一種越野輪胎橡膠制品的設(shè)計(jì)

孫 稷 楊洪彬 劉偉 潘存孝 李家志 李海艷

山東豐源輪胎制造股份有限公司 （山東棗莊 277300）

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，屬于安全部件，直接與行車安全相關(guān)。因此，給自己的愛車配備合適的輪胎越來越被人們重視。當(dāng)前，私家車所有者日趨年輕化，而自駕游又是年輕人鐘愛的項(xiàng)目，因此品質(zhì)優(yōu)良的越野輪胎需求量越來越大。

越野輪胎通常使用在山路、泥路等路面上，胎面大多有粗壯的紋路：提升輪胎在坑洼路面上的抓地力，同時(shí)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，為了進(jìn)一步細(xì)分市場，擴(kuò)大市場份額，同時(shí)滿足日益擴(kuò)大的自駕游客戶群體的不同需求，憑借不斷成長的科技實(shí)力，在潛心研究我國路面整體狀況并進(jìn)行反復(fù)測試驗(yàn)證后，推出了越野專用MUD HUNTER 系列輪胎。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。本研究主要介紹了285/70R17 118Q MUD HUNTER 規(guī)格輪胎的設(shè)計(jì)。

1 外輪廓設(shè)計(jì)

外直徑、斷面寬等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求：歐美標(biāo)準(zhǔn)方面，參照《歐洲輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)手冊（ETRTO）2012》、《美國輪胎輪輞協(xié)會工程設(shè)計(jì)手冊（TRAEDI）2012》；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》[1-4]。

285/70R17 121Q MUD HUNTER 規(guī)格輪胎的技術(shù)參數(shù)最終確認(rèn)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞RIM8.5J，充氣外直徑（D′）取值832 mm、充氣斷面寬（B′）290 mm，充氣標(biāo)準(zhǔn)壓力為（500±10）kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷為1 400 kg，設(shè)計(jì)速度級別為Q。

2 行駛面設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

在越野輪胎的胎冠部位，為防止胎體的伸張，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(jì)值非常小，輪胎充氣后外直徑無太大的變化。參考經(jīng)驗(yàn)取值，該規(guī)格輪胎的D′設(shè)計(jì)值為832 mm，D設(shè)計(jì)值為831 mm，D′/D的值為1.001 2。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率，輪胎充氣后，斷面整體被90°低伸長高強(qiáng)度帶束層鋼絲束縛，變化較小。該規(guī)格輪胎的斷面膨脹率：B′設(shè)計(jì)值為290 mm，B設(shè)計(jì)值為291 mm，因此B′/B的比值約為0.996 6。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

根據(jù)實(shí)際使用區(qū)間路段情況、設(shè)計(jì)速度級別、載客時(shí)產(chǎn)生的載荷等，輪胎的行駛面寬度b取值較大時(shí)，可以提高輪胎成品整體的驅(qū)動性能和承載性能?；《雀遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)值與b的設(shè)計(jì)值有關(guān)。b設(shè)計(jì)值較大時(shí)，h設(shè)計(jì)值也較大，反之，h的設(shè)計(jì)值較小。因此可以通過調(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[1-3]。綜合考慮上述因素后，該規(guī)格輪胎的行駛面寬度b取241 mm，弧度高h(yuǎn)取11.8 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮胎圈與輪輞配合方面的需求。通常，胎圈與輪輞之間的間隙越小，整體運(yùn)行效果越好；但在考慮運(yùn)行效果的同時(shí)也要考慮客戶的裝卸難易程度。綜合考慮后，該規(guī)格輪胎的胎圈著合直徑d取430 mm；考慮到胎側(cè)剛性降低后彈性增大，改善乘坐舒適性等，輪胎的著合寬度C取245 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎外輪廓斷面水平軸位于輪胎斷面的最寬處，是該規(guī)格輪胎充氣后法向變形最大的位置，也是半鋼子午線輪胎胎體薄弱點(diǎn)，因此外輪廓設(shè)計(jì)的斷面水平軸位置對輪胎的使用性能和使用壽命有很大影響。由于越野輪胎胎體簾線整體設(shè)計(jì)為徑向排列，因此胎圈、鋼絲圈處的應(yīng)力比較大?？梢酝ㄟ^上移斷面水平軸來減小輪胎下胎側(cè)區(qū)域和胎圈部位的應(yīng)力。綜上考慮，該規(guī)格輪胎最后的斷面水平軸位置H1/H2的設(shè)計(jì)值約為0.840 3。輪胎斷面外輪廓詳見圖1。

圖1 越野輪胎斷面外輪廓示意圖

2.5 胎面花紋

胎面采用MUD HUNTER 型輪胎花紋。該規(guī)格花紋為變節(jié)距花紋，包含M型9 節(jié)、L 型8 節(jié)。胎面花紋整體為3 道溝槽設(shè)計(jì)，驅(qū)動、散熱、耐磨和操控等性能均較好。胎肩部位膠料使用低生熱的膠料配方。胎面花紋設(shè)計(jì)深度為13.5 mm，整體花紋海陸比均衡，飽和度為66.26%。具體如圖2 所示。

圖2 越野輪胎胎面花紋

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面和胎側(cè)

根據(jù)實(shí)際路況信息，輪胎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，很好地釋放來自胎面的應(yīng)力。胎側(cè)采用雙復(fù)合結(jié)構(gòu)（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)均使用三復(fù)合擠出機(jī)，該設(shè)備具有精度高、膠部件擠出尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。

3.2 胎體部件設(shè)計(jì)

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(jì)，1#胎體寬850 mm，2#胎體寬630 mm，3#胎體寬580 mm。胎體簾布的壓延密度為105，胎體安全倍數(shù)為9.1。簾線的滲膠性能好，硫化后胎體的整體變形率低。因此，成品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；胎圈部位的支撐能力好，利于裝卸。

3.3 帶束層部件

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(jì)符合越野胎系列產(chǎn)品要求。當(dāng)輪胎在冰雪路面行駛時(shí)，冠帶層中的帶束體系可以很好地箍緊胎體，以減少胎面部位的周向變形，使輪胎整體尺寸的穩(wěn)定性得到保持，同時(shí)在輪胎的濕滑、操縱性等方面起到正向引導(dǎo)作用。冠帶層為保護(hù)層，使用尼龍66 簾線（單根15 mm）帶張力纏繞而成，有較強(qiáng)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，起到很好的保護(hù)作用，又可以緩沖胎面受到的沖擊力，較好地保護(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 鋼絲圈參數(shù)

胎圈鋼絲為直徑1.295 mm 的鍍鋅銅鋼絲，回火溫度高、強(qiáng)度大。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，與三角膠能很好地黏合，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。鋼絲圈部位的設(shè)計(jì)安全倍數(shù)為9.3。

3.5 成型工藝參數(shù)

胎胚成型使用二次法成型機(jī)（薩馳集團(tuán)），成型方式為冠蓋側(cè)（TOS）。該設(shè)備機(jī)頭直徑為460 mm、寬度為540 mm，胎胚成型時(shí)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)定性良好，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(shí)，保證了終產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3.6 硫化參數(shù)

胎胚采用氮?dú)饬蚧に嚒Ｒ淮味ㄐ偷獨(dú)鈮毫椋?.06±0.01）MPa，二次定型氮?dú)鈮毫椋?.10±0.01）MPa，高壓蒸汽壓力為1.5～1.7 MPa，高壓氮?dú)鈮毫?.1～2.3 MPa；全過程硫化時(shí)間為21.8 min，溫度為178 ℃。與傳統(tǒng)循環(huán)過熱水硫化工藝相比，氮?dú)饬蚧晒?jié)約80%左右的蒸汽，節(jié)能效果顯著[5-10]。

4 成品輪胎的性能

4.1 輪胎的外緣尺寸

依據(jù)國標(biāo)GB/T 521—2012 測試輪胎產(chǎn)品，測試準(zhǔn)備：（1）充氣前，在18～36 ℃下停放3 h 以上；（2）安裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞上；（3）輪胎充氣至規(guī)定的壓力后，在18～36 ℃下停放24 h 以上；（4）測量前對停放后的輪胎進(jìn)行氣壓測定，調(diào)整至規(guī)定氣壓，停放15 min后立即對充氣壓力進(jìn)行確認(rèn)并進(jìn)行測量。

測試方法：（1）用金屬卷尺沿胎冠中心線或靠近中心線最高處繞輪胎一周，測量外周長。（2）選取沒有標(biāo)志、裝飾線和防擦線的胎側(cè)部位，用游標(biāo)卡尺或卡鉗，在輪胎圓周約四等分處測量4 點(diǎn)的斷面寬度（見圖3），取整數(shù)。若不能避免測量時(shí)包括標(biāo)志、裝飾線和防擦線，應(yīng)將測量值減去由此增加的寬度。（3）在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下測試輪胎外緣尺寸。輪胎的D′和B′分別為835 和292 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 輪胎尺寸測量示意圖

4.2 輪胎的強(qiáng)度性能

產(chǎn)品強(qiáng)度性能測試依據(jù)Q/B QP 01—2017《轎車子午線輪胎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。測試準(zhǔn)備：（1）將輪胎安裝在試驗(yàn)輪輞上，充氣至規(guī)定的壓力；（2）輪胎輪輞組合體在18～36 ℃下停放3 h 以上；（3）沿輪胎外周長確定5 個(gè)大致等間距分布的試驗(yàn)點(diǎn)，逐一做標(biāo)記、編號。測試方法：（1）將校正氣壓后的輪胎輪輞組合體固定在強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上，逐一進(jìn)行試驗(yàn)；（2）壓頭（19 mm+0.5 mm，半球形）應(yīng)垂直于胎面，壓在盡可能靠近胎面圓周中心線的花紋塊上，并避免壓入花紋溝中；（3）壓頭以50 mm/min+2.5 mm/min 的速率向輪胎胎冠遞增地施加作用力（F），至胎冠被壓穿或達(dá)到規(guī)定的最小破壞能值，然后轉(zhuǎn)入下一個(gè)點(diǎn)，試驗(yàn)前校正氣壓；（4）第1 點(diǎn)、第2 點(diǎn)、第3 點(diǎn)、第4 點(diǎn)按照規(guī)定測量，第5 點(diǎn)要求壓頭施加作用力至輪胎胎冠被壓穿或者壓頭因觸及輪輞無法繼續(xù)移動為止；（5）測量并記錄壓頭在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)停止移動瞬間的作用力（D）和壓入深度（行程p）；（6）凡因觸及輪輞壓頭無法繼續(xù)移動而輪胎尚未被刺字，該試驗(yàn)點(diǎn)視為通過試驗(yàn)，并在試驗(yàn)報(bào)告中注明“觸及輪輞未穿”；（7）用式(1)計(jì)算出各試驗(yàn)點(diǎn)的破壞能（H0），同時(shí)在試驗(yàn)報(bào)告中注明各試驗(yàn)點(diǎn)“未穿”或“已穿”。

式中：W為破壞能，J；F為作用力，N；p為行程，mm。

測試輪胎的充氣壓力為180 kPa；破壞能測試的第1～第4 點(diǎn)，都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，第5 點(diǎn)破壞能為599.5 J，超過標(biāo)準(zhǔn)值，折算為標(biāo)準(zhǔn)值的203%。成品輪胎強(qiáng)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)Q/B NP 01—2017《轎車子午線輪胎耐久性能試驗(yàn)方法》，測試輪胎的充氣壓力為180 kPa，結(jié)果如表1 所示。由表1 可以看出，在耐久性能測試中，輪胎累計(jì)行駛44 h 后停止試驗(yàn)，目測未產(chǎn)生損壞。成品輪胎耐久性能測試時(shí)間符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成品輪胎耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

4.4 成品輪胎的高速性能

輪胎的高速性能檢測依據(jù)Q/B GP 04—2017《轎車子午線輪胎高速性能試驗(yàn)方法》，測試輪胎的充氣壓力為260 kPa，結(jié)果如表2 所示。在高速性能測試中，累計(jì)行駛90 min 后停止試驗(yàn)，目測輪胎未產(chǎn)生損壞，高速性能測試時(shí)間符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 成品輪胎高速性能試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

285/70R17 118Q MUD HUNTER 規(guī)格半鋼子午線越野輪胎經(jīng)過檢測驗(yàn)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(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。MUD HUNTER 系列產(chǎn)品投入市場后，受眾反饋該產(chǎn)品優(yōu)于以往產(chǎn)品。該產(chǎn)品得到客戶的認(rèn)可與好評，在提升公司知名度的同時(shí)，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。