245/45R18 96H FRD78非對稱雪地輪胎的設(shè)計

李海艷，吳洪陽，王宗環(huán)，王樹舉

(1.山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300;2.山東八億輪胎制造有限公司，山東 薛城 277800)

0 前言

輪胎通過輪輞被裝配到整車上，用以執(zhí)行整車的制動、轉(zhuǎn)向等指令，同時需要承載整車及其駕乘者的的重量，其重要性毋庸置疑，由于輪胎的異常、突發(fā)等損壞會對駕乘者的生命安全造成影響，因此國際汽車工作組IATF機(jī)構(gòu)將輪胎列入安全部件的行列。IATF由世界上主要的汽車制造商及協(xié)會成立，稱為國際汽車工作組（International Automotive Task Force，簡稱IATF)，該機(jī)構(gòu)包含，通用、寶馬、克萊斯勒、戴姆勒、標(biāo)致、菲亞特、福特、雷諾和大眾9家整車廠；以及英國汽車制造與貿(mào)易商協(xié)會（SMMT），美國國際汽車監(jiān)督局（IAOB），意大利汽車制造商協(xié)會（ANFIA），法國車輛設(shè)備工業(yè)聯(lián)盟（FIEV）和德國汽車工業(yè)協(xié)會-質(zhì)量管理中心（VDAQMC）5個國家的監(jiān)督機(jī)構(gòu)。

豐源輪胎通過綜合分析冰雪路面、路況的具體數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行有限元仿真分析，花紋噪聲分析、云數(shù)據(jù)處理等多方面的前期調(diào)研，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計、配方設(shè)計、花紋設(shè)計、施工設(shè)計及成品性能驗證后研發(fā)出一款FRD78花紋輪胎，該系輪胎可滿足私家車所有者群體冬季自駕游、欣賞美麗的雪景的需求。

其花紋提點(diǎn)如下：胎面花紋有更多細(xì)小的紋路，用以提升輪胎在冰雪路面上的抓地力，濕抓能力強(qiáng)；提升排水能力，用以應(yīng)對雨水及潮濕路況，提升操控性能的同時保證安全性能。

本文以245/45R18 96H 規(guī)格FRD78花紋輪胎為例，進(jìn)行設(shè)計探討如下：

1 參照標(biāo)準(zhǔn)及外輪廓參數(shù)

參照標(biāo)準(zhǔn)：輪轂標(biāo)準(zhǔn)歐洲ETRTO 2015、輪輞工程手冊美國TRAEDI 2015、中國輪胎輪輞氣門嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒2019、GB/T2978—2008[1～3]。245/45R18 96H規(guī)格參數(shù)設(shè)計為：標(biāo)準(zhǔn)RIM 8.0J輪輞，充氣狀態(tài)下的外直徑（D′）和斷面寬（B′）分別設(shè)計為664 mm和254 mm；設(shè)計速度級別H、充氣壓力300±10 kPa、負(fù)荷710 kg。

2 外輪廓——行駛面

2.1 外直徑（D）和 斷面寬（B）

胎體的伸張主要受胎冠相應(yīng)部件材料的制約，非對稱花紋雪地輪胎使用包含帶束層、冠帶條在內(nèi)的冠帶層周向箍緊胎體，外直徑膨脹率（D′/D）較小，充氣外直徑無明顯的變化，D′和D分別設(shè)計為664 mm、663 mm，D′/D≈1.0015；胎體使用的聚酯簾線為高模低縮材料，胎側(cè)的獨(dú)特配方保證了其柔韌性和耐屈撓性能，膨脹小；輪胎充氣后,因其子午線輪胎90設(shè)計，高強(qiáng)度帶束層鋼絲可完美約束胎體，變化?。灰虼薆′和B設(shè)計值為253 mm、254 mm，B′/B≈0.996 1。

2.2 行駛面寬（b）和弧高（h）

通過綜合分析冰雪等路面、路況的具體數(shù)據(jù)，非對稱花紋雪地輪胎設(shè)計時如果行駛面寬度b取值較大，則整體的驅(qū)動性能和承載性能可以提高；一般來講，行駛面寬度b與弧度高h(yuǎn)有正向比值關(guān)系，b值變小，h值也相應(yīng)的減小。通過優(yōu)化調(diào)整b與h的取值，可以調(diào)節(jié)非對稱花紋雪地輪胎的接地面積形狀與大小，優(yōu)化胎冠接地壓力，非對稱花紋雪地輪胎的牽引性與耐磨性相應(yīng)的提高。綜合上所述，非對稱花紋雪地輪胎的行駛面寬度b和弧度高h(yuǎn)分別設(shè)計為210 mm、6.9 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C ）

駕乘者的滿意度往往體現(xiàn)在細(xì)微處，為了方便裝胎，設(shè)計者需要考慮胎圈與輪輞的配合，理論上大家都希望胎圈與輪輞間隙越小越好，這樣能帶來更優(yōu)越的驅(qū)動性能；但是服務(wù)客戶的4S店往往希望裝卸方便，通盤思量后，非對稱花紋雪地輪胎胎圈著合直徑d、著合寬度C分別設(shè)計為456 mm、224 mm，這樣在降低胎側(cè)剛性的同時非對稱花紋雪地輪胎駕乘的舒適性也得到了保障，也保證了裝配性能。

2.4 斷面水平軸（H1/H2）

從輪廓圖上看，非對稱花紋雪地輪胎的斷面水平軸位于整個斷面的最寬處，是整個側(cè)部胎體最薄弱的地方，在充氣后是法向變形最大的位置，如果要保證非對稱花紋雪地輪胎的使用性能和壽命需要通盤考慮斷面水平軸位置，子午線輪胎的胎體簾線為90°徑向排列，子午線輪胎的應(yīng)力主要集中在胎圈、鋼絲圈這兩處，如果想來減小胎側(cè)區(qū)域、胎圈部位的應(yīng)力，可以考慮上移斷面水平軸。245/45R18 96H規(guī)格輪斷面水平軸位置H1/H2≈0.999 7。非對稱花紋雪地輪胎245/45R18 96H外輪廓詳見圖1。

圖1 非對稱花紋雪地輪胎斷面外輪廓示意圖

2.5 花紋節(jié)距及花型

FRD78花紋，為變節(jié)距花紋設(shè)計，整體包括長型花紋Q和h，短型花紋Y，分別為10節(jié)、8節(jié)、10節(jié)，花紋總計包含28節(jié)?；y行駛面設(shè)計了4道溝槽，獨(dú)特的花紋搭配胎肩部位的低生熱配方使輪胎兼具優(yōu)異的驅(qū)動性、散熱性、耐磨性和操控性。FRD78花紋花紋深度8.6 mm，飽和度68.86%，整體花紋海陸比均衡。專為冰雪路面特點(diǎn)設(shè)計的花紋樣圖如圖2所示。

圖2 非對稱花紋雪地輪胎胎面花紋示意圖

3 胎面及胎側(cè)等施工設(shè)計

3.1 擠出部件胎面和胎側(cè)的設(shè)計

根據(jù)非對稱花紋雪地輪胎匹配車輛行駛的實(shí)際路況信息，施工設(shè)計時，胎面部件采用全分層方案。胎面膠使用先進(jìn)的SSM低溫一步法煉膠工藝，提升混煉膠分散效果[1]該方案中，胎面部件與路面直接接觸的面膠的配方兼具濕地抓著性能優(yōu)和剛性好的特點(diǎn),體現(xiàn)為車輛的行駛安全性和操控性能好,胎面的基部膠使用高緩沖膠料，可以很好的釋放車輛行駛過程中接受到胎面?zhèn)鲗?dǎo)過來的各種應(yīng)力。胎面半部件生產(chǎn)使用的四復(fù)合擠出生產(chǎn)線為“Φ120上/Φ200/Φ150/Φ120下”復(fù)合擠出機(jī)組，其生產(chǎn)廠家為“德國特勒斯特”，該設(shè)備具備溫控準(zhǔn)、精度高，擠出部件尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。

非對稱花紋雪地輪胎的胎側(cè)設(shè)計為雙復(fù)合結(jié)構(gòu)，是胎側(cè)膠和胎圈護(hù)膠復(fù)合相搭配的結(jié)構(gòu),使用三復(fù)合擠出線為Φ120/Φ200/Φ150復(fù)合擠出機(jī)組，胎側(cè)膠和胎圈護(hù)膠分別使用Φ200/Φ150螺桿擠出，然后經(jīng)過專用的流道、預(yù)口型配合到相應(yīng)的口型板，最后擠出為合格的胎側(cè)半部件[2]，胎側(cè)半部件生產(chǎn)使用三復(fù)合擠出機(jī)的生產(chǎn)廠家“化工部桂林橡膠工業(yè)設(shè)計研究院”，該設(shè)備具備精度高，膠部件擠出尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。

3.2 輪胎的胎體部件設(shè)計

非對稱花紋雪地輪胎的骨架材料胎體,使用市面上應(yīng)用廣泛的高模低縮聚酯簾線，胎體部件為單層設(shè)計，胎體簾布壓延生產(chǎn)使用的是意大利進(jìn)口科美利奧公司生產(chǎn)的兩用壓延生產(chǎn)線，胎體為2層設(shè)計，1#胎體寬度530 mm，2#胎體寬度430 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。胎體簾布的滲膠性能好，經(jīng)過硫化定型后，胎體整體的變形率較低，因此成品的非對稱花紋雪地輪胎胎圈部位的變形率低、支撐性能好，不容易出現(xiàn)并子口的現(xiàn)象，公司主打的直營店在為客戶更換輪胎的過程中發(fā)現(xiàn)裝卸操作更佳順暢，在二、三級輪胎經(jīng)銷商調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)顧客的滿意度也得到提高。

3.3 輪胎的帶束層部件設(shè)計

非對稱花紋雪地輪胎胎面下的冠帶層體系設(shè)計為2層帶束層+1層尼龍結(jié)構(gòu)，可保證其高速、耐久性能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。1#和2#帶束層均采用3×0.30HT高滲透性鋼絲，鋼絲經(jīng)過意大利進(jìn)口科美利奧公司生產(chǎn)的兩用壓延生產(chǎn)線兩側(cè)覆膠后，壓延成鋼絲簾布，后裁斷為帶束層部件；當(dāng)非對稱花紋雪地輪胎行駛時，冠帶層中的帶束體系可以很好的箍緊胎體，避免輪胎胎面的周向形變，尺寸穩(wěn)定性好，同時正向引導(dǎo)輪胎的濕滑、操縱性能。冠帶材料為尼龍66簾線壓延而成，裁斷后單根寬度15 mm,成型的過程中需要帶張力纏繞到副鼓上，可有效的發(fā)揮其箍緊、抗撞擊等性能，胎面與帶束層脫空的病象得到遏制，同時合理過度胎面到胎體的剛度，有效緩沖其沖擊力，保護(hù)冠帶層，成品輪胎的使用壽命提高，在提升翻新次數(shù)方面，起到正向作用。

3.4 輪胎的鋼絲圈部件設(shè)計

非對稱花紋雪地輪胎使用的大業(yè)胎圈鋼絲直徑為1.295 mm，覆膠后直徑為1.60 mm，胎圈鋼絲回火高強(qiáng)度（鍍鋅銅），膠料的粘合性能好，不易散頭，排列形式為4-5-6-5-4，安全倍數(shù)設(shè)計為9.2。胎圈鋼絲覆膠后纏繞后與三角膠良好黏合，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。

3.5 輪胎的成型工藝參數(shù)設(shè)計

非對稱花紋雪地輪胎成型過程使用的是一次法工藝，設(shè)備廠家荷蘭VMI，荷蘭VMI一次法成型機(jī)程序及機(jī)械定位精度高，胎胚成型過程中各半部件貼合密實(shí)，質(zhì)量的穩(wěn)定性有保證；成型參數(shù)設(shè)計如下：成型方式TOS,成型鼓直徑及平寬分別為430 mm、405 mm，預(yù)定型寬度設(shè)計為365 mm。

3.6 輪胎的硫化參數(shù)設(shè)計

非對稱花紋雪地輪胎的硫化工藝是氮?dú)饬蚧c傳統(tǒng)過熱水循環(huán)硫化工藝相比可節(jié)約79%左右的蒸汽消耗，節(jié)能效果顯著，綠色環(huán)保。硫化過程中側(cè)板設(shè)定溫度178 ℃，一次定型氮?dú)鈮毫?、二次定型時的氮?dú)鈮毫Ψ謩e為0.06±0.01 MPa、0.07±0.01 MPa，進(jìn)高壓蒸汽的壓力1.5～1.7 MPa，進(jìn)高壓氮?dú)鈮毫?.1～2.3 MPa，非對稱花紋雪地輪胎硫化時間744 s。

4 非對稱花紋雪地輪胎的安全性能

4.1 非對稱花紋雪地輪胎的外緣尺寸

非對稱花紋雪地輪胎產(chǎn)品，測試依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 521—2012，首先將非對稱花紋雪地輪胎安裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞，充氣至標(biāo)準(zhǔn)氣壓，然后下測量其外緣尺寸，數(shù)據(jù)顯示非對稱花紋雪地輪胎的D′為664 mm、數(shù)據(jù)顯示非對稱花紋雪地輪胎的B′為254 mm，結(jié)果均達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 非對稱花紋雪地輪胎的強(qiáng)度性能

非對稱花紋雪地輪胎產(chǎn)品強(qiáng)度性能測試，依據(jù)Q/B QP 02—2018《強(qiáng)度試驗方法——轎車子午線輪胎》，測試過程中輪胎充氣壓力為180 kPa，測試前需靜止停放3 h以上，產(chǎn)品測試后數(shù)據(jù)顯示，第1～第4點(diǎn)破壞能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，第五點(diǎn)破壞能數(shù)值為591.3 J，是標(biāo)準(zhǔn)值的2倍；非對稱花紋雪地輪胎強(qiáng)度性能達(dá)到研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 非對稱花紋雪地輪胎的耐久性能

測試依據(jù)Q/B NP 02-2018 《耐久性能試驗方法——轎車子午線輪胎》，待測試輪胎的充氣壓力為180 kPa，測試條件及步續(xù)如表1所示。

表1 非對稱花紋雪地輪胎耐久性能測試

從表1可以看出，非對稱花紋雪地輪胎累計行駛 80 h后，胎肩部位發(fā)生損壞，停止試驗，成品輪胎耐久性能達(dá)到設(shè)計要求，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 非對稱花紋雪地輪胎的高速性能

非對稱花紋雪地輪胎產(chǎn)品的高速性能，檢測依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/B GP 05—2018《高速性能試驗方法——轎車子午線輪胎》，待測試輪胎的充氣壓力為280 kPa 。

從表2可以看出，非對稱花紋雪地輪胎累計行駛118 min后，胎肩部位發(fā)生損壞，停止試驗，輪胎高速性能達(dá)到設(shè)計要求，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 非對稱花紋雪地輪胎高速性能測試

5 結(jié)論

綜上所述，245/45R18 96H 規(guī)格半鋼子午線非對稱花紋雪地輪胎，經(jīng)過檢測驗證，其充氣后的外緣尺寸、壓穿強(qiáng)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。FRD78系列輪胎產(chǎn)品在投產(chǎn)進(jìn)入市場以后，受眾的廣大司機(jī)朋友，在使用后一直反饋，優(yōu)于以往產(chǎn)品。