一種越野輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計

李海艷，陳健，郭志剛，秦怡如，黃丹丹

(山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300)

美國《輪胎商業(yè)》雜志于2020年9月4日公布“2020年度世界輪胎75強”排行榜。2018年世界輪胎行業(yè)銷售額為1686億美元左右，受同質(zhì)化等因素的影響，輪胎行業(yè)正經(jīng)歷百年未有之大變局，2019年全球輪胎的整體需求量降低，銷售下滑，銷售額整體下降。世界輪胎主要廠商的銷售下降趨勢比較明顯，世界75強中，有39家企業(yè)銷售下降，僅有28家企業(yè)呈現(xiàn)增長，其中有5家銷售下降幅度超過20%，只有4家企業(yè)增長超20%。米其林（法國）憑借銷售額250億美元，排行榜居首位，普利司通（日本）、固特異（美國）、德國大陸（德國）、住友橡膠（日本）等4家輪胎企業(yè)排名第二、三、四、五位。世界輪胎75強中排名第6～10位，分別為倍耐力（意大利）、韓泰輪胎（韓國）、優(yōu)科豪馬（日本）、正新橡膠（中國）、杭州中策（中國）。

伴隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，世界輪胎工業(yè)發(fā)展迅速。輪胎是汽車與地面直接接觸的唯一部件，在歐美等國家均屬于安全部件，直接與行車安全相關(guān)，越來越被私家車車主重視，如何給自己的愛車配備合適的輪胎越來越被人們重視。伴隨著私家車所有者群體的日趨年輕化，自駕游屬于年輕人鐘愛的項目，想要欣賞美麗的風(fēng)景就需要給自己的愛車精選品質(zhì)優(yōu)良的越野輪胎。

越野輪胎通常使用在山路、泥路等路面上，普遍具有以下優(yōu)點：越野胎的花紋設(shè)計，輪胎的胎面花紋需要有更多粗壯的紋路，提升輪胎在坑洼路面上的抓地力；同時提升越野性能。降低溝槽被堵塞的幾率，提升操控性能。

山東豐源輪胎制造股份有限公司作為輪胎制造商之一，為了進(jìn)一步細(xì)分市場，擴(kuò)大市場份額，同時滿足日益擴(kuò)大的自駕游客戶群體的不同需求，豐源輪胎憑借著自身不斷成長起來的科技實力，在潛心研究我國路面整體狀況并進(jìn)行多次反復(fù)測試驗證后，向市場推出了一款越野專用——MUD HUNTER花紋系列，產(chǎn)品進(jìn)入市場后，得到廣大經(jīng)銷商及駕乘者客戶的一致好評。

本文主要介紹了285/70R17121Q MUD HUNTE R規(guī)格輪胎的設(shè)計，具體如下。

1 外輪廓設(shè)計等方面的要求

外直徑、斷面寬等結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)要求：歐美標(biāo)準(zhǔn)方面，參照歐洲輪胎輪轂標(biāo)準(zhǔn)ETRTO 2012、美國輪胎輪輞協(xié)會工程設(shè)計手冊 (TRAEDI) 2012標(biāo)準(zhǔn)；國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面，參照GB/T 2978—2008轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷[1～2]。285/70R17123Q MUD HUNTER規(guī)格的輪胎技術(shù)參數(shù)最終確認(rèn)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞RIM 8.5J，輪胎的充氣外直徑取值（D′）835 mm，輪胎的充氣斷面寬（B′）292 mm，該規(guī)格輪胎的充氣標(biāo)準(zhǔn)壓力為550±10 kPa，輪胎的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷1450 kg，輪胎設(shè)計的速度級別為Q。

2 行駛面等結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的要求

2.1 外直徑（D） 斷面寬（B）

在越野輪胎的胎冠部位，為防止胎冠部位胎體的伸張，使用冠帶層周向箍緊胎體，因此輪胎的外直徑膨脹率（D′/D）設(shè)計的非常小，輪胎充氣外直徑無太大的變化，參考經(jīng)驗取值，本規(guī)格輪胎的D′設(shè)計值為835 mm，D設(shè)計值為834 mm，D′/D計算后的值約為1.0012。越野輪胎的胎體生產(chǎn)采用高模低縮的聚酯簾線，胎側(cè)的膠料柔軟且具有較小的膨脹，輪胎充氣后,斷面整體被90 低伸長高強度帶束層鋼絲的束縛，僅有較小的變化。該規(guī)格輪胎的斷面膨脹率：其中B′設(shè)計值為292 mm，B設(shè)計值為293 mm，因此B′/B的比值約為0.99658。

2.2 輪胎在行駛面寬度（b）和弧度高（h）方面的要求

根據(jù)越野輪胎產(chǎn)品實際使用的區(qū)間路段情況、設(shè)計的速度級別、載客情況產(chǎn)生的載荷等方面的使用特點，輪胎的行駛面寬度b取值較大時，可以提高輪胎成品整體的的驅(qū)動性能和承載性能；以往的設(shè)計經(jīng)驗告訴我們，弧度高h(yuǎn)的設(shè)計值與行駛面寬度b的設(shè)計值有關(guān)，b設(shè)計值較大時，相應(yīng)的h設(shè)計值也較大，反之當(dāng)b的設(shè)計值較小時，相應(yīng)的h設(shè)計值也較小。因此我們可以優(yōu)化調(diào)整b與h的取值，優(yōu)化輪胎接地面積形狀與大小，用以均衡胎冠接地壓力，提高輪胎的牽引性與耐磨性能[1～2]。在綜合考慮上述因素后，本規(guī)格輪胎的行駛面寬度b設(shè)計值為240 mm，弧度高h(yuǎn)的設(shè)計值為11.8 mm。

2.3 輪胎的胎圈著合直徑(d)和著合寬度(C)

設(shè)計時我們需要考慮胎圈與輪輞配合方面的需求，通常來講，輪胎的胎圈與輪輞之間的間隙越小對于整體的運行效果越好；但我們在考慮運行效果的同時也要考慮到4S店等客戶的裝卸難易程度，綜合考慮后，本規(guī)格輪胎的胎圈著合直徑d設(shè)計為430 mm；同時考慮到降低胎側(cè)剛性、彈性增大，改善輪胎的乘坐舒適性等方面的影響因素，輪胎的著合寬度C設(shè)計值為245 mm。

2.4 輪胎外輪廓的斷面水平軸位置（H1/H2）

通常來講，輪胎外輪廓的斷面水平軸位于整個輪胎斷面的最寬點，是該規(guī)格輪胎在充氣后法向變形最大的位置，同時也是半鋼子午線輪胎胎體薄弱的地方，因此輪胎外輪廓設(shè)計的斷面水平軸位置對輪胎的使用性能和使用壽命都有很大的影響，由于越野輪胎胎體簾線整體設(shè)計為徑向排列，故輪胎在胎圈、鋼絲圈這一位置的應(yīng)力比較大，所以我們可以通過上移斷面水平軸，來減小輪胎在下胎側(cè)區(qū)域的應(yīng)力和輪胎在胎圈部位的應(yīng)力。綜上考慮后本規(guī)格輪胎最后的斷面水平軸位置H1/H2的設(shè)計值約為0.8423。越野輪胎的斷面外輪廓詳見圖1。

圖1 越野輪胎斷面外輪廓示意圖

2.5 越野輪胎的胎面花紋設(shè)計

越野輪胎的胎面采用MUD HUNTER型輪胎花紋，該規(guī)格花紋的整體設(shè)計為變節(jié)距花紋，花紋設(shè)計包含花紋M型9節(jié)、花紋L型8節(jié)，花紋總計包含17個花紋節(jié)數(shù)。越野輪胎的胎面花紋整體為3道溝槽設(shè)計，花紋具備驅(qū)動性能好、散熱性能好、耐磨性能好、操控性能好等多種優(yōu)越性。 越野輪胎的胎肩部位膠料運用低生熱的膠料配方。本規(guī)格輪胎胎面花紋的設(shè)計深度為13.3 mm，整體花紋海陸比均衡，飽和度設(shè)計為66.26%。越野輪胎胎面的花紋樣式詳圖2。

圖2 越野輪胎胎面花紋

3 施工設(shè)計方面

3.1 擠出部件胎面和胎側(cè)的設(shè)計

根據(jù)越野輪胎使用的實際路況信息，越野輪胎的胎面在施工設(shè)計，胎面的面膠采用越野性、抓地性能好的膠料配方,底膠采用高緩沖膠料，很好的釋放來自胎面的應(yīng)力。越野輪胎的胎側(cè)采用常用的雙復(fù)合結(jié)構(gòu)，為胎側(cè)膠和耐磨膠相搭配的結(jié)構(gòu)。胎面和胎側(cè)半部件的生產(chǎn)，均使用桂林院生產(chǎn)的三復(fù)合擠出機(jī)，該設(shè)備具備精度高、膠部件擠出尺寸穩(wěn)定等特點。

3.2 輪胎的胎體部件設(shè)計

越野輪胎的胎體骨架材料使用市場上廣泛使用的高模低縮聚酯簾線，胎體為3層設(shè)計，1#胎體寬度850 mm，2#胎體寬度630 mm，3#胎體寬度580 mm,胎體簾布設(shè)計的壓延密度為105，胎體設(shè)計的安全倍數(shù)為9.1。簾線的滲膠性能好，輪胎在硫化后胎體整體的變形率低，因此越野輪胎硫化后的成品輪胎，輪胎在子口部位的變形率低，不容易出現(xiàn)并子口的現(xiàn)象，成品輪胎胎圈部位的支撐能力好，有利于直營店輪胎的裝卸操作，二、三級輪胎經(jīng)銷商及駕乘者的滿意度均較高。

3.3 輪胎的帶束層部件設(shè)計

越野輪胎胎面下的帶束體系采用2層帶束層加1層尼龍冠帶層的結(jié)構(gòu)，設(shè)計符合越野胎系列產(chǎn)品。當(dāng)輪胎在冰雪路面行駛時，冠帶層中的帶束體系可以很好的箍緊胎體，以減少輪胎胎面部位的周向變形，輪胎整體尺寸的穩(wěn)定性得到保持，同時在輪胎的濕滑、操縱性等方面有著正向的引導(dǎo)。冠帶層為保護(hù)層，使用尼龍66簾線，為單根15 mm,帶張力纏繞而成，有較強的箍緊性能和抗撞擊性能，能夠防止胎面與帶束層之間發(fā)生脫空，可以起到很好的保護(hù)作用，同時又可以緩沖輪胎胎面受到的沖擊力，較好的保護(hù)冠帶層，提高成品輪胎的使用壽命，在輪胎的翻新次數(shù)提升方面有正向作用。輪胎的1#和2#帶束層骨架材料，均采用3×0.30HT高滲透性鋼絲簾線。

3.4 輪胎的鋼絲圈部件設(shè)計

越野輪胎的鋼絲圈部位，采用的胎圈鋼絲的直徑為1.295 mm，鋼絲為鍍鋅銅回火高強度的特點，胎圈鋼絲經(jīng)過胎圈生產(chǎn)設(shè)備覆膠，并成型為胎圈，單根胎圈鋼絲覆膠后的直徑為1.60 mm，膠料的黏合性能好，不易散頭，與三角膠能很好的黏合，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。越野輪胎鋼絲圈部位設(shè)計的安全倍數(shù)為9.3。

3.5 輪胎的成型工藝參數(shù)設(shè)計

越野輪胎的胎胚成型使用的設(shè)備為薩馳二次法成型機(jī)，成型方式TOS。該設(shè)備的機(jī)頭的直徑設(shè)計為460 mm，機(jī)頭寬度540 mm，胎胚成型時的預(yù)定型寬度為520 mm。薩馳二次法成型機(jī)在工藝參數(shù)設(shè)定后穩(wěn)定良好，設(shè)備程序及機(jī)械定位精度高，胎胚成型后各部位的半部件貼合密實，保證了終產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3.6 輪胎的硫化參數(shù)設(shè)計

越野輪胎的胎胚采用的是氮氣硫化工藝，硫化一次定型時的氮氣壓力設(shè)計為（0.06±0.01 MPa，二次定型時的氮氣壓力設(shè)計為（0.10±0.01） MPa，高壓蒸汽壓力設(shè)計為（1.5～1.7）MPa，高壓氮氣壓力設(shè)計為（2.1～2.3）MPa，胎胚全過程的氮氣硫化時間設(shè)計為21.8 min，胎胚在硫化過程中的溫度設(shè)計為178 ℃。與傳統(tǒng)循環(huán)過熱水硫化工藝相比本規(guī)格輪胎采用的氮氣硫化工藝可節(jié)約80%左右的蒸汽，具有顯著的節(jié)能效果，屬于綠色工藝[1～2]。

4 成品輪胎的性能

4.1 成品輪胎的外緣尺寸

越野輪胎產(chǎn)品，依據(jù)國標(biāo)GB/T 521—2012將待測試輪胎，安裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞上，在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下測試成品輪胎外緣尺寸。測試得到的輪胎的D′和B′分別為835 mm和292 mm，測試結(jié)果符合設(shè)計要求。

4.2 成品輪胎的強度性能

越野輪胎產(chǎn)品強度性能測試，依據(jù)Q/B QP 01-2017《轎車子午線輪胎強度試驗方法》，測試輪胎的充氣壓力為180 kPa，測試的數(shù)據(jù)為，破壞能測試的第1～第4點，都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，破壞能第五點測試值為599.5J，超過標(biāo)準(zhǔn)值，折算為標(biāo)準(zhǔn)值的203%。成品輪胎強度性能測試達(dá)到研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 成品輪胎的耐久性能

越野輪胎產(chǎn)品的耐久性能，測試依據(jù)G/B NP 01—2017《轎車子午線輪胎耐久性能試驗方法》，測試輪胎的充氣壓力為180 kPa，測試的結(jié)果如表1所示。通過表1的數(shù)據(jù)我們可以看出，在耐久性能測試中，輪胎累計行駛時間為44 h后停止試驗，試驗結(jié)束時，測試輪胎目測仍未產(chǎn)生損壞，成品輪胎耐久性能測試時間，超過研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成品輪胎耐久性能試驗結(jié)果

4.4 成品輪胎的高速性能

越野輪胎產(chǎn)品的高速性能，檢測依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/B GP 04-2017《轎車子午線輪胎高速性能試驗方法》，測試輪胎的充氣壓力為260 kPa。試驗結(jié)果如表2所示，輪胎在高速性能測試中，累計行駛1 h30 min后停止試驗，試驗結(jié)束時，測試輪胎目測仍未產(chǎn)生損壞，高速性能測試時間，超過研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 成品輪胎高速性能試驗結(jié)果

5 結(jié)論

綜上所述，285/70R17123Q MUD HUNTER規(guī)格半鋼子午線越野輪胎，經(jīng)過檢測驗證，其充氣后的外緣尺寸、壓穿強度性能、高速性能和耐久性能均達(dá)到研發(fā)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)要求，高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。我公司的越野輪胎MUD HUNTER系列產(chǎn)品在投產(chǎn)進(jìn)入市場以后，受眾的廣大朋友，在使用后的反饋優(yōu)于以往產(chǎn)品，得到客戶的認(rèn)可與好評，在提升公司的知名度的同時，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。