Tyre ageing: a state-of-art and experimental campaign on an innovative environmental endurance chamber

The present thesis deals with the topic of tyre ageing due to environmental factors. Actually, this is a complex process, since it involves the interconnected action of several climatic factors. The main factors that contribute to tyre ageing, namely temperature, humidity, UV radiation and ozone are described. The effect of long-term exposure to such climatic factors is analysed. The mathematical models present in the literature to describe the degradation of specific tyre properties during aging are discussed. Both the Arrhenius and the Williams-Landel-Ferry (WLF) methods are commonly employed to model the temperature-dependent behaviour of tyres compounds and predict the ageing of their properties over time. The thesis presents a comprehensive description of the methods employed to evaluate tyre ageing. On-field ageing experiments, accelerated ageing tests and tests carried out on samples made of tyre compound are discussed. The limits of the current state-of-art are identified. The main gap is that there are no research works dealing with experiments that investigate the combined effect of multiple climatic factors on tyre ageing. Actually, this is a key issue. In order to fill this gap, a unique climatic chamber is developed through a collaborative work between the Politecnico di Milano and the company Pirelli Tyre S.p.A.. The presented climatic chamber enables to test pneumatic tyres under different climatic conditions (high temperature variation, humidity, UV radiation and different levels of ozone concentration). Moreover, the mechanical stress due to tyre rotation and radial load is reproduced. A simplified model to evaluate tyre ageing, that consider the synergistic effect of several cimatic factors, is proposed. A design of experiments (DOE) is defined in order to assess the validity of the proposed model.

La presente tesi riguarda l’invecchiamento dello pneumatico causato dai fattori ambientali. In realtà questo è un argomento complesso, siccome riguarda l’azione interconnessa di molti fattori climatici. I principali fattori che concorrono al danneggiamento dello pneumatico, vale a dire temperatura, ozono, umidità e radiazione UV, sono descritti. L’effetto di un’esposizione prolungata a tali fattori climatici è analizzato. Sono discussi i modelli matematici presenti in letteratura per descrivere il degrado di una specifica proprietà dello pneumatico durante l’invecchiamento. Sia il metodo di Arrhenius sia il metodo di William-Landel-Ferry (WLF) sono comunemente applicati per modellare il comportamento temperatura-dipendente delle mescole di pneumatici e per predire l’invecchiamento delle loro proprietà nel tempo. La tesi presenta una descrizione comprensiva dei metodi utilizzati per valutare l’invecchiamento dello pneumatico. Sono discussi gli esperimenti di invecchiamento su campo, test accelerati e test eseguiti su provini di pneumatico. I limiti dell’attuale stato dell’arte sono individuati. Il principale vuoto è dato dal fatto che non ci sono lavori di ricerca che trattano gli esperimenti che investigano l’effetto combinato di molteplici fattori climatici sull’invecchiamento dello pneumatico. Attualmente, questa è una questione chiave. Per colmare questo vuoto, un’innovativa camera climatica è sviluppata attraverso un lavoro di collaborazione tra il Politecnico di Milano e l’azienda Pirelli Tyre S.p.A.. La presente camera climatica permette di testare pneumatici soggetti a differenti condizioni climatiche (variazioni elevate di temperatura, umidità, radiazione UV e differenti livelli di concentrazione di ozono). Inoltre, lo sforzo meccanico dovuto alla rotazione dello pneumatico e al carico radiale è riprodotto. Un modello semplificato per valutare l’invecchiamento dello pneumatico, che considera l’effetto sinergico di diversi fattori, è proposto. Un design degli esperimenti (DOE) è definito per verificare la validità del modello proposto.