王海艷，吳祥鑫，姜洪旭，車明明，張飛陽(yáng)

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300）

轎車備胎按尺寸一般可分為全尺寸備胎和非全尺寸備胎。其中非全尺寸備胎規(guī)格前面加T（Temporary的簡(jiǎn)稱），故稱為T型備胎，為臨時(shí)使用或者應(yīng)急使用的輪胎。T型備胎的寬度和質(zhì)量小于正常輪胎，使用T型備胎可以降低油耗，節(jié)省車內(nèi)空間，同時(shí)具有成本低、更換相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

T型備胎主要用于整車配套市場(chǎng)，零售市場(chǎng)很難買到，我公司在精準(zhǔn)感受到消費(fèi)者的需求下開發(fā)該系列產(chǎn)品。伴隨汽車市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)以及客戶的生活水平提高，開發(fā)該產(chǎn)品除了滿足常規(guī)性能要求外，重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)、氣味性和耐磨性能等。

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》中關(guān)于臨時(shí)使用T型備胎的要求，確定T155/85R18備胎的技術(shù)參數(shù)為：測(cè)量輪輞4T×18，充氣外直徑（D′） 721（716～726） mm，充氣斷面寬（B′） 152（147～157） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 420 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷指數(shù) 115，負(fù)荷能力1 120 kg，速度級(jí)別 M[3-4]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

主胎因?yàn)橛袔鴮雍凸趲邮`，充氣后外直徑一般增大2～3 mm，而T型備胎因?yàn)檩p量化需求，冠部設(shè)計(jì)較薄，85及以上系列充氣后外直徑變化會(huì)在主胎基礎(chǔ)上再相應(yīng)增大2～3 mm。本次輪胎設(shè)計(jì)D′目標(biāo)值為721 mm，根據(jù)現(xiàn)有工藝和以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)D為716 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.007。

輪胎B設(shè)計(jì)會(huì)隨著合寬度每增大12.7 mm而增大5 mm。本產(chǎn)品B′為152 mm，考慮胎體材料、帶束層材料及角度、斷面高寬比及輪廓尺寸等的影響，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次T型備胎B設(shè)計(jì)為157 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）為0.968。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h決定T型備胎接地寬度和冠部形狀，決定輪胎的操縱性和耐磨性能。一般b/B′取值為0.68～0.88，為了兼顧成本、性能與輕量化，通過(guò)多輪有限元仿真分析，結(jié)合接地印痕形狀和壓力分布曲線，本次設(shè)計(jì)b取值為116 mm，b/B′為0.763，h為9.98 mm。

市場(chǎng)上窄斷面寬和高扁平比的規(guī)格一般采用一段弧設(shè)計(jì)，尤其是輕型載重輪胎，但是根據(jù)新的輪廓設(shè)計(jì)理念，為了更好地控制接地印痕形狀，采用兩段弧及以上設(shè)計(jì)[5]。因?yàn)樵撘?guī)格是我公司首款備胎產(chǎn)品，在節(jié)省能耗和節(jié)約成本的前提下，不采用冠帶層，分別采用一段弧和兩段弧設(shè)計(jì)，用有限元仿真分析手段進(jìn)行性能對(duì)比優(yōu)化。技術(shù)方案見表1，不同負(fù)荷下的接地印痕形狀見圖1（充氣壓力為420 kPa），509和570 kg分別為車輛空載和滿載時(shí)輪胎的負(fù)荷，911 kg為輪胎最大負(fù)荷的75%。

表1 胎冠弧樣式及接地印痕尺寸 mm

圖1 方案1—3輪胎不同負(fù)荷下的接地印痕

由表1和圖1可見，相對(duì)于一段弧設(shè)計(jì)接地印痕形狀中間窄兩頭寬，兩段弧設(shè)計(jì)的接地印痕形狀接近橢圓形，且比較圓整。考慮到SUV車操縱性占主導(dǎo)，兩段弧輪廓設(shè)計(jì)不僅滿足輪胎的承載能力，同時(shí)可兼顧操縱能力，因此決定采用兩段弧設(shè)計(jì)。

調(diào)整兩段弧的半徑，通過(guò)有限元仿真分析，確定更適宜的設(shè)計(jì)參數(shù)。技術(shù)方案見表2，各方案不同負(fù)荷下的接地印痕如圖2所示。

表2 輪廓半徑調(diào)整

圖2 方案A—E輪胎不同負(fù)荷下的接地印痕

由圖2可見：在509和570 kg負(fù)荷下方案C和D輪胎的接地印痕偏圓；而在911 kg負(fù)荷下方案A和E輪胎的肩部壓力過(guò)大。綜合比較，方案B接地壓力分布更為均勻，接地印痕形狀偏矩形，最終輪廓半徑調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)采用方案B。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

為了使輪胎與輪輞更好地配合，d的取值不可以大于輪輞名義直徑，否則會(huì)出現(xiàn)漏氣等質(zhì)量問(wèn)題。同樣，d的取值也不能小于輪輞名義直徑很多，否則會(huì)因過(guò)盈量過(guò)大而產(chǎn)生輪胎裝卸難的問(wèn)題。結(jié)合我公司生產(chǎn)工藝和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，d略小于輪輞名義直徑（0.9 mm），取461.1 mm。

根據(jù)產(chǎn)品斷面寬設(shè)計(jì)增大5 mm，著合寬度采用增大0.5英寸（12.7 mm）設(shè)計(jì)（原為4T，增大12.7 mm），即取114.3 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

根據(jù)力學(xué)分析和有限元仿真分析驗(yàn)證，斷面水平軸的位置作為輪胎斷面最寬的位置，是輪胎負(fù)荷下法向變形最大部位，水平軸向哪個(gè)方向移動(dòng)，哪個(gè)方向的受力增大。輪胎冠部因未采用冠帶條設(shè)計(jì)，為減小胎側(cè)和胎肩部位受力變形，本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.85。輪胎斷面輪廓如圖3所示。

圖3 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

T型備胎因?yàn)樾旭偯姹容^窄，無(wú)法向主胎那樣有3—4條縱溝。為平衡輕量化和保證輪胎耐磨等實(shí)車性能。為保證操縱性能和行駛安全性，本產(chǎn)品采用2條縱溝為主與橫溝相結(jié)合的混合花紋設(shè)計(jì)。采用我公司自主研發(fā)的花紋噪聲分析軟件《TP3輪胎趾紋性能預(yù)報(bào)平臺(tái)》進(jìn)行節(jié)距優(yōu)化，花紋噪聲初始能量幅值由1 290.75優(yōu)化到571.28，確定花紋節(jié)距排列方式，降低花紋噪聲。同樣為保證輪胎的抓著力，花紋飽和度設(shè)計(jì)為76.49%。胎面花紋展開如圖4所示。

圖4 胎面花紋展開示意

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

在控制好炭黑分散性情況下，炭黑比表面積對(duì)胎面磨耗影響成正向關(guān)系，當(dāng)然如果分散控制不好，則成反向關(guān)系。因此，在考慮節(jié)約成本及保證輪胎其他性能，同時(shí)結(jié)合密煉設(shè)備和工藝，胎面膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑采用高耐磨炭黑，比例由75%提升到94%，以提升胎面的耐磨性能[6]。胎面膠物理性能指數(shù)對(duì)比如圖5所示。

圖5 胎面膠物理性能指數(shù)對(duì)比

從圖5可以看出，高耐磨膠料的耐磨性能優(yōu)于普通膠料，其他物理性能相近。

氣味性改善主要針對(duì)氣味來(lái)源，重點(diǎn)在膠料的生膠和助劑等方面，合成橡膠中的氣味來(lái)源主要是1，3-丁二烯單體及其低聚體，天然橡膠中的氣味來(lái)源主要是異戊二烯單體及其低聚體，促進(jìn)劑中的氣味來(lái)源主要是多環(huán)芳烴、苯、甲苯、二甲苯，苯胺都會(huì)因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中的高溫而揮發(fā)，影響測(cè)試效果。改善辦法為控制胎面膠和胎側(cè)膠中揮發(fā)物的含量，在控制成本前提下盡量使用低氣味原料，同時(shí)增加遮味劑。

3.2 胎體

為平衡輪胎性能與輕量化，根據(jù)公司現(xiàn)有產(chǎn)品使用簾線種類和安全倍數(shù)計(jì)算，選擇單層高強(qiáng)度聚酯簾線1440dtex/2（28EPI），高反包設(shè)計(jì)。

3.3 帶束層

根據(jù)客戶對(duì)T型備胎的要求及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，冠部采用兩層帶束層和無(wú)冠帶條纏繞設(shè)計(jì)。

3.4 胎圈

胎圈選擇直徑為1.3 mm的胎圈鋼絲，排列方式為4-5-4-3，六邊形結(jié)構(gòu)，底面較寬，使輪胎與輪輞配合更加穩(wěn)固。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸和質(zhì)量

輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》測(cè)量，將輪胎安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上充氣測(cè)量，測(cè)得D′為720 mm，B′為153 mm，接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中值，滿足內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。

輪胎質(zhì)量要求為（7.730±0.232） kg。抽檢10條輪胎，在電子秤上測(cè)量，質(zhì)量范圍為7.620～7.740 kg，平均質(zhì)量為7.679 kg，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4502—2016進(jìn)行輪胎強(qiáng)度性能測(cè)試，充氣壓力為360 kPa，壓頭直徑為19 mm，以（50±2.5） mm·min-1的速率加載，直至輪胎冠部被壓穿，要求其最小破壞能達(dá)到295 J。測(cè)試結(jié)果顯示，輪胎破壞能為449.1 J（為標(biāo)準(zhǔn)值的152.2%），滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 脫圈阻力

按照GB/T 4502—2016進(jìn)行輪胎脫圈阻力測(cè)試，充氣壓力為360 kPa，選取A型壓塊，脫圈壓塊水平距離為290 mm，脫圈壓塊以（50±2.5）mm·min-1的速率向胎側(cè)外表面逐漸遞增施加作用力。結(jié)果顯示，輪胎脫圈阻力為13 132 N（為標(biāo)準(zhǔn)值的118.1%），滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 高速性能

先按照GB/T 4502—2016進(jìn)行輪胎高速性能測(cè)試，充氣壓力為420 kPa，負(fù)荷為972 kg，初始速度為90 km·h-1。完成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定程序后，每行駛10 min試驗(yàn)速度增大10 km·h-1，直至輪胎損壞為止。成品輪胎最高行駛速度為210 km·h-1，累計(jì)行駛時(shí)間為157 min，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎胎圈起鼓，成品輪胎高速性能良好，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 耐久性能

按照GB/T 4502—2016進(jìn)行輪胎耐久性試驗(yàn)，充氣壓力為360 kPa，試驗(yàn)速度為80 km·h-1，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定程序行駛34 h后，檢驗(yàn)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，輪胎外觀正常，再繼續(xù)按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，每4 h負(fù)荷增大10%，直至輪胎損壞為止。輪胎耐久性試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間為57.3 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)出現(xiàn)胎圈裂口，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.6 氣密性

按照ASTM F1112進(jìn)行輪胎氣密性測(cè)試，將輪胎安裝在指定輪輞上（根據(jù)配套客戶要求），充氣壓力為420 kPa，將兩套輪胎輪輞組合體放置在溫度為（21±3） ℃的環(huán)境室中90 d，系統(tǒng)每隔一段時(shí)間自動(dòng)采集充氣壓力數(shù)值。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)以下公式計(jì)算修正后的充氣壓力（P）：

式中，P1為實(shí)時(shí)測(cè)量充氣壓力，B1為測(cè)量大氣壓力，T1為測(cè)量溫度，T2為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度，B2為參考大氣壓力（101.3 kPa），P0為試驗(yàn)初始充氣壓力，β為每天固定時(shí)間間隔下測(cè)定的漏氣率，t為時(shí)間。兩條備胎的β分別為0.055 05%和0.057 68%，計(jì)算每個(gè)月漏氣率為3 000β，故兩條輪胎每月漏氣率分別為1.65%和1.73%。充氣壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖6。

圖6 輪胎充氣壓力隨時(shí)間的變化曲線

4.7 氣味

根據(jù)主機(jī)廠的測(cè)試要求，在輪胎上取胎面和胎側(cè)樣品，在70 ℃高低溫交變濕熱實(shí)驗(yàn)箱中放置一段時(shí)間，取出后由7位具備主機(jī)廠認(rèn)可資質(zhì)的測(cè)試人員進(jìn)行氣味評(píng)測(cè)。最終采用低氣味膠料的樣品測(cè)試結(jié)果為5級(jí)，滿足主機(jī)廠的要求。

4.8 耐磨性能

選擇主機(jī)廠認(rèn)可的第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行輪胎實(shí)際耐磨性能測(cè)試。具備測(cè)試路線和專業(yè)司機(jī)，測(cè)試道路為高速公路、城市道路和砂石路面（高速路/鄉(xiāng)鎮(zhèn)路路線長(zhǎng)度比例為1∶3，每天運(yùn)行500 km），速度不超過(guò)80 km·h-1，測(cè)試車型為SUV-吉利博越，測(cè)試輪胎安裝在右前輪。負(fù)荷為滿載：2 113 kg[前軸1 136 kg（554 kg/582 kg），后軸977 kg（494 kg/483 kg）]，充力壓力為420 kPa。行駛3 000 km時(shí)，花紋溝深度大于1.6 mm，測(cè)量位置如圖7所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)磨耗里程和剩余花紋溝深度，通過(guò)線性回歸處理方式計(jì)算得出輪胎磨耗里程為13 425 km（預(yù)測(cè)磨耗里程以數(shù)值最小為基準(zhǔn)）。

圖7 測(cè)量位置示意

表3 輪胎耐磨性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)開發(fā)的T155/85R18 T型備胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、脫圈阻力、高速性能和耐久性能均符合相應(yīng)設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)國(guó)家強(qiáng)制性檢驗(yàn)，獲得了相關(guān)市場(chǎng)準(zhǔn)入證書。同時(shí)輪胎的氣密性、氣味和耐磨性能達(dá)到主機(jī)廠要求。該產(chǎn)品作為我公司T型備胎首款產(chǎn)品，開發(fā)后可以有效節(jié)省其他規(guī)格備胎的開發(fā)周期和成本，增加我公司配套項(xiàng)目的機(jī)會(huì)。