8- Yokohame
oznaczenie rozmiaru opon:
• 255/70R 22.5
▲ 275/80R 22.5
♦ 11 R 22.5
Rys. 6. Wytrzymałość na rozwarstwienie połączenia bieżnik-opasanie:
A) badania w 20 °C, B) badania w 100 °C
51
