8中国橡胶
行业综述
美国公路交通安全管理局
一、概述
2007年8月，美国交通部长将一份
关于研究解决轮胎老化问题的报告递交给
国会，报告包括研究结果、建议和总结。
美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)
对轿车、轻型卡车和面包车轮胎的老化问
题进行了多年研究，评估加速轮胎老化的
方法，确定模拟轮胎老化过程的有效性。
NHTSA 估计，在1994~2004年期间，
每年约有400人因轮胎失效而致死亡。
造成轮胎失效的因素有很多，除轮胎老化
外，轮胎充气压力不足或过高、车辆超载、
道路危害、维护不当、轮胎结构缺陷和安
装不当等也是主要原因。基于目前交通事
故统计，很难估计具体有多少起事故是
由于轮胎老化所引起的，但可以明确知
道，轮胎老化是与轮胎安全相关的一个重要
因素。
一种普遍的观点是轮胎失效主要由于
维护不当。适当地维护对减少轮胎磨损和
保持安全性能是很重要的。但轮胎老化是
一种现象，是由轮胎生热使橡胶组分发生
氧化而产生的热降解，这与轮胎充气和维
护等是不同的现象。一些轮胎和汽车制造
商建议消费者在指定年限后更换轮胎（如6年），这是因为老化会影响轮胎的安全性能，即使尚有足够的胎面厚度和适当的充气压力。2001年美国联邦政府下令召回安装在福特探险者越野车上的费尔斯通轮胎，因其在高速公路上行驶时，轮胎胎面容易产生脱层而造成致命事故。NHTSA 从现场报告得出，大约85%的伤害和大约90%的死亡发生在美国南方各州，其中有68%的死亡事故发生在加利福尼亚州、亚利桑那州、德克萨斯州和佛罗里达州。这一趋势也显现在NHTSA 与一家大型保险公司共享的2002~2006年轮胎索赔报告上。据报道称，27%的保单持有者来自德克萨斯州、路易斯安那州、佛罗里达州、加利福尼亚州和亚利桑那州，77%的轮胎索赔发生在上述各州，84%的轮胎使用年限已超过6年。轮胎保险索赔并不一定是由于轮胎老化而造成的失效，但大多数的轮胎索赔发生在以上4个州，结
合NHTSA 的数据表明，由于持续高温的影响，轮胎发生故障的可能性增加。美国橡胶制造商协会(RMA)在对亚利桑那州、加利福尼亚州、佛罗里达州等7个州的废旧轮胎研究中发现，亚利桑那州的轮胎损坏率显著高于其他各州，得出
贺年茹 李红伟 孙炳光 朱 凯
国家橡胶轮胎质量监督检验中心;
轮胎失效与安全性能评价工程实验室
了长期在平均环境温度高的州使用的轮胎损坏率高于平均环境温度低的州。环境温度高可加速轮胎老化。
NHTSA的研究结果表明，亚利桑那州的轮胎损坏率最高，凤凰城日最高温度位居全美主要城市之首。NHTSA还对轻型汽车轮胎旧胎与新胎进行测试比较，结果显示，轮胎老化现象是一个热氧化降解过程，这种热氧化降解在高温下被加速，是造成胎面脱层等轮胎失效的原因。
NHTSA通过轮胎经销商在亚利桑那州凤凰城市区内收集私家车正常使用的轮胎共493条，均为常用轮胎品牌的代表规格，在美国轮胎市场占有主要份额。
181条旧轮胎与相同品牌规格的222条新轮胎进行材料属性和转鼓性能比对，其目的是开发一个加速轮胎老化试验程序，用于模拟美国年平均环境温度较高地区使用数年的轮胎老化过程，提供一个可以预测新轮胎使用年限的方法。
2个室内转鼓轮胎加速老化方法用于对轮胎性能进行评价。第3个轮胎老化方法是烘箱老化，将新轮胎充入富氧气体，升高烘箱温度，轮胎在烘箱中静置一段时间。经过烘箱老化后的轮胎再进行转鼓测试。
在一个更广范围的轮胎老化研究中，福特汽车公司收集了美国6个地理区域(包括凤凰城)的18个不同规格轮胎，得到轮胎材料属性降解的相同趋势。3种轮胎老化方法中，烘箱老化是唯一地成功复制了在凤凰城使用4~6年轮胎的材料特性。
研究完善烘箱老化评估方法是在烘箱中完成加速老化试验后，再使用转鼓测试方法评估轮胎耐久性的能力。研究结果表明，烘箱老化后，轿车轮胎的材料属性和转鼓耐久性能保持率高于轻型载重轮胎，此外基于有限的样本，NHTSA还测试得出原配胎高于替换胎的结论。
NHTSA研究发现，实验室烘箱老化是一种科学有效的方法，可以加速轮胎老化过程和模拟轮胎服役过程。烘箱老化中，定期补充富氧的充气气体可缩短测试时间，转鼓测试中，设定速度、负载、充气压力和时间等参数可有效地预测轮胎性能。NHTSA已完成市场上各种品牌和规格轮胎的烘箱老化验证测
试。
二、轮胎老化研究和测试 目标
从2002年开始，NHTSA开始密集研究轮胎老化问题。NHTSA轮胎老化研究目标是：更好地了解材料降解过程及其对在用轮胎的影响；评估现有轮胎老化方法，确定其复制轮胎老化过程中轮胎特性的相对有效性；选择或开发一个用于实验室加速老化方法，模拟轮胎在环境温度较高环境下轮胎的老化过程，评估轮胎的安全性能；评估各种法规基于轮胎最低性能确定的轮胎使用年限；提供研究结果，为其他机构从事轮胎老化有关的研究进行支撑。
三、实地轮胎老化研究
1.研究综述与方法
2003年春天，NHTSA开始进行实地轮胎老化研究。在轮胎制造商协助下，NHTSA选择了于1998~2003年在亚利桑那州生产的12个没有重大设计改变的规格轮胎。使用年限已超过7年或行驶里程达到85488km或使用年限已超过10年的所有备用轮胎也全部进行了收集。在凤凰城收集的轮胎中，只有181条轮胎符合使用年限或实地研究测试里程的要求。轮胎测试用轮胎规格见表1。
172条不同使用年限和行驶里程的在用轮胎和9条备用轮胎与82条新轮胎（相同品牌和规格）以鉴定轮
胎性能和材料性能的老化率。另有140条新轮胎用于研究轮胎静态下空气压力损失率、胎体内部压力分布比率或气密层渗透率。新轮胎和凤凰城收集的旧轮胎都要进行一项或多项测
9中国橡胶
轮胎寿命 固特异10中国橡胶行业综述 试，包括测试评估轮胎性能极限和轮胎关键原材料的材料特性。轮胎性能极限测试包括加强速度测试和加强负荷测试，这两项测试均在实验室内直径为1.7m 的转鼓上进行测试。（1）加强速度测试该测试是测量轮胎在正常负荷条件下最大速度能力。试验初始阶段参照FMVSS 139中高速性能试验，并逐步增加速度直至轮胎损坏为止。表2为加强速度试验条件。从表2可以看出，前3个阶段为FMVSS 139中高速性能试验中所要求的，在完成阶段3后，对轮胎进行检查并停放1h ，然后再以每0.5 h 试验速度增加10 km/h 继续进行试验，直至轮胎损坏 为止。（2）加强负载测试该测试是测量轮胎在超载或充气压力不足条件下轮胎的耐久能力。试验初始阶段参照FMVSS 139号耐久性能试验，并逐步增加负载直至轮胎损坏为止。表3为加强负荷试验条件，试验负荷为最大额定负荷的百分比。还有其他几种测试用于评价轮胎关键原材料的材料特性，并测量随着行驶里程或使用年限的增加，材料特性的降解过程。 材料特性测试中，如剥离强度和拉伸强度是破坏性试验，轮胎被切割成段并制成多个样品用于实验室测试。剥离强度是指每英寸或每米单位上，钢丝带束层与胎体分离时所
需要的力，拉伸强度是测定试样直至断裂为止所受到的最大拉伸应力。2.实地调查结果总结6个规格轮胎的测试结果如下：（1）加强速度测试所有新轮胎完成了FMVSS 139试验，测试时间超过2h 即4个阶段；95%的旧轮胎完成FMVSS 139试验，测试时间累计达到90min ；与相同花纹的新轮胎相比，约有50%的旧轮胎呈现随着轮胎使用时间增加，轮胎损坏时间随之降低的趋势；加强速度测试表明，轮胎使用寿命与轮胎速度等级有很大的相关性，速度等级越高其性能损失越小，轮胎使用寿命越长。（2）加强负荷测试所有新轮胎和59%的旧轮胎完成了FMVSS 139的累计34 h 的试验；与相同花纹的新轮胎相比，所有旧轮胎均呈现随着使用时间增加，轮胎损坏时间随之降低的趋势；与加强速度测试结果相同，加速负荷测试表明，轮胎使用寿命与速度等级有很大的相关性，速度等级越高其性能损失越小，轮胎使用寿命越长。（3
）经过对不同部位的轮胎橡胶材料固特异Eagle GA P205/65R1592V 是米其林LTX M/S P235/75R15XL 108S 是费尔斯通Wilderness AT P265/75R16114S 是Pathfinder ATR A/S LT245/75R16120/116E Q 不是通用Grabber ST 255/65R16109H 是表1 测试用轮胎规格表
2 加强速度试验条件20.515030.5160检查140.5170每0.5 h 试验速度增加10 km/h 继续进行试验，直
至损坏为止50.518060.5
190
11
中国橡胶
2690
324100
检查1
44110每4h 试验速度，负荷率增加10 %继续进行试验，直至损坏为止
54120
64130表3 加强负荷试验条件
性能的评价表明，由于受热、氧等外部因素的作用，轮胎橡胶化合物和材料发生热氧化降解致使其材料性能下降。轮胎老化过程中会有一些显著变化现象，如变形、变脆、变硬、龟裂等，在性能方面表现为剥离强度降低，橡胶材料硬度增加，拉伸强度、断裂伸长率、压缩率和弹性等性能指标降低。
（4）测定6个规格轮胎在21℃和70℃的充气压力损失率、氧的渗透量和轮
胎老化速率与热之间的关系和影响。试验结果表明，在70℃烘箱中，新轮胎的充气压力损失率是室温的20倍以上。（5）在美国凤凰城收集的453条汽车轮胎统计显示：大约11%的在用轿车轮胎充气压力低于轮胎行业推荐的180 kPa 最低充气压力；
大约14%的在用轻型汽车轮胎充气压力低于轮胎行业推荐的250 kPa 。（6）收集到的29个备用轮胎中，超过30%的轿车和轻型载重轮胎的充气压力低于推荐的充气压力最小值。这是一个安全问题，根据测试结果表明，备用轮胎和在用轮胎一样存在橡胶老化问题，备用轮胎在长期充气压力不足的状态下被使用时同样会导致轮胎失效。3.研究发现实地研究结论如下：（1）旧轮胎的实验室测试结果表明，随着行驶里程和使用时间的增加，转鼓试验时间减少；（2）随着行驶里程和使用时间的增加，轮胎关键部件的材料特性和轮胎内表面都有可量化的老化；（3）部分实地研究结果表明，无论备用轮胎是否安装在车辆上，其材料性能和转鼓性能都随着时间而变化；
（4）随着温度的升高，静态下轮胎充气压力的损失率显著增加；
（5）至少11%的在用轮胎和30%的备用轮胎存在明显充气不足现象，这将增加轮胎性能下降的风险和使用时增加轮胎失效的可能。
四、轮胎老化评价方法1.老化测试方法
6个规格共计316条新轮胎进行如下3项测试：
（1）长期耐久性试验（LTDE ）。米其林提供试验速度为97km/h 的长期耐久性
试验作为评定轮胎老化和耐久性性能的方法。轮胎充入氮氧空气混合物，在室内转鼓上完成长达500h 的试验。在最大负荷
和最大充气压力试验条件下，通过充入氮氧空气混合物来加速轮胎老化过程，氮氧空气混合物是由50%的氧气和50%的氮组成（自然界空气中氧含量大约为21%），且每24h 充放一次。
（2）轿车轮胎耐久性试验(P-END)。该项试验程序由大陆公司提供，在室内
转鼓上完成长达240h 的测试。虽然该试验方法最初专为轿车轮胎而设计，但轮胎
制造商认为部分轻型载重轮胎也适用该 方法。
（3）烘箱老化试验。福特公司在轮
胎老化研究方面有足够的数据，该公司建议将轮胎充入氮氧空气混合物并在烘箱中加热一段时间，通过加速橡胶组分的化学
反应和材料属性的变化实现加速轮胎老化 过程。
行业综述
2.评价结果
（1）转鼓耐久性老化方法(LTDE和P-END)的结果
LTDE和P-END老化试验评价方法在某些方面是有效的，例如观察轮胎裂纹扩展和脱层的情况，但无法复制旧轮胎的材料特性，与凤凰城轮胎老化研究结果不一致。
2个转鼓老化试验方法倾向于结构性失效，相当比例的轮胎呈现早期损坏。试验结果表明，27%的LTDE试验和45%的P-END试验结果是轮胎损坏，损坏现象是胎面掉块，而不是部分或全部胎面从带束
层部位与胎体脱离。轮胎胎面掉块的失效模式不是NHTSA所寻求的，转鼓老化测试结果不符合该机构的目的。36条新轮胎的LTDE试验结果是轮胎损坏，损坏现象不是胎面脱离。 41条新轮胎的P-END 试验结果是轮胎损坏，没有发生完整的胎面脱离损坏现象，只有2条是部分胎面脱离，而且是2条轻型载重汽车轮胎。
（2）烘箱老化结果
烘箱老化是唯一成功复制轮胎材料属性变化的方法，在一定条件下也可以复制LTDE和P-END的试验结果。试验程序是将轮胎充入最大充气压力，放置在70℃烘箱中，试验过程不再补气。因为试验温度较高，老化后轮胎材料属性与凤凰城收集到的已使用轮胎不符。然而，当轮胎在55℃~65℃烘箱温度下放置3~12周后，轮胎材料属性与旧轮胎一致。试验还发现，不同类型轮胎的老化速度不同。
与充入普通压缩空气的轮胎相比，充入氮氧混合气体的轮胎老化速度更快。试验结果表明，在测试过程中充气压力和氧气表现出显著和持续的消耗。烘箱老化是一个热降解过程，压力和氧气的消耗可以减小老化速度，延缓老化进程，所以轮胎需要在烘箱中放置足够长的时间。
为了使橡胶化合物变柔软，消除新轮胎的残余应力，提高轮胎内的气体循环，在烘箱老化前设置了一个预测试转鼓试验评估方法。虽然测试分析表明，任何短期（测试时间小于24h）测试未必能产生可测量的轮胎带束层端点开裂或胎面脱层，但对缩短试验时间是有益的。这种预测试的优势还待未来的测
试验证。
3.评价结论
（1）轮胎老化是热降解过程，即轮胎材料属性随着时间的变化和热降解速度的增大而增加。在有限的温度范围内，可以达到加速老化的目的并可复制轮胎橡胶材料属性变化过程，但当超出某范围时，其结果不具有代表性；
（2）烘箱老化是唯一可成功复制轮胎橡胶材料属性和旧轮胎加强负荷转鼓试验结果的方法；
（3）将轮胎放置于55℃~65℃度烘箱中静置3~12周，轮胎橡胶材料属性与凤凰城收集到的旧轮胎相符，使用较高测试温度可减少测试时间和成本；
（4）在烘箱老化过程中，轮胎充入的氮氧混合空气需要重新充入或补充以保持氧化的速度，以使其每个规格轮胎的老化结果一致；
（5）大约25%的轮胎在烘箱老化前进行了一项预测试转鼓试验，试验速度为120km/h，试验时间为24h，试验负荷为100%的最大额定负荷，充气压力为100%的胎侧标识气压，充气介质为50%的氮气和50%的氧气。这个测试条件不足以形成类似于凤凰城轮胎失效的现象，如裂缝和胎面脱层。某些实际使用轮胎的材料属性只能对应一个转鼓测试和烘箱老化过程，24h的转鼓测试对于测试轮胎材料特性
太苛刻，而且转鼓测试结果超出预期的目标。因此，在随后测试中，评估和测试条件指定为FMVSS 139的高速试验条件，即试验速度为80km/h，试验时间为2h；
（6）预测试转鼓试验、烘箱老化和加强负荷转鼓测试的重点是带束层端点和胎面脱离；
（7）进一步开发测试更加广泛的老化方法，需要解决的问题是烘箱老化过程中空气损失问题，且还需要进一步评估预测试转鼓试验的有效。
（未完待续）
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