一種雪地輪胎的結構設計

陳強，孔東東，孫稷，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)

美國《輪胎商業》雜志于2020年9月4日公布“2020年度世界輪胎75強”排行榜。2018年世界輪胎行業銷售額為1 686億美元左右，受同質化等因素的影響，輪胎行業正經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家企業銷售下降，僅有28家企業呈現增長，其中有5家銷售下降幅度超過20%，只有4家企業增長超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）等四家輪胎企業排名第二、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）、優科豪馬（日本）、正新橡膠（中國）、杭州中策（中國）。

伴隨著汽車工業的飛速發展，世界輪胎工業發展迅速，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，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，冬季自駕游，也屬于年輕人鐘愛的項目，想要欣賞美麗的雪景就需要給自己的愛車精選品質優良的雪地胎。

雪地胎通常使用在冰雪、濕滑等路面上，普遍具有以下優點：雪地胎的花紋設計，雪地胎的花紋胎面需要有更多細小的紋路，提升輪胎在冰雪路面上的抓地力，同時提升潮濕雨水條件下的排水能力；降低濕地滑胎的風險，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，為了進一步細分市場，擴大市場份額，同時滿足日益擴大的冬季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行多次反復測試驗證后，向市場推出了一款雪地專用——ARCTIC STU99花紋系列，產品進入市場后，得到廣大經銷商及駕乘者客戶的一致好評。

本文主要介紹了265/70R17 115S ARCTIC STU99規格輪胎的設計，具體如下。

1 外輪廓設計等方面的要求

外直徑、斷面寬等結構設計的技術要求：歐美標準方面，參照歐洲輪胎輪轂標準ETRTO 2012、美國輪胎輪輞協會工程設計手冊 (TRAEDI) 2012標準；國內標準方面，參照GB/T 2978—2008轎車輪胎規格、尺 寸、 氣 壓 與 負 荷[1～2]。265/70R17 115S ARCTIC STU99規格的輪胎技術參數最終確認為：標準輪輞RIM 5.5J，輪胎的充氣外直徑取值（D′）795 mm，輪胎的充氣斷面寬（B′）281 mm，該規格輪胎的充氣標準壓力為300±10 kPa，輪胎的標準負荷1 215 kg，輪胎設計的速度級別為S。

2 行駛面等結構設計方面的要求

2.1 外直徑（D） 斷面寬（B）

在雪地輪胎的胎冠部位，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）設計的非常小，輪胎充氣外直徑無太大的變化，參考經驗取值，本規格輪胎的D′設計值為795 mm，D設計值為794 mm，D′/D計算后的值約為1.0013。雪地輪胎的胎體生產采用高模低縮的聚酯簾線，胎側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。該規格輪胎的斷面膨脹率：其中B′設計值為281 mm，B設計值為282 mm，因此B′/B的比值約為0.996 45。

2.2 輪胎在行駛面寬度（b）和弧度高（h）方面的要求

根據雪地輪胎產品的實際使用的區間路段情況、設計的速度級別、載客情況產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動性能和承載性能；以往的設計經驗告訴我們，弧度高h的設計值與行駛面寬度b的設計值有關，b設計值較大時，相應的h設計值也較大，反之當b的設計值較小時，相應的h設計值也較小。因此我們可以優化調整b與h的取值，優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，本規格輪胎的行駛面寬度b設計值為207 mm，弧度高h的設計值為8.5 mm。

2.3 輪胎的胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C ）

設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，本規格輪胎的胎圈著合直徑d設計為430 mm；同時考慮到降低胎側剛性、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設計值為237.8 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，由于雪地輪胎胎體簾線整體設計為徑向排列，故在輪胎在胎圈、鋼絲圈這一位置的應力比較大，所以我們可以通過上移斷面水平軸，來減小輪胎在下胎側區域的應力和輪胎在胎圈部位的應力。綜上考慮后本規格輪胎最后的斷面水平軸位置H1/H2的設計值約為0.967 46。雪地輪胎的斷面外輪廓詳見圖1。

圖1 雪地輪胎斷面外輪廓示意圖

2.5 雪地輪胎的胎面花紋設計

雪地輪胎的胎面采用ARCTIC STU99型輪胎花紋，該規格花紋的整體設計為變節距花紋，花紋設計包含長型花紋M型11節、長型花紋L型10節、短型花紋S型8節，花紋總計包含29個花紋節數。雪地輪胎的胎面花紋整體為4道溝槽設計，花紋具備驅動性能好、散熱性能好、耐磨性能好、操控性能好等多種優越性。雪地輪胎的胎肩部位膠料運用低生熱的膠料配方，專為冰雪路面的特點設計。本規格輪胎胎面花紋的設計深度為10.4 mm，整體花紋海陸比均衡，飽和度設計為68.16%。雪地輪胎胎面的花紋樣式詳見圖2所示。

3 施工設計方面

3.1 擠出部件胎面和胎側的設計

根據雪地輪胎使用的實際路況信息，雪地輪胎的胎面在施工設計時采用全分層方案。該方案中，胎面的面膠采用耐冰雪、濕抓性能好的膠料配方，同時配方中添加碳納米管材料可有效縮短雪面、冰面制動距離,有利于改善車輛的操控性能和行駛安全性[3～4],底膠采用高緩沖膠料，很好的釋放來自胎面的應力。雪地輪胎的胎側采用常用的雙復合結構，為胎側膠和耐磨膠相搭配的結構。胎面和胎側半部件的生產，均使用桂林院生產的三復合擠出機，該設備具備精度高，膠部件擠出尺寸穩定等特點。

圖2 雪地輪胎胎面花紋

3.2 輪胎的胎體部件設計

雪地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2層設計，1#胎體寬度770 mm，2#胎體寬度580 mm，胎體簾布設計的壓延密度為105，胎體設計的安全倍數為8.9。簾線的滲膠性能好，輪胎在硫化后胎體整體的變形率低，因此雪地輪胎硫化后的成品輪胎，輪胎在子口部位的變形率低，不容易出現并子口的現象，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、三級輪胎經銷商及駕乘者的滿意度均較高。

3.3 輪胎的帶束層部件設計

雪地輪胎胎面下的帶束體系采用2層帶束層加1層尼龍冠帶層的結構，設計符合雪地胎系列產品。當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。冠帶層為保護層，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生脫空，可以起到很好的保護作用，同時又可以緩沖輪胎胎面受到的沖擊力，較好的保護冠帶層，提高成品輪胎的使用壽命，在輪胎的翻新次數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計

雪地輪胎的鋼絲圈部位，采用的胎圈鋼絲的直徑為1.295 mm，鋼絲有鍍鋅銅回火高強度的特點，胎圈鋼絲經過胎圈生產設備覆膠，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，生產工藝穩定。雪地輪胎鋼絲圈部位設計的安全倍數為9.2。

3.5 輪胎的成型工藝參數設計

雪地輪胎的胎胚成型使用的設備為薩馳一次法成型機，該設備的成型鼓直徑為415 mm，平寬設計為554 mm，胎胚成型時的預定型寬度為475 mm。薩馳一次法成型機在工藝參數設定后穩定良好，設備程序及機械定位精度高，胎胚成型后各部位的半部件貼合密實，保證了最終產品質量的穩定性。

3.6 輪胎的硫化參數設計

雪地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計為（0.06±0.01） MPa，二次定型時的氮氣壓力設計為（0.08±0.01） MPa，高壓蒸汽壓力設計為（1.5～1.7）MPa，高壓氮氣壓力設計為（2.1～2.3）MPa，胎胚全過程的氮氣硫化時間設計為15.7 min，胎胚在硫化過程中的溫度設計為177 ℃。與傳統循環過熱水硫化工藝相比本規格輪胎采用的氮氣硫化工藝可節約80%左右的蒸汽，具有顯著的節能效果，屬于綠色工藝[2～3]。

4 成品輪胎的性能

4.1 成品輪胎的外緣尺寸

雪地輪胎產品，依據國標GB/T 521—2012將待測試輪胎安裝于標準輪輞上，在標準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795和281 mm，測試結果符合設計要求。

4.2 成品輪胎的強度性能

雪地輪胎產品強度性能測試，依據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，測試的數據為，破壞能測試的第1～第4點，都達到標準值，破壞能第5點測試值為588.3 J，超過標準值，折算為標準值的199%。成品輪胎強度性能測試達到研發標準，高于國家標準要求。

4.3 成品輪胎的耐久性能

雪地輪胎產品的耐久性能，測試依據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，測試的結果如表1所示。通過表1的數據我們可以看出，在耐久性能測試中，輪胎累計行駛時間為44 h后停止試驗，試驗結束時，測試輪胎目測仍未產生損壞，成品輪胎耐久性能測試時間，超過研發標準，高于國家標準要求。

表1 成品輪胎耐久性能試驗結果

4.4 成品輪胎的高速性能

雪地輪胎產品的高速性能，檢測依據企業標準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，試驗結束時，測試輪胎目測仍未產生損壞，高速性能測試時間，超過研發標準，高于國家標準要求。

5 結論

綜上所述，265/70R17 115S ARCTIC STU99規格半鋼子午線雪地輪胎，經過檢測驗證，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到研發設計的標準要求，高于國家標準要求。我公司的雪地輪胎ARCTIC STU99系列產品在投產進入市場以后，受眾的廣大出租車司機朋友，在使用后一直反饋優于以往產品，得到客戶的認可與好評，在提升公司的知名度的同時，創造了較好的經濟效益。

表2 成品輪胎高速性能試驗結果