265/65R18 114T轎車子午線輪胎的設(shè)計(jì)

楊 哲，張 典，彭 松，陳 龍

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級(jí)，在國(guó)內(nèi)外中高端汽車市場(chǎng)中，消費(fèi)者青睞于體驗(yàn)感和舒適度更佳的車型，因此SUV車型銷量占比逐漸提升，輪胎需求量也快速擴(kuò)大[1]。為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，開發(fā)高抓著力和操縱穩(wěn)定性的多用途運(yùn)動(dòng)型輪胎越來越迫切。為此我公司開發(fā)設(shè)計(jì)了265/65R18 114T轎車子午線輪胎，現(xiàn)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況介紹如下。

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》并結(jié)合ETRTO 2019，確定265/65R18 114T轎車子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo) 準(zhǔn)輪輞 8.0J，充 氣外直 徑（D′） 801（790.8～811.2） mm，充 氣 斷 面 寬（B′） 272（261.1～282.9） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 250 kPa，額定負(fù)荷 1 180 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

輪胎的外輪廓設(shè)計(jì)實(shí)際上是指硫化模具的內(nèi)緣輪廓尺寸，合理設(shè)計(jì)輪胎的外輪廓尺寸可提高輪胎的應(yīng)力分布均勻性和使用性能。根據(jù)子午線輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，胎冠處有伸張較小的鋼絲帶束層和錦綸冠帶條對(duì)胎體的纏繞箍緊，限制輪胎的徑向伸展，充氣后外直徑變化不大。而影響充氣斷面寬的因素較多，如斷面高寬比、輪輞寬度、胎體骨架材料屬性、簾線角度、胎體簾線的伸張率和硫化后充氣工藝等，因此外直徑設(shè)計(jì)值與充氣外直徑標(biāo)準(zhǔn)值相差較小，斷面寬設(shè)計(jì)值與充氣斷面寬標(biāo)準(zhǔn)值相差較大。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)D取797.6 mm，B取277 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h的取值影響輪胎的接地印痕和使用性能。為增大輪胎的接地面積，提高接地壓力分布的均勻性，使輪胎的接地形狀趨向于矩形。合理的b取值可調(diào)節(jié)輪胎的接地印痕，從而提高輪胎的路面抓著力、操縱性和耐磨性，且可避免輪胎早期損壞。綜合考慮，本次設(shè)計(jì)b取205 mm，b/B為0.74，h取8.8 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d的取值既要使胎圈與輪輞之間著合緊密，在行駛過程中不發(fā)生滑移和漏氣，又要保證輪胎裝卸方便，本次設(shè)計(jì)d取461.2 mm。

C根據(jù)輪輞寬度確定，一般比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度大12.7或25.4 mm（0.5或1英寸）。該規(guī)格是65系列，斷面高寬較大，為易于裝配，本次設(shè)計(jì)采用增大25.4 mm的輪輞寬度設(shè)計(jì)，C取228.6 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎常見損壞在胎肩和胎圈區(qū)域，斷面水平軸對(duì)調(diào)節(jié)這兩區(qū)域應(yīng)力分布平衡起著非常關(guān)鍵的作用。斷面水平軸過高會(huì)導(dǎo)致胎肩部位簾線早期脫層和胎面剝離，斷面水平軸過低會(huì)導(dǎo)致胎圈裂口。在輪胎使用過程中，胎面與胎側(cè)過渡區(qū)域往往是應(yīng)力集中最大的部位。為防止集中在胎肩部位的應(yīng)力過大，斷面水平軸應(yīng)略往下移，故本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.956。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面是輪胎與地面相接觸的部位，胎面花紋的設(shè)計(jì)影響輪胎的抗?jié)窕⒛湍ァ⒉倏v穩(wěn)定性和噪聲等性能。本次采用對(duì)稱變節(jié)距花紋設(shè)計(jì)，中間4條縱向?qū)捇y溝配合曲折的破水鋼片式花紋，可有效地割破雨天路面上的水膜，增大橡膠部分觸地面積，具有優(yōu)異的排水性能。胎肩的花紋塊較大，以增大胎肩部位花紋剛性，防止因輪胎帶束層端點(diǎn)剛性較低而導(dǎo)致的胎肩早期磨損。通過輪胎花紋噪聲和剛性仿真設(shè)計(jì)，研發(fā)了獨(dú)特的三維花紋橫溝，可有效抵消輪胎行駛時(shí)花紋塊間產(chǎn)生的氣流噪聲。

花紋深度設(shè)計(jì)取值8.2 mm，花紋飽和度為75.3%，花紋周節(jié)數(shù)為72。

胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

3 有限元分析

在靜負(fù)荷下通過有限元分析技術(shù)結(jié)合輪胎的輪廓尺寸和各部件材料屬性進(jìn)行模擬，分析輪胎在負(fù)荷狀態(tài)下受力較大部位的應(yīng)力分布和輪胎接地印痕，合理地優(yōu)化初期施工，縮短開發(fā)周期。

輪胎負(fù)荷狀態(tài)下胎肩和胎圈區(qū)域的應(yīng)力分布分別如圖3和4所示，輪胎接地印痕如圖5所示。

圖3 負(fù)荷狀態(tài)下胎肩應(yīng)力分布

圖4 負(fù)荷狀態(tài)下胎圈區(qū)域應(yīng)力分布

圖5 負(fù)荷狀態(tài)下輪胎接地印痕

從圖3和4可以看出，胎肩部位和胎圈區(qū)域應(yīng)力過渡較平緩。

從圖5可以看出，輪胎的接地印痕近似呈矩形，單位面積受力較均勻，符合輪廓設(shè)計(jì)要求。

4 施工設(shè)計(jì)

4.1 胎面

胎面采用三方四塊結(jié)構(gòu)，胎面膠采用末端改性溶聚丁苯橡膠，以提高輪胎的抗?jié)窕阅埽砑又械扔昧康母呓Y(jié)構(gòu)炭黑為補(bǔ)強(qiáng)劑，以確保胎面的高耐磨性能[2-3]。基部膠采用低生熱膠料配方，且具有較高的彈性，基部膠體積占胎面總體積的比例越大，滾動(dòng)阻力越低，但比率過大會(huì)導(dǎo)致花紋溝裂口，降低耐久性能，因此基部膠厚度設(shè)計(jì)為1.5 mm。胎側(cè)與胎冠交接處易產(chǎn)生周向裂口，采用粘合性較高的翼膠為過渡部件。

4.2 帶束層

帶束層是子午線輪胎的主要受力部件。帶束層的結(jié)構(gòu)會(huì)影響輪胎的使用性能，其中鋼絲簾線的裁斷角度對(duì)輪胎的高速性能影響較大。為防止胎冠的伸張過大，保證行駛穩(wěn)定性，采用2層的2＋2×0.25HT鋼絲簾線，角度為26°。為提高胎冠的抗剪切應(yīng)力，改善高速耐久性能，帶束層端點(diǎn)部位貼膠片處理，并纏繞930dtex/2錦綸66浸膠簾布冠帶層[4-5]。

4.3 胎體和胎側(cè)

胎體采用1440dtex/2 DSP聚酯簾布，其具有的熱收縮率低、模量高的特點(diǎn)，有利于提高輪胎的均勻性。雙層簾布設(shè)計(jì)保證了胎側(cè)的堅(jiān)韌性，提高了輪胎的操縱性能和使用安全性，簾布反包端點(diǎn)落于上胎側(cè)。

胎側(cè)使用兩種不同的膠料，胎側(cè)膠采用耐屈撓和耐老化性能好的膠料，與輪輞接觸部分采用高耐磨膠料。為改善輪胎硫化后胎側(cè)部位易裂口的病疵，采用上下復(fù)合擠出膠料的胎側(cè)擠出方式。

4.4 胎圈

鋼絲圈采用直徑為1.3 mm的高強(qiáng)度胎圈鋼絲，呈六角形，排列方式為5-6-5，共16根，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，胎圈穩(wěn)定性好，工藝制造方便，生產(chǎn)效率高。胎圈底部雙曲線設(shè)計(jì)角度為10°和20°，保證輪輞與胎圈的裝配能力良好。胎圈部位受力較大，為防止胎圈磨損，在與輪輞接觸部位貼合高耐磨的胎圈包布。

4.5 成型

采用二次法成型機(jī)，冠包側(cè)成型方式，機(jī)頭直徑為493 mm，機(jī)頭寬度為495 mm，聚酯簾線假定伸張值為1.035。半成品各部件接頭采用定點(diǎn)分布技術(shù)，嚴(yán)格控制各半成品的接頭量和接頭間距。為防止材料貼合蛇形，自動(dòng)糾偏半成品貼合位置的對(duì)中度，以提高輪胎的均勻性和動(dòng)平衡性[4]。

4.6 硫化

硫化采用B型雙模液壓硫化機(jī)，氮?dú)饬蚧に嚒Ａ蚧瘲l件為：外溫 174 ℃，壓力 0.8 MPa，總硫化時(shí)間 12.3 min。為防止胎體變形，提高輪胎均勻性，硫化后進(jìn)行充氣冷卻。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

外緣尺寸按照GB/T 521—2012測(cè)量，測(cè)量條件為：充氣壓力 180 kPa，溫度 25 ℃。測(cè)得輪胎在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的D′和B′分別為801和271 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 強(qiáng)度性能

強(qiáng)度性能按照GB/T 4502—2016測(cè)試，強(qiáng)度性能的研發(fā)要求破壞能不小于309.75 J，測(cè)試值為444.0 J，符合設(shè)計(jì)要求。

5.3 脫圈阻力

脫圈阻力按照GB/T 4502—2016測(cè)試，脫圈阻力性能的研發(fā)要求最大脫圈阻力不小于11 342.4 N，測(cè)試值為12 649.6 N，符合設(shè)計(jì)要求。

5.4 耐久性能和低氣壓耐久性能

耐久和低氣壓耐久性能按照GB/T 4502—2016測(cè)試，試驗(yàn)條件為：耐久充氣壓力 180 kPa，低氣壓耐久充氣壓力 140～180 kPa，試驗(yàn)速度120 km·h-1，額定負(fù)荷 1 180 kg，溫度 38 ℃。

兩條試驗(yàn)輪胎在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)程序下行駛34 h后，分別按照性能要求繼續(xù)行駛。耐久性能按每10 h負(fù)荷率增加10%繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，輪胎狀態(tài)為胎圈裂口，累計(jì)行駛時(shí)間為82 h；低氣壓耐久性能在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定程序下繼續(xù)按100%負(fù)荷行駛，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，輪胎未損壞，累計(jì)行駛時(shí)間為60 h。測(cè)試結(jié)果均符合設(shè)計(jì)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.5 高速性能

高速性能按照GB/T 4502—2016測(cè)試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 280 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷 944 kg，負(fù)荷率 80%，溫度 38 ℃。高速性能的研發(fā)要求不短于75 min，在完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定程序后，輪胎每行駛10 min，速度提升10 km·h-1，累計(jì)行駛時(shí)間為90 min，試驗(yàn)結(jié)束后輪胎外觀良好，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

265/65R18 114T轎車子午線輪胎的輪廓和施工結(jié)構(gòu)通過有限元分析技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用耐磨型胎面配方，加之優(yōu)化的對(duì)稱花紋設(shè)計(jì)和均勻的接地印痕可確保超長(zhǎng)里程的磨耗性能，具有較好的SUV車型輪胎性能。成品輪胎的各項(xiàng)性能滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，抓著力達(dá)到A級(jí)，耐高溫能力達(dá)到A級(jí)。該產(chǎn)品投放市場(chǎng)后，滿足用戶需求，深受客戶的好評(píng)。