徐曉翠，張俊偉，羅建剛，董繼學(xué)，唐德全，余 萍

（四川海大橡膠集團(tuán)有限公司，四川 簡(jiǎn)陽(yáng) 641402）

在幾百萬(wàn)年的自然進(jìn)化過(guò)程中，自然界動(dòng)植物靠其自身獨(dú)有的結(jié)構(gòu)與功能，不斷適應(yīng)和超越自然。仿生原理是人類(lèi)模仿動(dòng)物和植物的某些構(gòu)造與功能，將生物學(xué)應(yīng)用于制造技術(shù)，為解決制造技術(shù)難題提供幫助與借鑒。仿生輪胎是將不同環(huán)境下生存的動(dòng)植物特性和運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究成果應(yīng)用于輪胎設(shè)計(jì)及工作原理而研發(fā)的輪胎[1-4]。

本設(shè)計(jì)仿生輪胎是根據(jù)仿生學(xué)原理模擬植物葉片易排水和破水膜的特點(diǎn)，將普通輪胎的被動(dòng)排水變革為制動(dòng)時(shí)的“主動(dòng)破壞水膜”，使其產(chǎn)生比現(xiàn)有輪胎更合理的制動(dòng)應(yīng)力，明顯縮短車(chē)輛制動(dòng)距離并保證車(chē)輛在濕滑路面上的操縱性能。因此，深入研究仿生輪胎在牽引和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特征，具有重要的實(shí)用意義。

1 技術(shù)要求

根據(jù)GB/T 2978—2014《轎車(chē)輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，并參照TRA 2018和ETRTO 2018標(biāo)準(zhǔn)，確定235/45ZR18 98W仿生轎車(chē)子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 8J，充氣外直徑（D′） 669（663～675） mm，充氣斷面寬（B′）236（227～245） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 290 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 750 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

半鋼子午線輪胎剛性較大的帶束層限制了胎體簾線的變形和徑向伸展，充氣狀態(tài)下輪胎外直徑基本不變化或略有增大，為保證輪胎外緣尺寸在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，參考相近規(guī)格、系列的膨脹率，本次設(shè)計(jì)D取666 mm。輪胎充氣后斷面寬因采用的胎體簾線不同而有所變化，還應(yīng)考慮硫化后是否進(jìn)行后充氣，結(jié)合我公司設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工藝條件，本次設(shè)計(jì)B取239 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

通常子午線輪胎的h與斷面高（H）的比值為0.03～0.1，b/B為0.70～0.90。b和h的取值影響輪胎接地印痕的形狀，即輪胎接地壓力分布，與輪胎的耐磨性能和操縱性能等相關(guān)。本次設(shè)計(jì)仿生輪胎行駛面較寬，為提高舒適性，h取值可適當(dāng)增大，同時(shí)考慮到輪胎行駛面寬度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響，b取208 mm，h取9.4 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

標(biāo)準(zhǔn)輪輞標(biāo)定直徑為462 mm，為了使本設(shè)計(jì)輪胎與輪輞配合緊密，d取值一般比輪輞標(biāo)定直徑小0.5～2 mm，并且與鋼絲圈直徑、胎圈處弧度和角度及胎圈膠硬度等有關(guān)，不僅需要使輪胎具有良好的氣密性，同時(shí)要容易裝配。綜合以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，d取460.4 mm。

根據(jù)C/B值優(yōu)化C的設(shè)計(jì)，強(qiáng)化輪胎下胎側(cè)的支撐性能，同時(shí)使輪胎與輪輞配合后產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，以改善輪胎的動(dòng)態(tài)性能。C一般比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬約25.4 mm（1英寸），同時(shí)結(jié)合輪胎的裝配尺寸和外型，C取216 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

考慮胎圈加寬設(shè)計(jì)，輪胎裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞上后，水平軸將上移，再根據(jù)45系列的特點(diǎn)，斷面水平軸略靠下胎側(cè)；同時(shí)，上胎側(cè)弧采用小半徑設(shè)計(jì)，增大帶束層張力，提高輪胎的操縱穩(wěn)定性和舒適性。綜合考慮，H1/H2取0.910 8。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋直接影響輪胎的牽引性能、制動(dòng)性能、耐磨性能、滾動(dòng)阻力、噪聲和抗?jié)窕阅艿?。本次設(shè)計(jì)的仿生輪胎對(duì)高速轉(zhuǎn)彎性能、抓著力、制動(dòng)力和操縱安全性能等要求較高，因此采用新開(kāi)發(fā)的HD937花紋，4條周向主溝設(shè)計(jì)保證了排水性能；花紋形狀模仿花中四君子之一的雙子葉蘭科植物墨蘭的葉片形狀，將普通輪胎的被動(dòng)排水變革為制動(dòng)時(shí)的“主動(dòng)破壞水膜”，從而明顯提高車(chē)輛在濕滑路面的操縱性能；中間連續(xù)的縱向花紋塊設(shè)計(jì)，增大了花紋塊的整體剛性，具有高縱向硬度，行駛和制動(dòng)時(shí)能減小花紋塊變形，提供優(yōu)異的剎車(chē)性能，并有效降低滾動(dòng)阻力；外側(cè)肩部采用大花紋塊設(shè)計(jì)，當(dāng)高速變道或轉(zhuǎn)彎時(shí)，確保車(chē)輛的操縱安全性；內(nèi)側(cè)的胎肩加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)能增大花紋塊的剛性，確保輪胎具有更好的操縱性能?；y排列采用變節(jié)距設(shè)計(jì)，根據(jù)Varterasian輪胎節(jié)距排列理論，利用計(jì)算機(jī)模擬分析出最優(yōu)節(jié)距排列方案，以降低輪胎噪聲?；y深度為7.5 mm，花紋飽和度為71.7%，花紋周節(jié)數(shù)為72。

胎面花紋三維效果如圖2所示。

圖2 胎面花紋三維效果示意

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面是由胎面膠、基部膠和兩側(cè)翼膠三部分分層擠出復(fù)合而成，胎面膠采用耐磨性能好、滾動(dòng)阻力低的專(zhuān)用配方膠料，從而提高輪胎的濕地抓著性能和行駛里程，同時(shí)降低滾動(dòng)阻力；為預(yù)防胎冠和胎肩部位生熱過(guò)快，出現(xiàn)冠空和肩空等缺陷，基部膠采用與胎面膠粘合性好的低生熱配方膠料；翼膠作為胎面與胎側(cè)的過(guò)渡部位，采用與胎側(cè)膠料相近的膠料配方，以提高兩者間的粘合性。

3.2 帶束層

通過(guò)計(jì)算輪胎的安全倍數(shù)，同時(shí)滿(mǎn)足W速度級(jí)別要求，采用2層帶束層和1層冠帶條的結(jié)構(gòu)。帶束層采用3×0.30HT鋼絲簾線，冠帶條采用930dtex/2改性錦綸浸膠簾布。

3.3 胎體和胎側(cè)

結(jié)合輪胎適配車(chē)型和使用路況等因素，胎體采用1層1400dtex/3改性錦綸浸膠簾布，采用一次法成型反包結(jié)構(gòu)，胎體的安全倍數(shù)為17.4。

胎側(cè)部位由胎側(cè)膠和胎圈膠兩部分?jǐn)D出復(fù)合而成，胎側(cè)膠與胎面翼膠的配方相近，而胎圈膠則采用耐磨性能好的膠料配方。

3.4 胎圈

鋼絲圈采用Φ1.30 mm回火胎圈鋼絲，覆膠后直徑為1.6 mm，排列方式為4-5-6-5，三角膠高度為26 mm。

3.5 成型

成型采用一次法成型機(jī)，機(jī)頭寬度為392 mm，機(jī)頭直徑為442 mm，帶束層貼合鼓周長(zhǎng)為1 965 mm。

3.6 硫化

硫化采用雙模液壓硫化機(jī)，硫化模具采用活絡(luò)模，硫化方式為高溫充氮硫化。硫化條件為：外溫 （177±2） ℃，內(nèi)溫 （205±3） ℃，充氮?dú)鈮毫?（2.3±0.2） MPa，內(nèi)溫蒸汽壓力（1.65±0.05） MPa，總硫化時(shí)間 13.4 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

外緣尺寸按GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》測(cè)試。將輪胎安裝在試驗(yàn)輪輞上，充氣至標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，在18～36 ℃的環(huán)境溫度下停放24 h后進(jìn)行測(cè)量。D′為671 mm，B′為233 mm，輪胎充氣外緣尺寸在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

強(qiáng)度性能按GB/T 4502—2016《轎車(chē)輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》測(cè)試。將輪胎安裝在試驗(yàn)輪輞上，充氣壓力為220 kPa，在18～36 ℃的環(huán)境溫度下停放3 h以上，沿輪胎外周長(zhǎng)確定5個(gè)大致等間距分布的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，輪胎的破壞能為595.7 J，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 脫圈阻力

脫圈阻力按GB/T 4502—2016測(cè)試。將輪胎安裝在試驗(yàn)輪輞上，充氣壓力為220 kPa，在18～36℃的環(huán)境溫度下停放3 h以上，在胎側(cè)上沿圓周方向確定4個(gè)大致等間距分布的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，輪胎的脫圈阻力為13 910 N，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 耐久及低氣壓耐久性能

耐久及低氣壓耐久性能按GB/T 4502—2016測(cè)試。將輪胎安裝在試驗(yàn)輪輞上，耐久性試驗(yàn)充氣壓力為220 kPa，低氣壓耐久性試驗(yàn)充氣壓力為160 kPa，在（38±3） ℃的環(huán)境溫度下停放3 h以上，各階段測(cè)試時(shí)間和負(fù)荷如表1所示。

表1 耐久及低氣壓耐久性試驗(yàn)條件

達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)間后，繼續(xù)試驗(yàn)直至輪胎破壞，輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為69.6 h，達(dá)到試驗(yàn)要求。

4.5 高速性能

高速性能按GB/T 4502—2016測(cè)試。試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 高速性能試驗(yàn)條件

試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎在300 km·h-1速度下行駛10 min后未損壞，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求（＞270 km·h-1）。

4.6 接地壓力分布

接地壓力分布按GB/T 22038—2018《汽車(chē)輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗(yàn)方法》測(cè)試，充氣壓力為220 kPa，在18～36 ℃的室溫下停放24 h以上，在胎側(cè)標(biāo)出的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，靜負(fù)荷下輪胎半徑為308.3 mm，斷面寬為245 mm，下沉量為27.2 mm，下沉率為25.4%，接地因數(shù)為0.77。

輪胎接地印痕如圖3所示。

從圖3可以看出，輪胎接地印痕形狀近似橢圓形，接地壓力分布均勻，證明了輪廓和花紋設(shè)計(jì)的合理性。

圖3 輪胎接地印痕

4.7 滾動(dòng)阻力、抗?jié)窕阅芎驮肼?/h3>

將試驗(yàn)輪胎外送委托認(rèn)證測(cè)試，滾動(dòng)阻力按ISO 28580：2009進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到歐盟標(biāo)簽法C級(jí)要求；抗?jié)窕阅馨磳?shí)車(chē)法試驗(yàn)，試驗(yàn)輪胎濕路面相對(duì)抓著性能指數(shù)為1.415，達(dá)到歐盟標(biāo)簽法B級(jí)要求；噪聲測(cè)試結(jié)果為72 dB。本產(chǎn)品取得了歐盟標(biāo)簽法第2階段認(rèn)證。

5 結(jié)論

（1）235/45ZR18 98W仿生轎車(chē)子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、脫圈阻力、耐久及低氣壓耐久性能和高速性能等滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求。

（2）該產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平，抗?jié)窕阅苓_(dá)到歐盟標(biāo)簽法B級(jí)，滾動(dòng)阻力達(dá)到歐盟標(biāo)簽法C級(jí)，噪聲測(cè)試結(jié)果為72 dB，產(chǎn)品取得了歐盟標(biāo)簽法第2階段認(rèn)證。

該產(chǎn)品自進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，各項(xiàng)性能優(yōu)異，獲得了客戶(hù)的認(rèn)可，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為仿生設(shè)計(jì)在輪胎實(shí)際生產(chǎn)中的更廣泛應(yīng)用提供了借鑒。