配套205/55R16輪胎的設計和開發(fā)

李 昊，鄧世濤，王 琰，都 娟

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和市場對汽車性能要求的逐步提高，汽車企業(yè)對于配套輪胎性能的要求越來越高，在早期的負荷能力和磨耗能力等基本性能基礎上，增加了低滾動阻力、高舒適性能和操控性能等匹配性能的要求。汽車與輪胎匹配性能研究已成為汽車和輪胎企業(yè)的新課題。

相對于傳統(tǒng)的輪胎設計，汽車配套輪胎的設計理念是在保證輪胎高速、耐久等常規(guī)項目的基礎上增加了輪胎動力學的研究。輪胎動態(tài)力學性能不僅取決于輪胎本身，更取決于輪胎與汽車的匹配[1]。本工作以配套205/55R16輪胎的開發(fā)為例，探討輪廓設計、花紋設計、配方設計和施工設計對汽車與輪胎匹配性能的影響。

1 配套輪胎開發(fā)技術指標

開發(fā)車型為一款運動型轎車，對標輪胎為國際知名品牌205/55R16輪胎產(chǎn)品。

輪胎室內臺架項目及要求為：外直徑 632（626～638） mm，斷面寬 214（208～220） mm，高速性能試驗通過速度 ≥240 km·h-1，耐久性能試驗累計行駛時間 ≥35.5 h，強度性能試驗最小破壞能 ≥295 J，脫圈阻力 ≥11 120 N，滾動阻力系數(shù) 不大于對標輪胎水平，電阻 ≤109Ω，氣密性（月泄漏率） ≤2.5%。

輪胎室外實車項目及要求為：舒適性 達到對標輪胎水平，干濕地操控性能 達到對標輪胎水平，干濕地制動性能 達到對標輪胎水平，通過噪聲 ≤71 dB，胎側撞擊試驗 ≤40 km·h-1時胎側未爆破，磨耗性能（行駛里程） ≥6萬km。

2 產(chǎn)品設計和測試技術規(guī)范

根據(jù)項目需求，列出產(chǎn)品設計和測試技術規(guī)范如表1所示。

表1 產(chǎn)品設計和測試技術規(guī)范

3 輪胎設計開發(fā)

3.1 配方設計

由于在汽車配套輪胎開發(fā)中對于輪胎的滾動阻力、電阻和氣密性能提出了更高的要求，因此胎面膠配方需要采用獨特設計思路。胎面膠作為輪胎與地面接觸的唯一部件，其性能要求主要是低滾動阻力、耐磨性能、抗撕裂性能和抗?jié)窕阅艿取８鶕?jù)有限元仿真分析數(shù)據(jù)，胎面膠對于輪胎的滾動阻力貢獻率超過30%，如圖1所示。

圖1 輪胎膠部件的滾動阻力占比

胎面膠配方的設計要點是滿足其性能要求，保證滾動阻力、磨耗、濕地抓著力“魔鬼三角”的平衡。結合對標輪胎胎面膠的成分分析結果（膠型 天然橡膠/順丁橡膠/丁苯橡膠，并用比40/30/30，溶劑抽出物 14.91% ，含膠率47.61%，炭黑質量分數(shù) 0.031 4，灰分質量分數(shù)0.364 9，白炭黑質量分數(shù) 0.327 4，硫質量分數(shù)0.013 6），制定了新一代溶聚丁苯橡膠、高含量白炭黑和少量炭黑的胎面膠配方，可以在輪胎滾動阻力下降15%的情況下保證抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅?。少量炭黑成分使輪胎電阻小?×107Ω。

輪胎的氣密性對輪胎的性能也起著至關重要的作用，增加內襯層膠料的鹵化丁基橡膠的含量，保證了輪胎氣密性能達到要求（月泄漏率≤2.5%）。

3.2 輪廓設計

輪廓設計對輪胎整體性能起到關鍵性作用，其設計參數(shù)的選取直接影響到硫化后輪胎的外緣尺寸、滾動阻力、操控性能、耐磨性能等。因獨特的性能要求，配套輪胎的輪廓設計和普通輪胎的輪廓設計存在很大的差異，下面從外輪廓和內輪廓兩方面進行闡述。

3.2.1 外輪廓設計

外輪廓設計主要參數(shù)包括外直徑、斷面寬、胎圈著合直徑和著合寬度、斷面水平軸位置、行駛面寬度、行駛面高度、胎冠弧和胎側弧等。其中外直徑和斷面寬必須滿足國家標準要求，因此其設計參數(shù)取值變化不大，但其他設計參數(shù)對于輪胎的滾動阻力、操控性能、壓力分布、耐磨性能影響較大，優(yōu)化外輪廓結構對乘用輪胎的品質保證有關鍵性意義。

在該產(chǎn)品外輪廓設計中，通過使用有限元力學仿真技術分析不同設計方案輪胎的壓力分布方式，確定胎冠和胎側弧線的優(yōu)化設計方案。圖2示出了2種胎冠和胎側弧線設計方案。

圖2 胎冠弧和胎側弧設計方案示意

對方案1和2輪胎在充氣壓力為240 kPa，負荷為50%，75%和100%標準負荷3種條件下的壓力分布進行仿真分析，結果如表2所示。

表2 方案1和2輪胎在不同負荷率下的有限元仿真結果

從表2可以得出以下結論。

（1）在50%標準負荷下，2個方案輪胎的印痕長度、寬度和面積基本沒有差別，但方案2輪胎的FSF和最大壓力值有所降低。

（2）在75%和100%標準負荷下，2個方案輪胎的印痕長度基本沒有差別，但方案2輪胎的印痕寬度、面積和FSF有所增大，最大壓力值降低。

（3）在3種不同的負荷下，方案2輪胎的FSF范圍為1.16～1.23，而方案1輪胎的FSF范圍在1.06～1.26，說明方案2輪胎的印痕形狀較方案1輪胎穩(wěn)定，隨著負荷的變化，其形狀變化率較小，保證了輪胎性能的穩(wěn)定性；同時方案2輪胎的最大壓力值為0.46～0.48 MPa，遠遠小于方案1輪胎的0.53～0.71 MPa，方案2輪胎的耐磨性能提升。

圖3和4分別示出了方案1和2輪胎在不同負荷率下的壓力分布情況。從圖3可以看出，方案1輪胎在75%和100%高負荷率下，胎肩受力較大，胎冠中間受力較小，類似壓力分布會導致輪胎的胎肩異常磨損，同時影響到輪胎轉向響應和制動性能等實車性能。

圖3 方案1輪胎在不同負荷率下的壓力分布示意

通過以上分析可知，方案2輪胎的曲線設計優(yōu)于方案1輪胎，因此該產(chǎn)品輪廓設計采用方案2。

3.2.2 內輪廓設計

輪胎的內輪廓設計要點在于胎肩部位的胎體簾線形狀，在完成胎體簾線的曲線輪廓形狀優(yōu)化之后，根據(jù)材料厚度向內外延伸，分別確定了內襯層的曲線形狀和帶束層位置。對于205/55R16輪胎的內輪廓設計，通過使用有限元力學仿真，分析不同設計方案下的壓力分布方式，確定最優(yōu)胎肩部位的胎體簾線設計方案。

圖5示出了2種胎肩部位的胎體簾線設計方案。

圖5 胎肩部位的胎體簾線設計示意

對方案1和2輪胎在充氣壓力為240 kPa、負荷為50%，75%和100%標準負荷3種條件下的壓力分布進行仿真分析，結果如表3所示。從表3可以看出，方案1和2輪胎的接地印痕參數(shù)基本一致，但方案2輪胎的FSF范圍為1.17～1.21，優(yōu)于方案1輪胎的1.16～1.23，說明方案2輪胎的壓力分布形狀更穩(wěn)定，輪胎整體性能更好。因此，使用方案2曲線作為本產(chǎn)品設計的內輪廓曲線。

表3 不同負荷率下輪胎接地印痕有限元仿真結果

3.3 花紋設計

花紋影響到輪胎的排水、抓地力、噪聲等重要性能。因此花紋設計成為輪胎設計的重要一環(huán)。鑒于本次配套對標輪胎為非對稱花紋，因此205/55R16輪胎產(chǎn)品也采用非對稱花紋設計思路。胎面花紋展開如圖6所示。

圖6 胎面花紋示意

該花紋設計特點為：外側較大花紋塊設計及內側多花紋溝設計，提高了輪胎的操控性能和轉彎性能；橫向花紋溝采用窄淺溝槽的設計，提高了花紋的耐磨性能，降低了花紋噪聲；封閉的胎肩花紋溝設計，有效降低了輪胎噪聲；采用不等節(jié)距排列優(yōu)化設計，通過平衡花紋塊的剛性降低了花紋塊對路面的撞擊振動，避免噪聲峰值，降低了花紋噪聲。

3.4 施工設計

根據(jù)輪胎的內輪廓設計計算出輪胎各個膠部件長度、寬度等以及胎坯成型參數(shù)。

通過強度計算，確定鋼絲帶束層、胎體簾線和鋼絲圈的結構及設計參數(shù)。

鋼絲圈采用六角形的鋼絲圈設計形式，直徑和胎圈曲線形式相匹配，在保證強度的基礎上提升裝配性能。

使用低溫硫化技術降低輪胎滾動阻力，同時采用硫化后充氣定型技術，保證輪胎的尺寸穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品的動平衡均勻性水平。

3.5 測試驗證

3.5.1 試驗方案

首先對對標輪胎進行側偏力學特性、滾動阻力、剛度、斷面等全面測試剖析，同時根據(jù)輪胎施工參數(shù)對輪胎力學特性的影響制定以下4個方案。

方案A：采用單層1440dtex聚酯簾布、高胎體簾布反包高度，帶束層采用3×0.3HT鋼絲簾布，三角膠高度為35 mm，胎面膠采用低滾動阻力K1配方。

方案B：采用雙層1440dtex聚酯簾布、一高一低胎體簾布反包高度，帶束層采用3×0.3HT鋼絲簾布，三角膠高度為35 mm，胎面膠采用低滾動阻力K1配方。

方案C：采用雙層1440dtex聚酯簾布、雙高胎體簾布反包高度，帶束層采用3×0.3HT鋼絲簾布，三角膠高度為35 mm，胎面膠采用低滾動阻力K1配方。

方案D：采用單層1440dtex聚酯簾布、高胎體簾布反包高度，帶束層采用3×0.3HT鋼絲簾布，三角膠高度為35 mm，胎面膠采用低滾動阻力K2配方。

3.5.2 室內臺架測試

表4示出了方案A—D輪胎以及對標輪胎室內臺架測試結果。

從表4可知，通過比較4個方案輪胎和對標輪胎室內臺架性能測試結果發(fā)現(xiàn)，各設計方案輪胎的外緣尺寸與對標輪胎相當，滾動阻力水平基本一致，4個方案輪胎的電阻性能優(yōu)于對標輪胎。

表4 不同方案輪胎室內臺架測試結果

抽取方案A和C輪胎進行安全性能項目測試，結果見表5。

表5 方案A和C輪胎的安全性能項目測試結果

從表5可以看出，方案A和C輪胎的高速性能、耐久性能、強度性能、脫圈阻力和月漏氣率均達到設計目標。

輪胎側偏特性采用美國MTS動態(tài)六分力試驗機測試。側向力與側偏角的關系如圖7所示。回正力矩與側偏角的關系如圖8所示。側向力與外傾角的關系如圖9所示。

圖7 側向力-側偏角關系曲線

圖8 回正力矩-側偏角關系曲線

圖9 側向力-外傾角關系曲線

從圖7可知，方案A—D輪胎大側偏角時提供的側向力都大于對標輪胎。其中，方案A和D輪胎與對標輪胎相差不大，方案B和C輪胎與對標輪胎相差很大。據(jù)此可知，理論上4個方案輪胎的操控性能和抓地性能應該均優(yōu)于對標輪胎。

從圖8可知，方案A—D輪胎的最大回正力矩均稍大于對標輪胎，理論上4個方案輪胎的轉向性能應該均優(yōu)于對標輪胎。

從圖9可知：方案D輪胎側向力與外傾角的曲線趨勢和對標輪胎基本一致，其他3個方案輪胎相差較大；在相同外傾角的情況下，只有方案D輪胎能夠提供與對標輪胎相近的側向力，其他方案輪胎的側向力都較小，理論分析4個方案中只有方案D輪胎的極限抓地力達到對標輪胎水平，其他方案輪胎的極限抓地力都低于對標輪胎。

輪胎的徑向剛度測試沒有選擇傳統(tǒng)的測試方法，而是選用在高速均勻性試驗機上進行測試。在轉鼓上增加一個寬25 mm、高10 mm且與輪胎行駛方向呈90°的障礙條，輪胎在220 kPa氣壓下低速通過障礙條（見圖10），搜集徑向力的數(shù)據(jù)，來表征輪胎徑向剛度的大?。桓鶕?jù)測試結果的大小來表征輪胎的沖擊舒適性。各方案輪胎的徑向力測試結果如圖11所示。

圖10 障礙條示意

圖11 不同方案輪胎徑向力測試曲線

從圖11可知，在沖擊障礙條時，方案C輪胎的徑向力最大，其次是方案B輪胎、對標輪胎、方案A輪胎和方案D輪胎。根據(jù)測試結果預判，方案A和D輪胎的沖擊舒適性要好一些。

3.5.3 室外實車測試

3.5.3.1 實車主觀評價測試

由專業(yè)車手對4個方案樣胎和對標輪胎進行實車主觀評價測試，結果見表6。

從表6可知，方案D輪胎的實車性能，如舒適性、干濕地操控穩(wěn)定性和干濕地制動距離都達到了對標輪胎的整體水平。

表6 不同方案輪胎實車性能測試結果

3.5.3.2 胎側強度撞擊測試

選取方案C和D輪胎各2條進行胎側撞擊試驗，試驗結果見表7。

表7 方案C和D輪胎胎側強度撞擊測試結果

從表7可以看出，雙層簾布胎體的方案C輪胎胎側強度要優(yōu)于單層簾布胎體方案D輪胎，但方案D輪胎也能達到配套項目性能要求。

3.5.3.3 輪胎磨耗測試

輪胎磨耗測試包括高速公路、一般城市公路和山路等路況，各個路況占比不同，總行駛里程為3萬km，每5 000 km測量1次花紋深度，為保證每條輪胎的測試條件盡可能相同，每1萬km更換四輪位置。根據(jù)磨耗比推算輪胎的最終行駛里程。選擇4條方案D輪胎進行磨耗測試結果如表8所示。

表8 方案D輪胎道路磨耗測試結果

從表8可以看出，4條方案D輪胎的行駛里程都達到9萬km以上，滿足配套項目開發(fā)要求。

3.5.4 測試總結

通過不同設計方案輪胎的室內臺架和室外實車性能測試，可以得出以下結論。

（1）雙層簾布胎體的輪胎滾動阻力比單層簾布胎體輪胎大，側偏剛度和胎側強度高于單層簾布胎體輪胎。

（2）盡管方案D輪胎的側偏剛度小于方案B和C輪胎，但其實車匹配性能優(yōu)于方案B和C輪胎，說明輪胎的剛性越大操控性能不一定越好，輪胎剛性和車輛底盤懸架剛性的匹配度更加重要。

（3）胎體簾布、帶束層等施工設計參數(shù)的優(yōu)化能夠進一步提升輪胎的實車匹配性能。

（4）在汽車與輪胎匹配性能開發(fā)中，輪胎的室內臺架性能試驗結果在一定程度上有助于判斷室外實車匹配性能，但具體關聯(lián)性還需要進一步研究和驗證。

4 結語

汽車配套輪胎在滾動阻力、舒適性能、操控性能方面都提出更高的要求，因此對于配套輪胎的開發(fā)，進行對標輪胎的剖析至關重要，根據(jù)對標輪胎特性有針對性地進行輪廓設計、配方設計、花紋設計和施工設計，同時借鑒有限元仿真分析平臺優(yōu)化設計參數(shù)。室內力學特性臺架測試手段與室外實車主觀評價測試為汽車與輪胎匹配性能的驗證提供了更廣泛更可靠的試驗依據(jù)，大大縮短了配套產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了設計效率。