245/45R18 100Y XL防爆安全子午線輪胎的設計

趙彥偉，陳 虎，田 健，劉劍美，朱慶帥，路紹軍，李海平

[1.特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266000；2.東營方興橡膠股份有限責任公司，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的，極易造成嚴重的交通安全事故。據統計，我國高速公路70%的交通安全事故是由爆胎引起的，且不按規定超速行駛時發生爆胎，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生爆胎，支持車輛繼續行駛至安全區域，保證車輛及駕乘人員的安全。

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

本工作設計的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]，具體設計情況如下。

1 技術要求

根據GB/T 2978—2014《轎車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》[4]并結合《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊》（ETRTO）—2016，確定245/45R18 100Y XL防爆安全子午線輪胎的設計參數為：標準輪輞 8J[5]，充氣外直徑（D′） 677（671～683）mm，充氣斷面寬（B′） 243（233～253） mm，額定負荷 800 kg，標準充氣壓力 290 kPa。

2 結構設計

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2層胎體簾布＋2層帶束層＋1層錦綸冠帶層的結構設計，胎體采用2層人造絲簾布，較聚酯簾布強力高，且胎側部位設計內支撐壁，在標準充氣壓力下輪胎D和B變化很小，因此，本次設計外直徑膨脹率（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，從而影響輪胎對路面的抓著力，進一步影響車輛行駛時的驅動和制動等各方面操控性能[6]。本次設計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）輪胎的標準輪輞直徑為462 mm，為了保證輪胎的氣密性和脫圈性能，本次設計采用過盈配合，根據經驗，d比輪輞直徑小4～5 mm，取457.6 mm。245/45R18輪胎標準輪輞為8J，寬度約為203.2 mm，綜合考慮生產工藝便捷性，本次設計C放大25.4 mm（1英寸），取228.6 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

本次設計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 胎圈曲線設計

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]，本次設計底部線段采用單角度設計，角度取10°，如圖1所示。

圖1 胎圈曲線示意

2.6 輪緣保護凸臺

依照行業常規，扁平率55及以下系列的輪胎一般都設計輪緣保護，因此，本規格也設計了輪緣保護凸臺，如圖2所示。

圖2 輪緣保護凸臺示意

綜上所述，本設計輪胎斷面輪廓見圖3。

圖3 輪胎斷面輪廓示意

2.7 胎面花紋

胎面采用非對稱花紋設計，4條縱溝，花紋深度為8 mm，外側胎肩采用連貫的寬大花紋塊設計以保證輪胎操控性能優異，內側多溝槽設計以提升輪胎排水及濕地安全性能。采用3節距設計，周節數為31，花紋飽和度為71%，采用計算機三維建模仿真軟件進行節距排列優化，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 施工設計

3.1 胎面

胎面由胎冠膠、翼膠和基部膠3部分膠料組成，采用三復合擠出工藝擠出，胎冠膠采用特殊配方設計，基部膠厚度為0.7 mm，兩側為呈鈍角三角形的翼膠，胎面結構如圖5所示。

圖5 胎面結構示意

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浸膠簾布設計，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

由于胎側內部增加了支撐膠，導致胎側的剛性較大，為使胎冠部位的剛性能夠更好地與胎側部位匹配，并能保證輪胎質量的最優化，本設計帶束層采用3×0.30ST鋼絲簾線，在質量相同的情況下其強度比普通高強度鋼絲簾線提高10%以上，既能保證輪胎的整體剛性和安全性，又能減小輪胎質量，保證輪胎具有較低的滾動阻力和較優的乘坐舒適性。帶束層安全倍數達到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，受力均勻。

3.4 胎體

胎體采用雙層1840dtex/3-95人造絲浸膠簾布，安全倍數達到20，人造絲比普通聚酯簾線生熱更低，胎側柔韌性更好，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#胎體反包端點高過中軸線10 mm左右，2#胎體反包端點高過鋼絲圈上沿5 mm左右。

3.5 胎側

胎側由胎側膠和胎圈膠兩部分膠料組成，采用雙復合擠出工藝擠出。胎側膠采用耐屈撓、耐老化膠料，主要保護內部胎體簾線；胎圈膠采用高耐磨膠料，與輪輞接觸時可以保護內部簾線和鋼絲圈。

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，安全倍數達到15，纏繞方式采用單根鋼絲纏繞，鋼絲纏繞中應力均勻，以確保胎圈與輪輞配合時有足夠的剛性和強度。三角膠高度為20 mm，比常規設計小5 mm，確保輪胎的耐久性能。

3.7 支撐膠

胎側內部支撐膠采用特殊配方設計，具有高強度、抗撕裂、耐屈撓、低生熱等特點，保證輪胎在缺氣狀態下具有足夠的強度和耐久性支撐車輛繼續行駛至安全區域。支撐膠口型采用半月形設計，使其與胎側弧度高度契合，最大厚度設計為8.2 mm，在保證足夠支撐力的基礎上，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全自動一次法成型機，主鼓直徑為442 mm，副鼓周長為1 960 mm，各部件均為自動貼合，無人為干預，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平衡和均勻性。

3.9 硫化

硫化采用全自動液壓式硫化機，B型硫化膠囊，氮氣定型硫化，硫化工藝參數如下：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，總硫化時間 19.2 min。硫化后的輪胎外觀良好，無瑕疵品出現。

3.10 成品輪胎質量

本次開發的防爆安全輪胎樣品輪胎質量與同規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]進行測量，安裝在18×8J標準輪輞上，充氣壓力為220 kPa，輪胎D′和B′分別為674和240 mm，符合國家標準要求。

4.2 強度性能

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，滿足國家標準（＞585 J）要求。

4.3 高速性能

按照企業標準進行高速性能試驗，試驗條件見表1。

表1 成品輪胎高速性能試驗條件

經測試，245/45R18 100Y XL輪胎最高速度為320 km·h-1，最高速度下行駛時間為2 min，輪胎損壞方式為胎面掉塊，滿足企業標準達到290 km·h-1×10 min的要求。

4.4 耐久性能

按照企業標準進行耐久性試驗，試驗條件見表2。

表2 成品輪胎耐久性試驗條件

經測試，245/45R18 100Y XL輪胎累計行駛時間為70 h，損壞方式為胎肩鼓包，結果滿足企業標準要求的至少完成第7階段，即累計行駛時間不短于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]進行零氣壓耐久性能試驗，試驗條件見表3。

表3 成品輪胎零氣壓耐久性能試驗條件

經測試，245/45R18 100Y XL輪胎累計行駛時間為55 min，損壞方式為下沉量超標。本次開發并非缺氣保用輪胎產品，是介于缺氣保用輪胎與普通輪胎之間的防爆安全輪胎，企業標準判定要求為至少完成第3階段，即累計行駛時間不短于40 min即可，本設計輪胎零氣壓耐久性能滿足企業標準要求。

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，實測脫圈阻力為17 532.26 N，滿足國家標準（＞11 120 N）要求。

4.7 靜負荷下沉量

充氣壓力為220 kPa，加載負荷為640 kg，保持15 min，測得印痕數據與該規格普通輪胎產品以及某公司缺氣保用輪胎產品進行對比，結果如表4所示。

表4 下沉量數據對比

從表4可以看出，本設計防爆安全輪胎在標準充氣壓力下，下沉量介于普通輪胎與缺氣保用輪胎之間，說明本設計輪胎在保證防爆安全性能的基礎上，充分兼顧了日常使用的舒適性。

5 結語

本次設計245/45R18 100Y XL防爆安全子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能、高速性能、耐久性能及脫圈阻力均符合相關國家標準或企業標準要求。零氣壓耐久性能達到設計目標，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產安全；同時，通過輪胎質量以及靜負荷下沉量的對比，可以看出該輪胎的經濟性和乘坐舒適性也較為出色。