235/35ZR19超低斷面轎車子午線輪胎的設(shè)計(jì)

秦艷分，張 典，程 龍，楊 哲

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著人民生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)輪胎性能的要求日益提高，特別是對(duì)輪胎的節(jié)油性能、操控性能和安全性能等都有了更高的要求，高性能輪胎越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞[1-4]。為滿足客戶的需求，我公司在進(jìn)行廣泛的市場(chǎng)調(diào)研后，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了235/35ZR19超低斷面轎車子午線輪胎。

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ETRTO 2019確定235/35ZR19超低斷面轎車子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為:標(biāo)準(zhǔn)輪輞 8.5J，充氣外直徑（D′） 647（642.1～651.9） mm，充氣斷面寬（B′） 241（231.4～250.6） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 290 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 615 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輪廓設(shè)計(jì)

輪廓對(duì)輪胎性能起到重要作用，輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)的選取會(huì)影響到成品輪胎的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性能、滾動(dòng)阻力和乘坐舒適性等[5]。

在該產(chǎn)品的輪廓設(shè)計(jì)中，采用有限元分析方法對(duì)3種輪廓設(shè)計(jì)方案進(jìn)行靜負(fù)荷分析，以確定最佳設(shè)計(jì)方案。圖1為方案A，B，C的輪廓對(duì)比，3個(gè)方案的輪胎外直徑（D）和斷面寬（B）相同。

圖1 3個(gè)設(shè)計(jì)方案的輪廓對(duì)比

從圖1可以看出:方案A與B的差別主要在胎肩部位；方案B與C的差別主要在胎側(cè)和胎圈部位；方案A與C的差別主要在胎肩、胎側(cè)和胎圈部位。

對(duì)各方案輪胎在充氣壓力為290 kPa、負(fù)荷為615 kg下進(jìn)行仿真分析，模擬輪胎裝配、充氣和加載過(guò)程。

2.1.1 D′和B′

3個(gè)方案輪胎的D′仿真值均為645.6 mm，方案A和B輪胎的B′仿真值為244.2 mm，方案C輪胎的B′仿真值為246.0 mm。

根據(jù)技術(shù)要求可知，3種方案輪胎的D′符合標(biāo)準(zhǔn)要求，方案A和B輪胎的B′比方案C輪胎更接近標(biāo)準(zhǔn)值。

2.1.2 胎肩部位橡膠材料的剪應(yīng)力

剪應(yīng)力能夠反映橡膠層與層之間的剪切破壞，其值越小越好。胎肩部位橡膠材料的剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。

圖2 胎肩部位橡膠材料的剪應(yīng)力分布

由圖2可見(jiàn)，方案A，B，C輪胎的胎肩部位橡膠材料的最大剪應(yīng)力分別為0.637 4，0.635 9和0.716 2 MPa。因此，從剪應(yīng)力分析，方案B最佳、方案A次之、方案C最差。

2.1.3 胎肩部位橡膠材料的應(yīng)力

胎肩部位橡膠材料的應(yīng)力分布如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，方案A，B，C胎肩部位橡膠材料的最大應(yīng)力分別為3.821 2，2.935 5和3.094 4 MPa。因此，從胎肩部位應(yīng)力分析，方案B最佳、方案C次之、方案A最差。

圖3 胎肩部位橡膠材料的應(yīng)力分布

2.1.4 胎圈部位橡膠材料的應(yīng)力

胎圈部位橡膠材料的應(yīng)力分布如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，方案A，B，C輪胎的胎圈部位橡膠材料的最大應(yīng)力分別為2.649 0，2.416 3和2.406 1 MPa。因此，從胎圈部位應(yīng)力來(lái)看，方案C最好、方案B次之、方案A最差。

圖4 胎圈部位橡膠材料的應(yīng)力分布

2.1.5 徑向剛度

方案A，B，C輪胎的徑向剛度分析結(jié)果分別為309.21，321.37和322.61 kN·m-1，由此可見(jiàn)，方案C徑向剛度最大，承載能力最強(qiáng)，方案B次之，方案A最差。

2.1.6 接地壓力分布

輪胎接地壓力分布如圖5所示。

從圖5可以看出，方案A輪胎的接地印痕形狀和壓力分布都明顯比方案B和C輪胎差，方案B與C輪胎的印痕形狀相似，但方案B輪胎的接地面積比方案C輪胎大，平均接地壓力比方案C輪胎小，因此方案B輪胎的接地壓力分布相對(duì)較優(yōu)。

圖5 輪胎接地壓力分布

綜合上述分析可知，方案A輪胎的胎肩和胎圈部位應(yīng)力最大，徑向剛度最小，接地壓力分布最差，首先排除方案A。方案B輪胎的優(yōu)勢(shì)比方案C輪胎更多，且方案C輪胎的胎肩部位剪應(yīng)力和B′偏大，因此，方案B為最佳方案。

選用方案B的輪廓進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，其輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)為:D 643 mm，B 247 mm，行駛面寬度215 mm，行駛面弧度高 8.2 mm，胎圈著合直徑486.6 mm，胎圈著合寬度 228 mm，斷面水平軸位置（H1/H2） 0.955。

2.2 花紋設(shè)計(jì)

花紋設(shè)計(jì)與輪胎的噪聲、滾動(dòng)阻力和濕地抓著力等均有密切關(guān)系，本次設(shè)計(jì)采用SA-37花紋，花紋溝深度為8 mm，花紋周節(jié)數(shù)為35（左側(cè)）和32（右側(cè)）。該花紋采用4條縱溝以保證排水性能，封閉式溝槽以減小胎面空氣橫向流動(dòng)，降低噪聲；左右獨(dú)特的多維花紋和封閉式胎肩可降低輪胎噪聲；內(nèi)外不對(duì)稱花紋設(shè)計(jì)，內(nèi)側(cè)細(xì)花紋溝能有效劃破水膜，增大橡膠與地面的接觸面積，外側(cè)巨大胎肩花紋條設(shè)計(jì)可有效減少花紋塊之間的蠕動(dòng)，從而提升操控的精準(zhǔn)性。

胎面花紋三維效果如圖6所示。

圖6 胎面花紋三維效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面膠采用高白炭黑用量配合硅烷偶聯(lián)劑，高白炭黑用量胎面膠能有效劃破水膜，提升輪胎抗?jié)窕阅?，配合偶?lián)劑能有效降低輪胎生熱和滾動(dòng)阻力。

3.2 帶束層和胎體

根據(jù)輪胎的材料分布圖設(shè)計(jì)計(jì)算出輪胎各個(gè)部件長(zhǎng)度、寬度等胎坯成型參數(shù)。

根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算，確定鋼絲帶束層、胎體簾布層和鋼絲圈的設(shè)計(jì)參數(shù)。2層帶束層均采用2＋4×0.22HT鋼絲簾線，裁斷角度為26°；胎體采用2層1100dtex/2DSP聚酯簾布；鋼絲圈選用直徑為1.3 mm的胎圈鋼絲，排列方式為4×6，鋼絲圈直徑為492.6 mm。

3.3 成型和硫化

采用一次法成型機(jī)成型，B型液壓雙模定型硫化機(jī)硫化。

4 成品性能

成品輪胎的充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)量，壓穿強(qiáng)度、脫圈阻力、高速性能、耐久性能和低氣壓耐久性能按照GB/T 4502—2016《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，滾動(dòng)阻力按照ECE R117—2016《關(guān)于輪胎滾動(dòng)噪聲、濕路面抓地力認(rèn)證和滾動(dòng)阻力的統(tǒng)一規(guī)定》進(jìn)行測(cè)試。輪胎外緣尺寸、壓穿強(qiáng)度和脫圈阻力的測(cè)試條件:充氣壓力 220 kPa，溫度 30 ℃。

4.1 外緣尺寸

D′和B′的測(cè)量值分別為648和241 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 壓穿強(qiáng)度

輪胎壓穿強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求不小于617.4 J或者未壓穿觸及輪輞，測(cè)試結(jié)果為未壓穿觸及輪輞，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 脫圈阻力

輪胎脫圈阻力標(biāo)準(zhǔn)要求不小于11 120 N，研發(fā)要求不小于11 342 N，測(cè)試值為12 556 N，符合標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)要求。

4.4 高速性能

測(cè)試條件:充氣壓力 360 kPa，負(fù)荷 418.2 kg，溫度 38 ℃，初始試驗(yàn)速度 260 km·h-1。高速性能標(biāo)準(zhǔn)要求行駛時(shí)間不短于60 min，研發(fā)要求不短于75 min，測(cè)試結(jié)果為120 min，符合標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)要求。

4.5 耐久性能

測(cè)試條件:充氣壓力 220 kPa，速度 120 km·h-1，溫度 38 ℃，輪胎耐久性能標(biāo)準(zhǔn)要求行駛時(shí)間不短于34 h，研發(fā)要求不短于80 h，測(cè)試結(jié)果為120 h。輪胎耐久性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)要求。

4.6 低氣壓耐久性能

測(cè)試條件:充氣壓力 160 kPa，速度 120 km·h-1，溫度 38 ℃。輪胎低氣壓耐久性能標(biāo)準(zhǔn)要求行駛時(shí)間不短于35.5 h，研發(fā)要求不短于60 h，測(cè)試結(jié)果為100 h，輪胎低氣壓耐久性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)要求。

4.7 滾動(dòng)阻力

測(cè)試條件:充氣壓力 250 kPa，負(fù)荷 4.822 kN，速度 80 km·h-1，溫度 25 ℃。輪胎滾動(dòng)阻力標(biāo)準(zhǔn)要求滾動(dòng)阻力系數(shù)不大于10.5 N·kN-1，測(cè)試值為8.45 N·kN-1，滾動(dòng)阻力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

本次研發(fā)的235/35ZR19超低斷面轎車子午線輪胎為高性能轎車輪胎，利用有限元分析方法對(duì)其輪廓進(jìn)行優(yōu)化，成品輪胎的充氣外緣尺寸、壓穿強(qiáng)度、脫圈阻力、高速性能、耐久性能、低氣壓耐久性能和滾動(dòng)阻力均符合標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)要求。該產(chǎn)品投放于歐盟市場(chǎng)，滿足了顧客需求，深受用戶好評(píng)。