任艷萍，任會明，黃大業(yè)，李娜娜，彭 松，張曉輝

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

在冬季，寒冷地區(qū)氣溫較低，雪天路況復(fù)雜，普通輪胎抓著力急劇下降，制動性能降低，給行車安全帶來一定的隱患[1]。隨著駕駛者行車安全意識的不斷增強，越來越多的車主選擇在冬季到來之前更換冬季輪胎。冬季輪胎作為國內(nèi)外增長最快的輪胎系列，已經(jīng)引起各大輪胎公司的廣泛關(guān)注。

為了滿足歐洲市場需求，我公司針對冬季輪胎現(xiàn)狀，開發(fā)了一系列不對稱花紋冬季輪胎產(chǎn)品，現(xiàn)以275/30R20 97H冬季轎車子午線輪胎為例將產(chǎn)品設(shè)計情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)GB/T 2978—2014《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，并結(jié)合歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊（ETRTO）2018，確定275/30R20 97H轎車子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)輪輞9 1/2J，充氣外直徑（D′） 674（669.2～678.8）mm，充氣斷面寬（B′） 278（266.9～289.1） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 290 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 730 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

該規(guī)格輪胎屬于低斷面輪胎，充氣后外直徑伸張大于普通輪胎，斷面寬伸張很小或收縮（比模具尺寸?。?，根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，確定D取668.9 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.007，B取296 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）為0.939。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎使用性能的重要參數(shù)，對輪胎的接地面積、耐磨性能、操縱性能和抓著性能影響較大。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計b取247 mm，h取11.5 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d的選取應(yīng)在滿足胎圈與輪輞緊密配合的同時方便輪胎的裝卸。為防止漏氣現(xiàn)象的發(fā)生，胎圈與輪輞采取過盈配合設(shè)計。若過盈量小，輪胎與輪輞的嵌合壓縮比小，車輛行駛過程中輪胎與輪輞易發(fā)生相對位移，導(dǎo)致制動力下降，嚴(yán)重的會導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)向時輪胎與輪輞脫離，發(fā)生安全事故；若過盈量大，則輪胎裝卸困難，易發(fā)生劃傷輪胎的情況，且影響胎圈的安全性能。

結(jié)合我公司設(shè)計特點，d取512 mm。為了提高胎圈部位的支撐性能和裝配性能，采用寬輪輞設(shè)計，C取267 mm。

2.4 胎面花紋

輪胎與路面的相互作用是通過胎面花紋實現(xiàn)的，胎面花紋的設(shè)計對輪胎性能和使用壽命影響很大，胎面花紋設(shè)計應(yīng)使輪胎具有良好的耐磨性能、驅(qū)動性能、制動性能、抗?jié)窕阅?、噪聲性能和滾動阻力性能等[2]。結(jié)合實際情況，本次設(shè)計胎面花紋采取不對稱形式，胎面左右的開溝方式不同，輪胎外側(cè)溝紋少，轉(zhuǎn)彎時能夠提供良好的抓著力；輪胎內(nèi)側(cè)溝紋較多，溝槽內(nèi)部階梯及塊面倒角處理可以有效地防止夾石夾雪，極大地提高了雪地及濕地安全操縱性能和制動性能，同時提供理想的牽引力和更好的加速性能。胎面中央3條寬大的主花紋溝可以有效地提高排水、排雪性能；胎肩采用較寬的花紋溝，以保證車輛的抓著力；采用較大花紋塊，可以提高輪胎的操縱性能和耐磨性能。花紋深度為8.0 mm，花紋飽和度為67%，花紋周節(jié)數(shù)為72。

胎面花紋三維效果如圖1所示。

圖1 胎面花紋三維效果示意

鋼片采用3D設(shè)計，橫向細(xì)小3D花紋溝槽可以提高輪胎的濕地行駛安全性和雪地性能。在輪胎驅(qū)動和制動時，花紋塊互鎖，可以降低輪胎的變形程度，連續(xù)性交替接觸地面有效地減小了胎面震動，從而降低輪胎噪聲。橫向花紋分割，角度統(tǒng)一，操縱性好，花紋節(jié)奏律動感強。鋼片溝采用深淺間隔配置，保證花紋塊有合理的剛性，從而提高操縱性能，避免掉塊現(xiàn)象。

鋼片效果如圖2所示。

圖2 鋼片效果示意

3 有限元仿真分析

結(jié)合本公司實際情況，根據(jù)材料分布圖的結(jié)構(gòu)和尺寸以及現(xiàn)有可用的材料參數(shù)進行計算，應(yīng)用Catia軟件進行幾何建模和有限元網(wǎng)格劃分，形成輪胎的三維有限元模型，如圖3所示。

圖3 輪胎三維有限元模型

因冬季輪胎高速性能和耐久性能測試的破壞位置大多是胎肩，本研究模擬接地情況，修改輪廓設(shè)計，通過減小胎肩應(yīng)變能和胎肩變形來提高胎肩剛性，并增大反包高度，增強胎圈剛性。輪胎接地斷面胎肩膠料和胎圈應(yīng)力分布分別如圖4和5所示。由圖4和5可以看出，輪胎的應(yīng)力分布比較平緩均勻。

圖4 輪胎接地斷面胎肩膠料應(yīng)力分布

圖5 輪胎接地斷面胎圈應(yīng)力分布

4 施工設(shè)計

4.1 胎面

胎面采用三方四塊結(jié)構(gòu)。胎面膠采用天然橡膠（NR）與低玻璃化溫度（Tg）的改性溶聚丁苯橡膠（SSBR）并用，填充高用量的高分散性白炭黑，以環(huán)保油與樹脂并用進行增塑，并加入高硬度的山核桃粉。此胎面配方采用Tg較低的NR并增大環(huán)保油和改性樹脂用量，以保證胎面膠硬度較低并減小低溫下膠料的硬度變化；使用部分樹脂替代環(huán)保油以減少小分子油在輪胎使用周期內(nèi)的遷出，以此降低輪胎胎面在整個使用周期內(nèi)的硬度提升程度；采用改性的SSBR中的苯乙烯嵌段可以改善濕抓著性能，雙末端改性可以提高SSBR與白炭黑的結(jié)合，以保證輪胎在冰水路面的抓著力；高分散性白炭黑在橡膠中分散更佳，相應(yīng)膠料的性能更優(yōu)異，高白炭黑用量可以改善輪胎濕抓著性能，且保證輪胎在極低溫度下的柔軟性。此胎面配方的創(chuàng)新點在于加入了球磨法高硬度山核桃粉，在微觀層面上，山核桃粉顆粒會凸出橡膠表面，產(chǎn)生不規(guī)則的棱角，以更好地提高輪胎在冰面和水面的抓著性能。

4.2 帶束層

采用2層帶束層＋2層0°冠帶層設(shè)計，其中帶束層采用2＋2×0.25HT鋼絲簾線，簾線角度為26°。0°冠帶層采用錦綸簾線。帶束層安全倍數(shù)為8.5，符合設(shè)計要求。

4.3 胎體和胎側(cè)

胎體采用1層1440dtex/2 DSP聚酯簾布，壓延厚度為1.1 mm，壓延密度為80根·dm-1，胎體安全倍數(shù)為13.76，符合設(shè)計要求。

胎側(cè)由兩部分膠料組成，采用上下復(fù)合擠出工藝。

4.4 胎圈

鋼絲圈采用Φ1.5 mm高強度胎圈鋼絲，排列順序為5＋6＋5＋4，共20根，鋼絲圈直徑為517.1 mm，安全倍數(shù)為3.01，符合設(shè)計要求。

4.5 成型

采用二次法成型機成型，成型鼓直徑為543 mm。帶束貼合鼓周長為1 945 mm。胎體反包高度高于斷面水平軸，以增強胎側(cè)的強度和剛性，提高耐久性能。

4.6 硫化

采用AB型膠囊硫化機硫化，硫化條件為：外溫 174 ℃，壓力 0.8 MPa，硫化時間 15 min。硫化輪胎無外觀病疵，滿足要求。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測試。安裝在測量輪輞上的成品輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的D′為672 mm，B′為274 mm，符合法規(guī)和設(shè)計要求。

5.2 強度性能

按照GB/T 4502—2016《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》進行強度性能測試，試驗結(jié)果表明，輪胎的最小破壞能為301.6 J，符合法規(guī)和設(shè)計要求。

5.3 脫圈阻力

按照GB/T 4502—2016進行脫圈阻力性能試驗，試驗結(jié)果表明，輪胎的脫圈阻力為13 971 N，符合法規(guī)和設(shè)計要求。

5.4 耐久性能

按照GB/T 4502—2016進行耐久性試驗，充氣壓力 220 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 730 kg，速度 120 km·h-1，試驗負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的100%，110%，120%時分別行駛4，6和24 h，完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步驟后，每10 h負(fù)荷增大10%，試驗累計行駛時間為84 h，試驗結(jié)束時所加負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的150%，輪胎狀況為胎側(cè)裂口，結(jié)果符合設(shè)計目標(biāo)。

5.5 高速性能

按照GB/T 4502—2016進行高速性能測試，充氣壓力 220 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 730 kg，完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步驟后，每行駛10 min，速度提高10 km·h-1，試驗累計行駛時間為2 h，試驗結(jié)束時速度為210 km·h-1，外胎正常，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

5.6 室外性能

本設(shè)計輪胎室外濕地抓著力指數(shù)為1.36，滾動噪聲聲壓級為72 dB（A），雪地抓著指數(shù)為1.14，通過歐洲經(jīng)濟委員會（ECE） R117法規(guī)認(rèn)證。

6 結(jié)語

此款冬季轎車子午線輪胎在設(shè)計時嚴(yán)格參照ETRTO和ECE標(biāo)準(zhǔn)，采用獨特的花紋和施工設(shè)計，符合現(xiàn)有生產(chǎn)工藝要求。成品輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能、脫圈阻力、耐久性能和高速性能符合相應(yīng)的設(shè)計和國家標(biāo)準(zhǔn)要求。室外性能通過ECE R117法規(guī)認(rèn)證。輪胎已經(jīng)投放到歐盟市場，得到一致好評。