Alan N. Gent

Engineering with RubberHow to Design Rubber Components

3rd Edition

Gent Engineering with Rubber

Engineering with Rubber

Alan N. Gent

Hanser Publishers, Munich Hanser Publications, Cincinnati

How to Design Rubber Components

3rd Edition

The Editor:Dr. Alan N. Gent, 4498 Cobblestone Trail, Ravenna, OH 44266-8249, USA

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Engineering with rubber : how to design rubber components / [edited by] Alan N. Gent. -- 3rd ed. p. cm. Includes bibliographical references and index. ISBN 978-3-446-42764-8 (hardcover) -- ISBN 978-1-56990-508-1 (hardcover) 1. Rubber. 2. Engineering design. I. Gent, Alan N. TA455.R8E54 2012 620.1’94--dc23 2011045185

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar.

ISBN 978-3-446-42764-8E-Book-ISBN 978-3-446-42871-3

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Contents

Preface to Third Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV

Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XVII

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Rubber in Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Dynamic Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 General Design Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Thermal Expansivity, Pressure, and Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.6 Specific Applications and Operating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.7 Seal Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.8 Seal Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Materials and Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2 Elastomer Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.1 General Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1.1 Styrene-Butadiene Rubber (SBR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1.2 Polyisoprene (NR, IR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1.3 Polybutadiene (BR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.2 Specialty Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2.1 Polychloroprene (CR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2.2 Acrylonitrile-Butadiene Rubber (NBR) . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2.3 Hydrogenated Nitrile Rubber (HNBR) . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2.4 Butyl Rubber (IIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2.5 Ethylene-Propylene Rubber (EPR, EPDM) . . . . . . . . . . . . 152.2.2.6 Silicone Rubber (MQ, VMQ, PMQ, PVMQ) . . . . . . . . . . . 162.2.2.7 Polysulfide Rubber (T) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.2.8 Chlorosulfonated Polyethylene (CSM) . . . . . . . . . . . . . . . 16

VI Contents

2.2.2.9 Chlorinated Polyethylene (CM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.2.10 Ethylene-Methyl Acrylate Rubber (AEM) . . . . . . . . . . . . 172.2.2.11 Acrylic Rubber (ACM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2.12 Fluorocarbon Rubbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2.13 Epichlorohydrin Rubber (CO, ECO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.2.14 Urethane Rubber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Compounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.1 Vulcanization and Curing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.1.1 Sulfur Curing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.1.2 Determination of Crosslink Density . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1.3 Influence of Crosslink Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.1.4 Other Cure Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3.2 Reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.3 Anti-Degradants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3.3.1 Ozone Attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.3.2 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.4 Process Aids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3.5 Extenders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.6 Tackifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4 Typical Rubber Compositions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Problems for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Answers to Problems for Chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3 Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 Elastic Properties at Small Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.1 Elastic Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.2 Relation Between Shear Modulus G and Composition . . . . . . . . . 413.2.3 Stiffness of Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.3.1 Choice of Shear Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2.3.2 Shear Deformations of Bonded Blocks and Hollow

Cylindrical Tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.3.3 Small Compressions or Extensions of Bonded Blocks . 473.2.3.4 Compression of Blocks Between Frictional Surfaces . . 503.2.3.5 Maximum Allowable Loads in Tension and

Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.3.6 Indentation of Rubber Blocks by Rigid Indentors . . . . . 533.2.3.7 Compression of O-rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2.3.8 Protrusion of Rubber Through a Hole or Slit . . . . . . . . . 55

VII Contents

3.3 Large Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.3.1 General Theory of Large Elastic Deformations . . . . . . . . . . . . . . . . 563.3.2 Forms for W Valid at Large Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.3.3 Stress-Strain Relations in Selected Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3.3.1 Simple Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3.3.2 Equibiaxial Stretching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.3.3.3 Constrained Tension (Pure Shear) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.4 Determining the Strain Energy Function W . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.3.4.1 Elastic Behavior of Filled Rubber Vulcanizates . . . . . . . 653.3.4.2 Does Any Strain Energy Function Apply? . . . . . . . . . . . . 67

3.3.5 Other Stress-Strain Relations Valid at Large Strains . . . . . . . . . . 673.3.5.1 Simple Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.3.5.2 Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.3.5.3 Instability in Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3.5.4 Inflation of a Thin-Walled Tube [58] . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.3.5.5 Inflation of a Spherical Shell (Balloon) . . . . . . . . . . . . . . 743.3.5.6 Inflation of a Spherical Cavity;

Explosive Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.3.5.7 Surface Creasing in Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.4 Molecular Theory of Rubber Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.4.1 Elastic Behavior of a Molecular Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 783.4.3 Effective Density of Network Strands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.4 The Second Term in the Strain Energy Function . . . . . . . . . . . . . . 823.4.5 Concluding Remarks on Molecular Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Problems for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Answers to Selected Problems for Chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4 Dynamic Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.2 Stress Waves in Rubbery Solids, Transit Times, and Speeds of

Retraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.3 Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.4 Dynamic Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.5 Energy Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.6 Motion of a Suspended Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.7 Experimental Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.7.1 Forced Nonresonance Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.7.2 Forced Resonance Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.7.3 Free Vibration Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

VIII Contents

4.7.4 Rebound Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.7.5 Effect of Static and Dynamic Strain Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4.8 Application of Dynamic Mechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.8.1 Heat Generation in Rubber Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.8.2 Vibration Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.8.3 Shock Absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.9 Effects of Temperature and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104.10 Thixotropic Effects in Filled Rubber Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Problems for Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Answers to Problems for Chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5 Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.2 Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.2.1 Analysis of the Test Pieces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.2.2 The Strain Energy Concentration at a Crack Tip . . . . . . . . . . . . . 123

5.3 Tear Behavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255.4 Crack Growth under Repeated Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.4.1 The Fatigue Limit and the Effect of Ozone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.4.2 Physical Interpretation of G0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.4.3 Effects of Type of Elastomer and Filler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.4.4 Effect of Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.4.5 Effects of Frequency and Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.4.6 Nonrelaxing Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.4.7 Time-Dependent Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5.5 Ozone Attack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385.6 Tensile Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.7 Crack Growth in Shear and Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.8 Cavitation and Related Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149Problems for Chapter 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152Answers to Problems for Chapter 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6 Mechanical Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.2 Application of Fracture Mechanics to Mechanical Fatigue of Rubber . 1616.3 Initiation and Propagation of Cracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

6.3.1 Fatigue Crack Initiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

IX Contents

6.3.2 Fatigue Life and Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1646.3.3 Fatigue Crack Propagation:

The Fatigue Crack Growth Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1666.3.4 Fatigue Life Determinations from the Crack Growth

Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1686.4 Fatigue Crack Growth Test Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

6.4.1 Experimental Determination of Dynamic Tearing Energies for Fatigue Crack Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

6.4.2 Kinetics of Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1716.4.3 Effects of Test Variables on Fatigue Crack Growth

Characteristics and Dynamic Fatigue Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.1 Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.2 Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.3 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.4.3.4 Static Strain/Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

6.5 Material Variables and Their Effect on Fatigue Crack Growth . . . . . . . . 1766.5.1 Reinforcing Fillers and Compound Modulus. . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.5.2 Elastomer Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1786.5.3 Vulcanizing System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.5.3 Fatigue of Double Network Elastomers and Blends. . . . . . . . . . . 181

6.6 Fatigue and Crack Growth of Rubber under Biaxial Stresses and Multiaxial Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

6.7 Fatigue in Rubber Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1846.7.1 Effect of Wires, Cords, and Their Spacing on Fatigue Crack

Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.7.2 Effect of Minimum Strain or Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.7.3 Comparison of S-N Curve and Fatigue Crack Propagation

Constants for Rubber-Wire Composites [53] . . . . . . . . . . . . . . . . . 1876.7.4 Fatigue of Two-Ply Rubber-Cord Laminates . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6.8 Fatigue Cracking of Rubber in Compression and Shear Applications . 1896.8.1 Crack Growth in Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1896.8.2 Crack Growth in Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

6.9 Environmental Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936.10 Modeling and Life Predictions of Elastomeric Components . . . . . . . . . . 1946.11 Fatigue Crack Propagation of Thermoplastic Elastomers . . . . . . . . . . . . . 1946.12 Durability of Thermoplastic Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1956.13 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198Problems for Chapter 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200Answers to Problems for Chapter 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

X Contents

7 Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.2 Creep, Stress Relaxation, and Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

7.2.1 Creep. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087.2.2 Stress Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2087.2.3 Physical Relaxation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097.2.4 Chemical Relaxation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.2.5 Compression Set and Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.2.6 Case History Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

7.3 Longevity of Elastomers in Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.3.1 Durability at Ambient Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2147.3.2 Sunlight and Weathering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.3.3 Ozone Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2157.3.4 Structural Bearings: Case Histories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

7.3.4.1 Natural Rubber Pads for a Rail Viaduct after 100 Years of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

7.3.4.2 Laminated Bridge Bearings after 20 Years of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

7.4 Effect of Low Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.4.1 Glass Transition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.4.2 Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

7.5 Effect of Elevated Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2227.6 Effect of Fluid Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

7.6.1 Aqueous Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297.6.2 Hydrocarbon Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2327.6.3 Hydrocarbon and Other Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

7.6.3.1 Pressurized CO2 for Assessing Interface Quality in Bonded Rubber/Rubber Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 240

7.6.4 Effects of Temperature and Chemical Fluid Attack . . . . . . . . . . . 2407.6.5 Effect of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

7.7 Durability of Rubber-Metal Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.7.1 Adhesion Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2437.7.2 Rubber-Metal Adhesive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2457.7.3 Durability in Salt Water: Role of Electrochemical Potentials . . 246

7.8 Life Prediction Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248Acknowledgment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251Problems for Chapter 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253Answers to Problems for Chapter 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

XI Contents

8 Design of Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2598.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2598.2 Shear and Compression Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

8.2.1 Planar Sandwich Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2618.2.2 Laminate Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2678.2.3 Tube Form Bearings and Mountings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2698.2.4 Effective Shape Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

8.3 Vibration and Noise Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2758.3.1 Vibration Background Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2768.3.2 Design Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2788.3.3 Sample Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

8.4 Practical Design Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2878.5 Summary and Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290Problems for Chapter 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290Answers to Problems for Chapter 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

9a Finite Element Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2959a.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2959a.2 Material Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

9a.2.1 Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2979a.2.2 Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

9a.2.2.1 Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2989a.2.2.2 Non-Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

9a.2.2.2.1 Non-Linear Characteristics . . . . . . . . . . . . . . 3039a.2.2.2.2 Non-Linear Material Models . . . . . . . . . . . . . 3039a.2.2.2.3 Obtaining Material Data . . . . . . . . . . . . . . . . . 3049a.2.2.2.4 Obtaining the Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . 3099a.2.2.2.5 Mooney-Rivlin Material Coefficients . . . . . 310

9a.2.3 Elastomer Material Model Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119a.2.3.1 ASTM 412 Tensile Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119a.2.3.2 Pure Shear Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3129a.2.3.3 Bi-Axial Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3129a.2.3.4 Simple Shear Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

9a.3 Terminology and Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3139a.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3139a.3.2 Types of FEA Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3149a.3.3 Model Building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3159a.3.4 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3179a.3.5 Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

XII Contents

9a.3.5.1 Tangent Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3189a.3.5.2 Newton-Raphson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199a.3.5.3 Non-Linear Material Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199a.3.5.4 Viscoelasticity (See Chapter 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3199a.3.5.5 Model Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

9a.3.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3209a.3.7 Linear Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3229a.3.8 Classical Verification – Non-Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

9a.4 Example Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3259a.4.1 Positive Drive Timing Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3259a.4.2 Dock Fender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3269a.4.3 Rubber Boot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3299a.4.4 Bumper Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3319a.4.5 Laminated Bearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3339a.4.6 Down Hole Packer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3359a.4.7 Bonded Sandwich Mount . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3379a.4.8 O-Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3399a.4.9 Elastomer Hose Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3399a.4.10 Sample Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

9b Developments in Finite Element Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3459b.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3459b.2 Material Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

9b.2.1 Hyperelastic Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3469b.2.2 Compressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3509b.2.3 Deviations from Hyperelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

9b.2.3.1 Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3519b.2.3.2 Stress-Softening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

9b.3 FEA Modelling Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3539b.3.1 Pre- and Post-Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3539b.3.2 Choice of Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3549b.3.3 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3559b.3.4 Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

9b.4 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3569b.4.1 Stresses and Strains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3579b.4.2 Tearing Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

9b.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3599b.5.1 Load Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3599b.5.2 Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

XIII Contents

10 Tests and Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36510.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

10.1.1 Standard Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36510.1.2 Purpose of Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36610.1.3 Test Piece Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36610.1.4 Time Between Vulcanization and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36710.1.5 Scope of This Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

10.2 Measurement of Design Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36710.2.1 Young’s Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36810.2.2 Shear Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37010.2.3 Creep and Stress Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

10.2.3.1 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37310.2.3.2 Stress Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

10.3 Quality Control Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37410.3.1 Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

10.3.1.1 Durometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37510.3.1.2 International Rubber Hardness Tester . . . . . . . . . . . . . . 376

10.3.2 Tensile Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37810.3.3 Compression Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38010.3.4 Accelerated Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

10.3.4.1 Aging in an Air Oven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38110.3.4.2 Ozone Cracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

10.3.5 Liquid Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38410.3.5.1 Factors in Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38410.3.5.2 Swelling Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

10.3.6 Adhesion to Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38510.3.7 Processability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

10.4 Dynamic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39010.4.1 Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39210.4.2 Yerzley Oscillograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39310.4.3 Resonant Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39410.4.4 Servohydraulic Testers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39510.4.5 Electrodynamic Testers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39610.4.6 Preferred Test Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

10.5 Tests for Tires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39710.5.1 Bead Unseating Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39810.5.2 Tire Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39910.5.3 Tire Endurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40010.5.4 High Speed Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

10.6 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40110.6.1 Classification System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

XIV Contents

10.6.1.1 Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40210.6.1.2 Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40310.6.1.3 Further Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

10.6.2 Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40610.6.2.1 Molded Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40610.6.2.2 Extruded Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40810.6.2.3 Load-Deflection Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

10.6.3 Rubber Bridge Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40910.6.3.1 Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40910.6.3.2 Design Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41010.6.3.3 Materials Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

10.6.4 Pipe Sealing Rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.1 Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.3 Tensile Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.6.4.4 Compression Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41410.6.4.5 Low Temperature Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41410.6.4.6 Oven Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41510.6.4.7 Oil Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41510.6.4.8 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416Problems for Chapter 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419Answers to Problems for Chapter 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

Appendix: Tables of Physical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

Preface to Third Edition

The two former editions of “Engineering with rubber” have served as handbooks and teaching texts in a rather specialized branch of materials science and engineer-ing – the design, testing and use of engineered products incorporating rubber – for two generations of students, engineers and scientists who have encountered this unusual and fascinating branch of engineering technology. During this period, applications of rubber in engineering have increased significantly, notably in seals (for example in oil wells and transmission lines) and in flexible mountings to protect buildings against earthquake shocks. However, the second edition of the book has become out-of-print, and some of the material in it, particularly the references, has become out-dated.

This third edition includes revised versions of most of the previous chapters and also contains a new chapter reviewing recent developments in the use of finite-element programs, an important advance in methods of designing rubber products. We hope that the book will continue to help scientists and engineers as they study and apply the basic principles governing the use of rubber components in engineering applications.

Alan N. GentThe University of AkronAugust 1, 2011

Authors

Campion, Robert, Materials Engineering Research Laboratory (MERL Ltd.), Wilbury Way, Hitchin, Hertfordshire, SG4 0TW, England

Ellul, Maria D., ExxonMobil Chemical Company, 388 S. Main Street, Akron, Ohio 44311-1059, USA

Finney, Robert H., HLA Engineers, Inc., 5619 Dyer Street, Suite 110, Dallas, Texas, 75206, USA

Gent, Alan N., College of Polymer Science and Polymer Engineering, The University of Akron, Akron, Ohio 44325-3909, USA

Hamed, G. R., Department of Polymer Science, The University of Akron, Akron, Ohio 44325-3909, USA

Hertz, Daniel L., Jr., Seals Eastern, Inc., Red Bank, New Jersey 07701, USA

James, Frank O., Mechanical Products Division, Lord Corporation, Erie, Pennsylvania 16514-0039, USA

Lake, Graham J., University of East London, Dagenham, RM8 2AS, U.K.

XVIII Authors

Miller, Thomas S., Mechanical Products Division, Lord Corporation, Erie, Pennsylvania 16514-0039, USA

Scott, Kenneth W. (deceased)

Sheridan, Patrick M., Mechanical Products Division, Lord Corporation, Erie, Pennsylvania 16514-0039, USA

Sommer, John G., 5939 Bradford Way, Hudson, OH 44236, USA

Stevenson, Andrew, Materials Engineering Research Laboratory (MERL Ltd.), Wilbury Way, Hitchin, Hertfordshire, SG4 0TW, England

Thomas, Alan G., Queen Mary and Westfield College, University of London, E1 4NS, U.K.

Yeoh, Oon Hock, Freudenberg-NOK General Partnership, Plymouth, MI 48170, USA

1 IntroductionDaniel L. Hertz, Jr.

■■ 1.1■ Rubber in Engineering

Elastomers (natural and synthetic rubber) are amorphous polymers to which various ingredients are added, creating what the rubber chemist refers to as a compound. After heating and reaction (vulcanization), these materials become “rubber”. While they are elastic and rubbery, they also dissipate energy because of their viscoelastic nature. Their strength is high, especially under shear and compressive deformations. But, as with any mechanically loaded component, failure can occur as a result of fatigue. Thus the long-term durability of rubber has to be predictable. Simple design criteria should be made available. Computer-aided design and analysis would be desirable. Specifications are required to control product quality. Physical constants, as with any engineering material, should be readily available. These are the reasons for this book: Engineering Design of Rubber Components.

The next question is: Which are the necessary chapters to read? Answer: All of them – sooner (the reason you probably bought the book) or later (the reason you are re-reading the book), when you have problems. Many failures of rubber components are due to a basic lack of understanding of the nature of rubber.

Rubber is an engineering material. Consider now the process of designing a long-lived rubber component. To be successful, we must understand:

� Polymers and the rubbery state � General design principles

This is not as daunting a task as it appears. Chapters 2 to 4 provide a background for polymers and the rubbery state, and Chapters 5 to 10 give some general design principles. Without attempting to preempt the authors, let me present a sometimes overly simplistic view as I might use in addressing a fellow engineer.