李海艷，吳洪陽，王宗環(huán)，王樹舉

(1.山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300;2.山東八億輪胎制造有限公司，山東 薛城 277800)

0 前言

輪胎通過輪輞被裝配到整車上，用以執(zhí)行整車的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等指令，同時(shí)需要承載整車及其駕乘者的的重量，其重要性毋庸置疑，由于輪胎的異常、突發(fā)等損壞會(huì)對(duì)駕乘者的生命安全造成影響，因此國際汽車工作組IATF機(jī)構(gòu)將輪胎列入安全部件的行列。IATF由世界上主要的汽車制造商及協(xié)會(huì)成立，稱為國際汽車工作組（International Automotive Task Force，簡稱IATF)，該機(jī)構(gòu)包含，通用、寶馬、克萊斯勒、戴姆勒、標(biāo)致、菲亞特、福特、雷諾和大眾9家整車廠；以及英國汽車制造與貿(mào)易商協(xié)會(huì)（SMMT），美國國際汽車監(jiān)督局（IAOB），意大利汽車制造商協(xié)會(huì)（ANFIA），法國車輛設(shè)備工業(yè)聯(lián)盟（FIEV）和德國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)-質(zhì)量管理中心（VDAQMC）5個(gè)國家的監(jiān)督機(jī)構(gòu)。

豐源輪胎通過綜合分析冰雪路面、路況的具體數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行有限元仿真分析，花紋噪聲分析、云數(shù)據(jù)處理等多方面的前期調(diào)研，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)、花紋設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)及成品性能驗(yàn)證后研發(fā)出一款FRD78花紋輪胎，該系輪胎可滿足私家車所有者群體冬季自駕游、欣賞美麗的雪景的需求。

其花紋提點(diǎn)如下：胎面花紋有更多細(xì)小的紋路，用以提升輪胎在冰雪路面上的抓地力，濕抓能力強(qiáng)；提升排水能力，用以應(yīng)對(duì)雨水及潮濕路況，提升操控性能的同時(shí)保證安全性能。

本文以245/45R18 96H 規(guī)格FRD78花紋輪胎為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)探討如下：

1 參照標(biāo)準(zhǔn)及外輪廓參數(shù)

參照標(biāo)準(zhǔn)：輪轂標(biāo)準(zhǔn)歐洲ETRTO 2015、輪輞工程手冊(cè)美國TRAEDI 2015、中國輪胎輪輞氣門嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒2019、GB/T2978—2008[1～3]。245/45R18 96H規(guī)格參數(shù)設(shè)計(jì)為：標(biāo)準(zhǔn)RIM 8.0J輪輞，充氣狀態(tài)下的外直徑（D′）和斷面寬（B′）分別設(shè)計(jì)為664 mm和254 mm；設(shè)計(jì)速度級(jí)別H、充氣壓力300±10 kPa、負(fù)荷710 kg。

2 外輪廓——行駛面

2.1 外直徑（D）和 斷面寬（B）

胎體的伸張主要受胎冠相應(yīng)部件材料的制約，非對(duì)稱花紋雪地輪胎使用包含帶束層、冠帶條在內(nèi)的冠帶層周向箍緊胎體，外直徑膨脹率（D′/D）較小，充氣外直徑無明顯的變化，D′和D分別設(shè)計(jì)為664 mm、663 mm，D′/D≈1.0015；胎體使用的聚酯簾線為高模低縮材料，胎側(cè)的獨(dú)特配方保證了其柔韌性和耐屈撓性能，膨脹??；輪胎充氣后,因其子午線輪胎90設(shè)計(jì)，高強(qiáng)度帶束層鋼絲可完美約束胎體，變化?。灰虼薆′和B設(shè)計(jì)值為253 mm、254 mm，B′/B≈0.996 1。

2.2 行駛面寬（b）和弧高（h）

通過綜合分析冰雪等路面、路況的具體數(shù)據(jù)，非對(duì)稱花紋雪地輪胎設(shè)計(jì)時(shí)如果行駛面寬度b取值較大，則整體的驅(qū)動(dòng)性能和承載性能可以提高；一般來講，行駛面寬度b與弧度高h(yuǎn)有正向比值關(guān)系，b值變小，h值也相應(yīng)的減小。通過優(yōu)化調(diào)整b與h的取值，可以調(diào)節(jié)非對(duì)稱花紋雪地輪胎的接地面積形狀與大小，優(yōu)化胎冠接地壓力，非對(duì)稱花紋雪地輪胎的牽引性與耐磨性相應(yīng)的提高。綜合上所述，非對(duì)稱花紋雪地輪胎的行駛面寬度b和弧度高h(yuǎn)分別設(shè)計(jì)為210 mm、6.9 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C ）

駕乘者的滿意度往往體現(xiàn)在細(xì)微處，為了方便裝胎，設(shè)計(jì)者需要考慮胎圈與輪輞的配合，理論上大家都希望胎圈與輪輞間隙越小越好，這樣能帶來更優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)性能；但是服務(wù)客戶的4S店往往希望裝卸方便，通盤思量后，非對(duì)稱花紋雪地輪胎胎圈著合直徑d、著合寬度C分別設(shè)計(jì)為456 mm、224 mm，這樣在降低胎側(cè)剛性的同時(shí)非對(duì)稱花紋雪地輪胎駕乘的舒適性也得到了保障，也保證了裝配性能。

2.4 斷面水平軸（H1/H2）

從輪廓圖上看，非對(duì)稱花紋雪地輪胎的斷面水平軸位于整個(gè)斷面的最寬處，是整個(gè)側(cè)部胎體最薄弱的地方，在充氣后是法向變形最大的位置，如果要保證非對(duì)稱花紋雪地輪胎的使用性能和壽命需要通盤考慮斷面水平軸位置，子午線輪胎的胎體簾線為90°徑向排列，子午線輪胎的應(yīng)力主要集中在胎圈、鋼絲圈這兩處，如果想來減小胎側(cè)區(qū)域、胎圈部位的應(yīng)力，可以考慮上移斷面水平軸。245/45R18 96H規(guī)格輪斷面水平軸位置H1/H2≈0.999 7。非對(duì)稱花紋雪地輪胎245/45R18 96H外輪廓詳見圖1。

圖1 非對(duì)稱花紋雪地輪胎斷面外輪廓示意圖

2.5 花紋節(jié)距及花型

FRD78花紋，為變節(jié)距花紋設(shè)計(jì)，整體包括長型花紋Q和h，短型花紋Y，分別為10節(jié)、8節(jié)、10節(jié)，花紋總計(jì)包含28節(jié)。花紋行駛面設(shè)計(jì)了4道溝槽，獨(dú)特的花紋搭配胎肩部位的低生熱配方使輪胎兼具優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性、散熱性、耐磨性和操控性。FRD78花紋花紋深度8.6 mm，飽和度68.86%，整體花紋海陸比均衡。專為冰雪路面特點(diǎn)設(shè)計(jì)的花紋樣圖如圖2所示。

圖2 非對(duì)稱花紋雪地輪胎胎面花紋示意圖

3 胎面及胎側(cè)等施工設(shè)計(jì)

3.1 擠出部件胎面和胎側(cè)的設(shè)計(jì)

根據(jù)非對(duì)稱花紋雪地輪胎匹配車輛行駛的實(shí)際路況信息，施工設(shè)計(jì)時(shí)，胎面部件采用全分層方案。胎面膠使用先進(jìn)的SSM低溫一步法煉膠工藝，提升混煉膠分散效果[1]該方案中，胎面部件與路面直接接觸的面膠的配方兼具濕地抓著性能優(yōu)和剛性好的特點(diǎn),體現(xiàn)為車輛的行駛安全性和操控性能好,胎面的基部膠使用高緩沖膠料，可以很好的釋放車輛行駛過程中接受到胎面?zhèn)鲗?dǎo)過來的各種應(yīng)力。胎面半部件生產(chǎn)使用的四復(fù)合擠出生產(chǎn)線為“Φ120上/Φ200/Φ150/Φ120下”復(fù)合擠出機(jī)組，其生產(chǎn)廠家為“德國特勒斯特”，該設(shè)備具備溫控準(zhǔn)、精度高，擠出部件尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。

非對(duì)稱花紋雪地輪胎的胎側(cè)設(shè)計(jì)為雙復(fù)合結(jié)構(gòu)，是胎側(cè)膠和胎圈護(hù)膠復(fù)合相搭配的結(jié)構(gòu),使用三復(fù)合擠出線為Φ120/Φ200/Φ150復(fù)合擠出機(jī)組，胎側(cè)膠和胎圈護(hù)膠分別使用Φ200/Φ150螺桿擠出，然后經(jīng)過專用的流道、預(yù)口型配合到相應(yīng)的口型板，最后擠出為合格的胎側(cè)半部件[2]，胎側(cè)半部件生產(chǎn)使用三復(fù)合擠出機(jī)的生產(chǎn)廠家“化工部桂林橡膠工業(yè)設(shè)計(jì)研究院”，該設(shè)備具備精度高，膠部件擠出尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。

3.2 輪胎的胎體部件設(shè)計(jì)

非對(duì)稱花紋雪地輪胎的骨架材料胎體,使用市面上應(yīng)用廣泛的高模低縮聚酯簾線，胎體部件為單層設(shè)計(jì)，胎體簾布?jí)貉由a(chǎn)使用的是意大利進(jìn)口科美利奧公司生產(chǎn)的兩用壓延生產(chǎn)線，胎體為2層設(shè)計(jì)，1#胎體寬度530 mm，2#胎體寬度430 mm，胎體簾布設(shè)計(jì)的壓延密度為105，胎體設(shè)計(jì)的安全倍數(shù)為9.1。胎體簾布的滲膠性能好，經(jīng)過硫化定型后，胎體整體的變形率較低，因此成品的非對(duì)稱花紋雪地輪胎胎圈部位的變形率低、支撐性能好，不容易出現(xiàn)并子口的現(xiàn)象，公司主打的直營店在為客戶更換輪胎的過程中發(fā)現(xiàn)裝卸操作更佳順暢，在二、三級(jí)輪胎經(jīng)銷商調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)顧客的滿意度也得到提高。

3.3 輪胎的帶束層部件設(shè)計(jì)

非對(duì)稱花紋雪地輪胎胎面下的冠帶層體系設(shè)計(jì)為2層帶束層+1層尼龍結(jié)構(gòu)，可保證其高速、耐久性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。1#和2#帶束層均采用3×0.30HT高滲透性鋼絲，鋼絲經(jīng)過意大利進(jìn)口科美利奧公司生產(chǎn)的兩用壓延生產(chǎn)線兩側(cè)覆膠后，壓延成鋼絲簾布，后裁斷為帶束層部件；當(dāng)非對(duì)稱花紋雪地輪胎行駛時(shí)，冠帶層中的帶束體系可以很好的箍緊胎體，避免輪胎胎面的周向形變，尺寸穩(wěn)定性好，同時(shí)正向引導(dǎo)輪胎的濕滑、操縱性能。冠帶材料為尼龍66簾線壓延而成，裁斷后單根寬度15 mm,成型的過程中需要帶張力纏繞到副鼓上，可有效的發(fā)揮其箍緊、抗撞擊等性能，胎面與帶束層脫空的病象得到遏制，同時(shí)合理過度胎面到胎體的剛度，有效緩沖其沖擊力，保護(hù)冠帶層，成品輪胎的使用壽命提高，在提升翻新次數(shù)方面，起到正向作用。

3.4 輪胎的鋼絲圈部件設(shè)計(jì)

非對(duì)稱花紋雪地輪胎使用的大業(yè)胎圈鋼絲直徑為1.295 mm，覆膠后直徑為1.60 mm，胎圈鋼絲回火高強(qiáng)度（鍍鋅銅），膠料的粘合性能好，不易散頭，排列形式為4-5-6-5-4，安全倍數(shù)設(shè)計(jì)為9.2。胎圈鋼絲覆膠后纏繞后與三角膠良好黏合，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。

3.5 輪胎的成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

非對(duì)稱花紋雪地輪胎成型過程使用的是一次法工藝，設(shè)備廠家荷蘭VMI，荷蘭VMI一次法成型機(jī)程序及機(jī)械定位精度高，胎胚成型過程中各半部件貼合密實(shí)，質(zhì)量的穩(wěn)定性有保證；成型參數(shù)設(shè)計(jì)如下：成型方式TOS,成型鼓直徑及平寬分別為430 mm、405 mm，預(yù)定型寬度設(shè)計(jì)為365 mm。

3.6 輪胎的硫化參數(shù)設(shè)計(jì)

非對(duì)稱花紋雪地輪胎的硫化工藝是氮?dú)饬蚧c傳統(tǒng)過熱水循環(huán)硫化工藝相比可節(jié)約79%左右的蒸汽消耗，節(jié)能效果顯著，綠色環(huán)保。硫化過程中側(cè)板設(shè)定溫度178 ℃，一次定型氮?dú)鈮毫?、二次定型時(shí)的氮?dú)鈮毫Ψ謩e為0.06±0.01 MPa、0.07±0.01 MPa，進(jìn)高壓蒸汽的壓力1.5～1.7 MPa，進(jìn)高壓氮?dú)鈮毫?.1～2.3 MPa，非對(duì)稱花紋雪地輪胎硫化時(shí)間744 s。

4 非對(duì)稱花紋雪地輪胎的安全性能

4.1 非對(duì)稱花紋雪地輪胎的外緣尺寸

非對(duì)稱花紋雪地輪胎產(chǎn)品，測試依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 521—2012，首先將非對(duì)稱花紋雪地輪胎安裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞，充氣至標(biāo)準(zhǔn)氣壓，然后下測量其外緣尺寸，數(shù)據(jù)顯示非對(duì)稱花紋雪地輪胎的D′為664 mm、數(shù)據(jù)顯示非對(duì)稱花紋雪地輪胎的B′為254 mm，結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 非對(duì)稱花紋雪地輪胎的強(qiáng)度性能

非對(duì)稱花紋雪地輪胎產(chǎn)品強(qiáng)度性能測試，依據(jù)Q/B QP 02—2018《強(qiáng)度試驗(yàn)方法——轎車子午線輪胎》，測試過程中輪胎充氣壓力為180 kPa，測試前需靜止停放3 h以上，產(chǎn)品測試后數(shù)據(jù)顯示，第1～第4點(diǎn)破壞能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，第五點(diǎn)破壞能數(shù)值為591.3 J，是標(biāo)準(zhǔn)值的2倍；非對(duì)稱花紋雪地輪胎強(qiáng)度性能達(dá)到研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 非對(duì)稱花紋雪地輪胎的耐久性能

測試依據(jù)Q/B NP 02-2018 《耐久性能試驗(yàn)方法——轎車子午線輪胎》，待測試輪胎的充氣壓力為180 kPa，測試條件及步續(xù)如表1所示。

表1 非對(duì)稱花紋雪地輪胎耐久性能測試

從表1可以看出，非對(duì)稱花紋雪地輪胎累計(jì)行駛 80 h后，胎肩部位發(fā)生損壞，停止試驗(yàn)，成品輪胎耐久性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 非對(duì)稱花紋雪地輪胎的高速性能

非對(duì)稱花紋雪地輪胎產(chǎn)品的高速性能，檢測依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/B GP 05—2018《高速性能試驗(yàn)方法——轎車子午線輪胎》，待測試輪胎的充氣壓力為280 kPa 。

從表2可以看出，非對(duì)稱花紋雪地輪胎累計(jì)行駛118 min后，胎肩部位發(fā)生損壞，停止試驗(yàn)，輪胎高速性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 非對(duì)稱花紋雪地輪胎高速性能測試

5 結(jié)論

綜上所述，245/45R18 96H 規(guī)格半鋼子午線非對(duì)稱花紋雪地輪胎，經(jīng)過檢測驗(yàn)證，其充氣后的外緣尺寸、壓穿強(qiáng)度性能、高速性能和耐久性能均達(dá)到研發(fā)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。FRD78系列輪胎產(chǎn)品在投產(chǎn)進(jìn)入市場以后，受眾的廣大司機(jī)朋友，在使用后一直反饋，優(yōu)于以往產(chǎn)品。