245/45R18 100Y XL防爆安全子午線輪胎的設(shè)計(jì)

趙彥偉，陳 虎，田 健，劉劍美，朱慶帥，路紹軍，李海平

[1.特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266000；2.東營方興橡膠股份有限責(zé)任公司，山東 廣饒 257300]

車輛日常使用過程中，輪胎缺氣甚至爆胎是非常危險(xiǎn)的，極易造成嚴(yán)重的交通安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國高速公路70%的交通安全事故是由爆胎引起的，且不按規(guī)定超速行駛時(shí)發(fā)生爆胎，死亡率接近100%。防爆安全輪胎能在輪胎突然失壓的情況下不發(fā)生爆胎，支持車輛繼續(xù)行駛至安全區(qū)域，保證車輛及駕乘人員的安全。

目前，國內(nèi)外市場上主流的防爆安全輪胎是帶有內(nèi)支撐壁的缺氣保用輪胎[1-2]，該類型輪胎普遍存在胎側(cè)偏硬，舒適性差等問題，而普通輪胎又不具備防爆功能。

本工作設(shè)計(jì)的245/45R18 100Y XL輪胎是兼顧防爆安全性和乘坐舒適性的跨界綜合性能輪胎[3]，具體設(shè)計(jì)情況如下。

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》[4]并結(jié)合《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》（ETRTO）—2016，確定245/45R18 100Y XL防爆安全子午線輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 8J[5]，充氣外直徑（D′） 677（671～683）mm，充氣斷面寬（B′） 243（233～253） mm，額定負(fù)荷 800 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 290 kPa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

為了兼顧安全性和舒適性，采用常規(guī)2層胎體簾布＋2層帶束層＋1層錦綸冠帶層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，胎體采用2層人造絲簾布，較聚酯簾布強(qiáng)力高，且胎側(cè)部位設(shè)計(jì)內(nèi)支撐壁，在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下輪胎D和B變化很小，因此，本次設(shè)計(jì)外直徑膨脹率（D′/D）為1.013，斷面寬膨脹率（B′/B）為0.95，即D為668 mm，B為256 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h決定了輪胎接地印痕面積，從而影響輪胎對(duì)路面的抓著力，進(jìn)一步影響車輛行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等各方面操控性能[6]。本次設(shè)計(jì)b取207 mm，h取9.9 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

457.2 mm（18英寸）輪胎的標(biāo)準(zhǔn)輪輞直徑為462 mm，為了保證輪胎的氣密性和脫圈性能，本次設(shè)計(jì)采用過盈配合，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，d比輪輞直徑小4～5 mm，取457.6 mm。245/45R18輪胎標(biāo)準(zhǔn)輪輞為8J，寬度約為203.2 mm，綜合考慮生產(chǎn)工藝便捷性，本次設(shè)計(jì)C放大25.4 mm（1英寸），取228.6 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

本次設(shè)計(jì)H1/H2取1.0，斷面高為105.2 mm，因此下斷面高度（H1）取52.6 mm，上斷面高度（H2）取52.6 mm。

2.5 胎圈曲線設(shè)計(jì)

胎圈位置曲線形狀影響到成品輪胎胎趾部位的飽滿程度、漏氣率以及使用過程中與輪輞的滑移程度[7]，本次設(shè)計(jì)底部線段采用單角度設(shè)計(jì)，角度取10°，如圖1所示。

圖1 胎圈曲線示意

2.6 輪緣保護(hù)凸臺(tái)

依照行業(yè)常規(guī)，扁平率55及以下系列的輪胎一般都設(shè)計(jì)輪緣保護(hù)，因此，本規(guī)格也設(shè)計(jì)了輪緣保護(hù)凸臺(tái)，如圖2所示。

圖2 輪緣保護(hù)凸臺(tái)示意

綜上所述，本設(shè)計(jì)輪胎斷面輪廓見圖3。

圖3 輪胎斷面輪廓示意

2.7 胎面花紋

胎面采用非對(duì)稱花紋設(shè)計(jì)，4條縱溝，花紋深度為8 mm，外側(cè)胎肩采用連貫的寬大花紋塊設(shè)計(jì)以保證輪胎操控性能優(yōu)異，內(nèi)側(cè)多溝槽設(shè)計(jì)以提升輪胎排水及濕地安全性能。采用3節(jié)距設(shè)計(jì)，周節(jié)數(shù)為31，花紋飽和度為71%，采用計(jì)算機(jī)三維建模仿真軟件進(jìn)行節(jié)距排列優(yōu)化，最大限度地降低輪胎噪聲。胎面花紋三維效果見圖4。

圖4 胎面花紋三維效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面由胎冠膠、翼膠和基部膠3部分膠料組成，采用三復(fù)合擠出工藝擠出，胎冠膠采用特殊配方設(shè)計(jì)，基部膠厚度為0.7 mm，兩側(cè)為呈鈍角三角形的翼膠，胎面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 冠帶層

為增加胎冠剛性，保證輪胎高速性能，冠帶層采用2層1400dtex/2錦綸66浸膠簾布設(shè)計(jì)，寬度大于1#帶束層寬度12 mm，并采取無接頭方式纏繞。

3.3 帶束層

由于胎側(cè)內(nèi)部增加了支撐膠，導(dǎo)致胎側(cè)的剛性較大，為使胎冠部位的剛性能夠更好地與胎側(cè)部位匹配，并能保證輪胎質(zhì)量的最優(yōu)化，本設(shè)計(jì)帶束層采用3×0.30ST鋼絲簾線，在質(zhì)量相同的情況下其強(qiáng)度比普通高強(qiáng)度鋼絲簾線提高10%以上，既能保證輪胎的整體剛性和安全性，又能減小輪胎質(zhì)量，保證輪胎具有較低的滾動(dòng)阻力和較優(yōu)的乘坐舒適性。帶束層安全倍數(shù)達(dá)到11。

1#和2#帶束層裁斷角度取29°，采用兩層交叉鋪貼方式，使胎冠接地面積最優(yōu)，受力均勻。

3.4 胎體

胎體采用雙層1840dtex/3-95人造絲浸膠簾布，安全倍數(shù)達(dá)到20，人造絲比普通聚酯簾線生熱更低，胎側(cè)柔韌性更好，更能保障行駛的安全性和舒適性。

胎體采用2層反包形式，1#胎體反包端點(diǎn)高過中軸線10 mm左右，2#胎體反包端點(diǎn)高過鋼絲圈上沿5 mm左右。

3.5 胎側(cè)

胎側(cè)由胎側(cè)膠和胎圈膠兩部分膠料組成，采用雙復(fù)合擠出工藝擠出。胎側(cè)膠采用耐屈撓、耐老化膠料，主要保護(hù)內(nèi)部胎體簾線；胎圈膠采用高耐磨膠料，與輪輞接觸時(shí)可以保護(hù)內(nèi)部簾線和鋼絲圈。

3.6 胎圈

鋼絲圈采用Φ1.295 mm的胎圈鋼絲，覆膠直徑為1.60 mm，4-5-4-3的六邊形排列方式，安全倍數(shù)達(dá)到15，纏繞方式采用單根鋼絲纏繞，鋼絲纏繞中應(yīng)力均勻，以確保胎圈與輪輞配合時(shí)有足夠的剛性和強(qiáng)度。三角膠高度為20 mm，比常規(guī)設(shè)計(jì)小5 mm，確保輪胎的耐久性能。

3.7 支撐膠

胎側(cè)內(nèi)部支撐膠采用特殊配方設(shè)計(jì)，具有高強(qiáng)度、抗撕裂、耐屈撓、低生熱等特點(diǎn)，保證輪胎在缺氣狀態(tài)下具有足夠的強(qiáng)度和耐久性支撐車輛繼續(xù)行駛至安全區(qū)域。支撐膠口型采用半月形設(shè)計(jì)，使其與胎側(cè)弧度高度契合，最大厚度設(shè)計(jì)為8.2 mm，在保證足夠支撐力的基礎(chǔ)上，最大限度地增大下沉量，以使輪胎兼顧安全性與舒適性，支撐膠形狀如圖6所示。

圖6 支撐膠形狀示意

3.8 成型

成型采用VMI-EXXIUM全自動(dòng)一次法成型機(jī)，主鼓直徑為442 mm，副鼓周長為1 960 mm，各部件均為自動(dòng)貼合，無人為干預(yù)，冠帶條寬度為15 mm，采用單根無接頭S形纏繞（肩部雙層，中間單層），纏繞張力為20 N，最大限度地保證輪胎的動(dòng)平衡和均勻性。

3.9 硫化

硫化采用全自動(dòng)液壓式硫化機(jī)，B型硫化膠囊，氮?dú)舛ㄐ土蚧蚧に噮?shù)如下：膠囊拉伸高度 400 mm，定型高度 310 mm，裝胎高度320 mm，一/二次定型壓力 0.6/0.1 MPa，合模壓力 1 000 kN，總硫化時(shí)間 19.2 min。硫化后的輪胎外觀良好，無瑕疵品出現(xiàn)。

3.10 成品輪胎質(zhì)量

本次開發(fā)的防爆安全輪胎樣品輪胎質(zhì)量與同規(guī)格普通輪胎相比增大了18%，與某公司缺氣保用輪胎相比減小了17.2%，充分兼顧了防爆安全性和乘坐舒適性。

4 成品輪胎性能

4.1 外緣尺寸

按照GB/T 521—2016[8]進(jìn)行測量，安裝在18×8J標(biāo)準(zhǔn)輪輞上，充氣壓力為220 kPa，輪胎D′和B′分別為674和240 mm，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

依 照GB/T 4502—2016要 求，充 氣 壓 力為220 kPa，壓頭直徑為19 mm，壓頭速度為50 mm·min-1，測得破壞能為709.96 J，壓頭觸及輪輞未壓穿，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)（＞585 J）要求。

4.3 高速性能

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高速性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表1。

表1 成品輪胎高速性能試驗(yàn)條件

經(jīng)測試，245/45R18 100Y XL輪胎最高速度為320 km·h-1，最高速度下行駛時(shí)間為2 min，輪胎損壞方式為胎面掉塊，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到290 km·h-1×10 min的要求。

4.4 耐久性能

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2。

表2 成品輪胎耐久性試驗(yàn)條件

經(jīng)測試，245/45R18 100Y XL輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為70 h，損壞方式為胎肩鼓包，結(jié)果滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的至少完成第7階段，即累計(jì)行駛時(shí)間不短于44 h，通過耐久性能測試。

4.5 零氣壓耐久性能

按照GB/T 30196—2013[9]進(jìn)行零氣壓耐久性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表3。

表3 成品輪胎零氣壓耐久性能試驗(yàn)條件

經(jīng)測試，245/45R18 100Y XL輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為55 min，損壞方式為下沉量超標(biāo)。本次開發(fā)并非缺氣保用輪胎產(chǎn)品，是介于缺氣保用輪胎與普通輪胎之間的防爆安全輪胎，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)判定要求為至少完成第3階段，即累計(jì)行駛時(shí)間不短于40 min即可，本設(shè)計(jì)輪胎零氣壓耐久性能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.6 脫圈性能

依照GB/T 4502—2016[10]要求，充氣壓力為220 kPa，壓塊水平距離為305 mm，壓塊速度為50 mm·min-1，實(shí)測脫圈阻力為17 532.26 N，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)（＞11 120 N）要求。

4.7 靜負(fù)荷下沉量

充氣壓力為220 kPa，加載負(fù)荷為640 kg，保持15 min，測得印痕數(shù)據(jù)與該規(guī)格普通輪胎產(chǎn)品以及某公司缺氣保用輪胎產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 下沉量數(shù)據(jù)對(duì)比

從表4可以看出，本設(shè)計(jì)防爆安全輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下，下沉量介于普通輪胎與缺氣保用輪胎之間，說明本設(shè)計(jì)輪胎在保證防爆安全性能的基礎(chǔ)上，充分兼顧了日常使用的舒適性。

5 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)245/45R18 100Y XL防爆安全子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、高速性能、耐久性能及脫圈阻力均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。零氣壓耐久性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，證明該輪胎具備一定的缺氣保用功能，能有效地防止爆胎，保證車輛及駕乘人員的生命及財(cái)產(chǎn)安全；同時(shí)，通過輪胎質(zhì)量以及靜負(fù)荷下沉量的對(duì)比，可以看出該輪胎的經(jīng)濟(jì)性和乘坐舒適性也較為出色。