校企合作共研工程轮胎外观结构设计

孙名楷+刘泳生+奚君标

摘 要：根据国内工程轮胎发展趋势和存在问题，工程轮胎厂家为了提升市场竞争力，通过与学校建立校企合作关系，对工程轮胎存在的不足进行分析，创新设计工程轮胎外观结构，取得了良好的效果并具有推广价值。

关键词：校企合作 工程轮胎 轮胎花纹 外观结构 推广价值

为更好地满足珠三角地区产业升级转型的需要，深入推进广州技工教育“273”工程建设，践行广州模式“三维一体”培养体系，广州市轻工高级技工学校大力开展校企合作，不仅为企业培养高技能、高素质的应用型人才，还能协助企业解决技术问题，共同开发产品，使校企合作实现了信息、资源共享，使学校和企业的设备、技术实现优势互补，节约了教育与企业成本，形成了多方共赢的局面。其中，笔者所在学校与广州市白云区君诚橡胶轮胎厂共同合作研发的《工程轮胎（11.00R20）外观设计》项目，不仅成功申报了外观设计专利，还在国内各大矿区工程车辆上使用，受到了广大客户的好评。

一、研究背景及意义

随着我国公路和水电站建设的飞速发展以及国家基础建设、矿产开发投资力度的加大，矿区工程轮胎的需求量与日俱增，市场空间较大。但由于米其林、普利司通等国际品牌的工程轮胎价格昂贵，使得国内大部分中小型矿区的工程车辆都使用价格相对较低的国内品牌工程轮胎。不过国内品牌的大部分轮胎存在耐磨性一般、不耐扎、上斜坡易打滑、侧胎面易被碎石撞击磨损等缺点。

君诚橡胶轮胎厂一直从事工程轮胎生产，轮胎产品也存在以上质量问题，厂方迫切希望改善产品质量，尽快提高市场优势。为此，厂方通过与学校建立校企合作关系，与学校教师共同研发解决轮胎存在的缺点，希望能从外观结构上加以改进。最后，通过创新轮胎外观设计，新型轮胎的性能大幅度提升，轮胎外观特点明显，具有很强的竞争优势。

二、研究步骤及内容

工程轮胎称为非公路轮胎，简称OR或OTR轮胎，主要指工程汽车和工程机械用轮胎，但并不完全局限于工程车辆和工程机械使用。工程轮胎制造技术难度大，工艺结构设计复杂，研发成本高。轮胎外观设计的研发过程如下。

1.收集客户使用轮胎的反馈意见

经销商、代理商反映，轮胎有不耐磨、不耐扎、不耐割等问题。为了解决轮胎的问题，提升轮胎综合性能，厂方技术员多次到辽宁省鞍山市铁矿区、山西省五台县煤矿区、广东省和平县陶瓷矿区等轮胎使用地实地调查了解情况。调查结果显示，在国内矿区大部分厂家生产的轮胎中90%使用寿命为3个月左右，其中50%的轮胎因不耐扎、不耐割、不耐磨而报废，25%的轮胎因常受到碎石撞击而破裂，15%的轮胎因脱层而报废，10%的轮胎因其他原因而报废（如爆胎等）。

2.分析客户使用轮胎的环境

根据客户的反映和实地考察发现，国内金属矿、煤矿、水电站建设工程的路面，基本为碎石和沙尘路面，道路凹凸不平，并存在大量斜坡路段，运输道路比较危险。

3.分析轮胎花纹和侧胎结构

轮胎好比一辆车的鞋子，有一双好鞋，才能使汽车跑得更安全、平稳，并实现承载、牵引/制动等功能，具有稳定性、舒适性（图1）。

图1 轮胎功能

轮胎外观结构设计科学合理，不仅能使轮胎外观美观独特，还能提升轮胎的综合性能（图2）。

图2 轮胎外观结构

在轮胎外观结构中，胎面花纹和胎侧都是轮胎重要的组成部分，其中花纹主要起到防滑性、接着性、传递性、节省材料等作用，胎侧主要起保护胎体、提高乘车舒适感及操纵稳定性的作用。

（1）轮胎花纹分析。工程轮胎花纹一般有条形、牵引形、块状、光面几种（图3）。

条形 牵引形 块状 光面

图3 轮胎花纹类型

不同花纹类型的轮胎，具有各自的特点及性能，下表为轮胎花纹的特点及性能。

表 轮胎花纹特点及性能

花纹类型 TRA代号 特点及性能

条形（导向型） E-1 沿轮胎周向分布的条形、锯齿形、波浪形花纹，这种花纹块面积占轮胎接地面积的18%～20%，特点是抗侧滑

G-1

牵引型 E-2 八字形或人字形花纹，花纹沟面积大，占轮胎接地面积的50%以上。在松软路面上，其具有良好的附着力，且具有良好的自洁性能，牵引力大

G-2

L-2

块状型 E-3 胎面接地面积大，具有良好的耐磨、耐切割、耐刺扎性能，特别是在坚实的路面上有很大的牵引力

E-4

G-3

L-3

L-4

L-5

光面型 C-1 胎面光滑平整、宽度大，不但增大了接地面积，而且接地压力分布均匀，具有良好的耐切割、耐磨性能

C-2

L-3S

L-4S

L-5S

目前，国内外大部分工程轮胎厂对矿区装卸运输车辆用轮胎基本采用块状花纹，但大部分中小厂家采用花纹块间距小、花纹沟槽尺寸大或选用中间连接块状花纹，这样可以降低轮胎材料成本，但这种轮胎存在不耐磨、不耐扎等缺点。

（2）轮胎胎侧分析。胎侧是轮胎的重要部位，它具有良好的减震性、耐曲挠性和相应的承受力。但胎侧没有带钢丝层，当轮胎行驶过凹坑、障碍物及路沿时，可能会因局部受尖锐硬物瞬间撞击，超过胎侧的承受能力，致使胎侧帘线松弛或断裂引起鼓包。特别是在矿区碎石路面，碎石易撞击轮胎侧面。

4.设计轮胎外观结构

（1）根据客户使用意见和对花纹的分析，对胎面花纹重新设计。轮胎花纹要接着性好、耐磨性好、生热低、散热快、自洁性好、加工性好，但这些基本要求相互间存在的矛盾难以全部满足。胎面花纹设计必须根据轮胎类型结构和使用条件、主次要求来确定方案。endprint

①花纹类型选取。根据本型号轮胎基本在矿区、水电站建设工程等碎石路面使用的特点，选择块状型花纹，该花纹具有优越的抓着性、牵引性，适用于环境较差的山路、矿山、建筑工地及松土、雪泥地等。

图4 本型号轮胎花纹块

②确定花纹沟槽的深度及形状。花纹沟槽深度及形状要根据轮胎类型和规格、花纹类型、胎体强度、车辆的行驶速度以及要求达到的行驶里程，综合考虑确定。载重运输轮胎普通花纹深度一般为11～15mm，加深花纹为15～20mm。要使花纹沟具有良好自洁性，不易夹石子和基部不裂口，花纹沟底部应采用小圆弧与沟壁相切，形成向上开放的U形沟槽。花纹沟壁倾斜角度α，横向花纹为15°～20°，沟底圆弧半径R约为1～3mm。本次设计尝试突破原有形式，加深花纹沟槽，使沟槽深度h达到25mm，沟槽横截面形状为宽花纹沟，壁倾斜角α为15°，圆弧半径R为2mm，以此提升耐磨、耐扎、耐割性及抓地力等（图5、图6）。

a） b） c） d）

图5 花纹沟槽横截面形状

a）窄花纹沟 b）宽花纹沟 c）双层花纹沟 d）单边双层花纹沟

图6 花纹沟槽深度

③确定花纹槽、花纹块胎面形状及尺寸。

一是花纹槽形状及尺寸。花纹槽是指轮胎沟槽在平面上的投影轮廓，其形状及尺寸设计主要根据轮胎沟槽确定的深度和形状类型，以及轮胎行驶碎石路面的抓地力决定（图7）。

图7 花纹槽形状及尺寸

二是花纹块形状及尺寸。花纹块是指在轮胎行驶面上凸起支撑轮胎并与地接触的部分，与凹陷下缩的“花纹沟”相间形成“胎冠花纹”。花纹块的形状理论上是无限多的，其功能作用随设计形状的差异也大相径庭。本设计创新花纹块的主要目的，是解决轮胎不耐磨、不耐扎、花纹块易崩胶问题，为此设计者参照冠部花纹间距公式对轮胎花纹块间距进行重新设计：

tc——冠部花纹间距值mm；

n——花纹周节数（40～60，且为偶数）；

D——外胎外直径mm。

花纹块形状是依花纹槽形状而形成的。目前大部分工程轮胎的花纹块间距较小，达不到100mm，使轮胎材料减少，成本也随之减少，但对轮胎的耐磨性、耐扎性有影响，所以本设计将花纹块间距调整为100mm，胎冠横截距离（两胎肩间距离）为238mm（图8）。

图8 花纹块形状及尺寸

（2）设计胎肩防撞条。胎肩是胎冠两侧的边缘部位，是胎冠与胎侧连接部。胎侧是用来防止胎体受机械损伤和其他外界作用的橡胶覆盖层，它不承受大的应力，不与地面接触，一般不承受摩擦力，主要在屈挠状态下工作，因此胎侧的厚度较薄，但它能有效地承受多次屈挠应力，并有很好的耐光老化和耐臭氧老化的性能。

矿区工程运输车辆行驶在碎石路面时，时常会压过碎石，碎石块经过胎肩跳撞到轮胎侧面，日积月累造成胎侧磨损，甚至破裂。因此，根据客户的反馈和实地考察，设计者尝试在胎肩增加一条宽10mm、厚10mm的橡胶圈，称为防撞条（图9）。

图9 有防撞与无防撞条轮胎对比

（3）设计后轮胎整体外观。经过对轮胎花纹和胎侧进行重新设计后，轮胎外观与其他轮胎形成鲜明对比，其花纹沟槽独特、沟槽深度大、花纹块大、花纹间距也大，而且有防撞条（图10、图11）。

图10 工程轮胎（1100.R20）

图11 其他工程轮胎

5.轮胎试验效果

由于中国轮胎行业没有一个全国性试验场所，因此设计者选择10条新型轮胎，送到铁矿、水电建设工程、煤矿、陶瓷矿工地实际使用试验。经过三、四个月的使用对比，本轮胎适用于金属矿区、煤矿区、水电站工程建设的工程运输车辆使用，其综合性能比其他同档次的轮胎好，耐磨性、耐扎性、抓地力、花纹块耐用度均有很大提升，轮胎整体使用寿命延长。

三、创新特点及使用效果

一是设计轮胎花纹沟槽形状及尺寸，使轮胎抓地力强，易排出矿区路面碎石。

二是增大花纹块面积、花纹块间距，使胎面接地面积大、耐磨、耐扎、行驶平稳、花纹块不易崩胶。

三是胎肩增加防撞条，使轮胎压过碎石路面时，碎石能向胎肩两侧排出，保护侧胎不易被碎石撞击，避免磨损或破裂。

四是轮胎整体外观具有独特性，综合性能强，使用寿命由原来的3个月延长到4.5个月，制造成本仅比原来增加3.5%。

四、推广情况

本项目成果正式投产一年后，于2013年由校企双方三名设计者共同申请了外观设计专利。由于新型轮胎综合性能强、外观设计具有独特性，销售后，使用者反馈良好，具有较好的市场竞争优势，因此使生产厂的产量和产值逐年增长。厂方2013年产值相比2012年增长10%，预计2014年产值将增长15%。目前，本轮胎已在全国各大金属矿区、煤矿区、水电站建设工程使用，如辽宁省鞍山市铁矿区、山西省五台县煤矿区、广东省和平县陶瓷矿区等。特别是在和平县陶瓷矿区，本轮胎已成为运输车队指定使用产品。

由于轮胎外观设计的突破，全国各地矿区越来越多的工程车辆选择了该型号的轮胎，同时在校企合作共同开发产品方面，也进一步提升了学校协助企业解决技术难题的能力和地位。因此，更多企业愿意与学校合作，建立校企合作关系。我们坚信，走产学研教育教学改革之路，一定能培养出社会、行业、企业需求的高技能应用型人才。

参考文献：

[1]林礼贵.轮胎生产工艺[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]莱斯特[德].汽车轮胎研发[M].北京：机械工业出版社，2012.

（作者单位：孙名楷、刘泳生，广州市轻工技师学院；

奚君标，广州市白云区君诚橡胶轮胎厂）endprint

①花纹类型选取。根据本型号轮胎基本在矿区、水电站建设工程等碎石路面使用的特点，选择块状型花纹，该花纹具有优越的抓着性、牵引性，适用于环境较差的山路、矿山、建筑工地及松土、雪泥地等。

图4 本型号轮胎花纹块

②确定花纹沟槽的深度及形状。花纹沟槽深度及形状要根据轮胎类型和规格、花纹类型、胎体强度、车辆的行驶速度以及要求达到的行驶里程，综合考虑确定。载重运输轮胎普通花纹深度一般为11～15mm，加深花纹为15～20mm。要使花纹沟具有良好自洁性，不易夹石子和基部不裂口，花纹沟底部应采用小圆弧与沟壁相切，形成向上开放的U形沟槽。花纹沟壁倾斜角度α，横向花纹为15°～20°，沟底圆弧半径R约为1～3mm。本次设计尝试突破原有形式，加深花纹沟槽，使沟槽深度h达到25mm，沟槽横截面形状为宽花纹沟，壁倾斜角α为15°，圆弧半径R为2mm，以此提升耐磨、耐扎、耐割性及抓地力等（图5、图6）。

a） b） c） d）

图5 花纹沟槽横截面形状

a）窄花纹沟 b）宽花纹沟 c）双层花纹沟 d）单边双层花纹沟

图6 花纹沟槽深度

③确定花纹槽、花纹块胎面形状及尺寸。

一是花纹槽形状及尺寸。花纹槽是指轮胎沟槽在平面上的投影轮廓，其形状及尺寸设计主要根据轮胎沟槽确定的深度和形状类型，以及轮胎行驶碎石路面的抓地力决定（图7）。

图7 花纹槽形状及尺寸

二是花纹块形状及尺寸。花纹块是指在轮胎行驶面上凸起支撑轮胎并与地接触的部分，与凹陷下缩的“花纹沟”相间形成“胎冠花纹”。花纹块的形状理论上是无限多的，其功能作用随设计形状的差异也大相径庭。本设计创新花纹块的主要目的，是解决轮胎不耐磨、不耐扎、花纹块易崩胶问题，为此设计者参照冠部花纹间距公式对轮胎花纹块间距进行重新设计：

tc——冠部花纹间距值mm；

n——花纹周节数（40～60，且为偶数）；

D——外胎外直径mm。

花纹块形状是依花纹槽形状而形成的。目前大部分工程轮胎的花纹块间距较小，达不到100mm，使轮胎材料减少，成本也随之减少，但对轮胎的耐磨性、耐扎性有影响，所以本设计将花纹块间距调整为100mm，胎冠横截距离（两胎肩间距离）为238mm（图8）。

图8 花纹块形状及尺寸

（2）设计胎肩防撞条。胎肩是胎冠两侧的边缘部位，是胎冠与胎侧连接部。胎侧是用来防止胎体受机械损伤和其他外界作用的橡胶覆盖层，它不承受大的应力，不与地面接触，一般不承受摩擦力，主要在屈挠状态下工作，因此胎侧的厚度较薄，但它能有效地承受多次屈挠应力，并有很好的耐光老化和耐臭氧老化的性能。

矿区工程运输车辆行驶在碎石路面时，时常会压过碎石，碎石块经过胎肩跳撞到轮胎侧面，日积月累造成胎侧磨损，甚至破裂。因此，根据客户的反馈和实地考察，设计者尝试在胎肩增加一条宽10mm、厚10mm的橡胶圈，称为防撞条（图9）。

图9 有防撞与无防撞条轮胎对比

（3）设计后轮胎整体外观。经过对轮胎花纹和胎侧进行重新设计后，轮胎外观与其他轮胎形成鲜明对比，其花纹沟槽独特、沟槽深度大、花纹块大、花纹间距也大，而且有防撞条（图10、图11）。

图10 工程轮胎（1100.R20）

图11 其他工程轮胎

5.轮胎试验效果

由于中国轮胎行业没有一个全国性试验场所，因此设计者选择10条新型轮胎，送到铁矿、水电建设工程、煤矿、陶瓷矿工地实际使用试验。经过三、四个月的使用对比，本轮胎适用于金属矿区、煤矿区、水电站工程建设的工程运输车辆使用，其综合性能比其他同档次的轮胎好，耐磨性、耐扎性、抓地力、花纹块耐用度均有很大提升，轮胎整体使用寿命延长。

三、创新特点及使用效果

一是设计轮胎花纹沟槽形状及尺寸，使轮胎抓地力强，易排出矿区路面碎石。

二是增大花纹块面积、花纹块间距，使胎面接地面积大、耐磨、耐扎、行驶平稳、花纹块不易崩胶。

三是胎肩增加防撞条，使轮胎压过碎石路面时，碎石能向胎肩两侧排出，保护侧胎不易被碎石撞击，避免磨损或破裂。

四是轮胎整体外观具有独特性，综合性能强，使用寿命由原来的3个月延长到4.5个月，制造成本仅比原来增加3.5%。

四、推广情况

本项目成果正式投产一年后，于2013年由校企双方三名设计者共同申请了外观设计专利。由于新型轮胎综合性能强、外观设计具有独特性，销售后，使用者反馈良好，具有较好的市场竞争优势，因此使生产厂的产量和产值逐年增长。厂方2013年产值相比2012年增长10%，预计2014年产值将增长15%。目前，本轮胎已在全国各大金属矿区、煤矿区、水电站建设工程使用，如辽宁省鞍山市铁矿区、山西省五台县煤矿区、广东省和平县陶瓷矿区等。特别是在和平县陶瓷矿区，本轮胎已成为运输车队指定使用产品。

由于轮胎外观设计的突破，全国各地矿区越来越多的工程车辆选择了该型号的轮胎，同时在校企合作共同开发产品方面，也进一步提升了学校协助企业解决技术难题的能力和地位。因此，更多企业愿意与学校合作，建立校企合作关系。我们坚信，走产学研教育教学改革之路，一定能培养出社会、行业、企业需求的高技能应用型人才。

参考文献：

[1]林礼贵.轮胎生产工艺[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]莱斯特[德].汽车轮胎研发[M].北京：机械工业出版社，2012.

（作者单位：孙名楷、刘泳生，广州市轻工技师学院；

奚君标，广州市白云区君诚橡胶轮胎厂）endprint

①花纹类型选取。根据本型号轮胎基本在矿区、水电站建设工程等碎石路面使用的特点，选择块状型花纹，该花纹具有优越的抓着性、牵引性，适用于环境较差的山路、矿山、建筑工地及松土、雪泥地等。

图4 本型号轮胎花纹块

②确定花纹沟槽的深度及形状。花纹沟槽深度及形状要根据轮胎类型和规格、花纹类型、胎体强度、车辆的行驶速度以及要求达到的行驶里程，综合考虑确定。载重运输轮胎普通花纹深度一般为11～15mm，加深花纹为15～20mm。要使花纹沟具有良好自洁性，不易夹石子和基部不裂口，花纹沟底部应采用小圆弧与沟壁相切，形成向上开放的U形沟槽。花纹沟壁倾斜角度α，横向花纹为15°～20°，沟底圆弧半径R约为1～3mm。本次设计尝试突破原有形式，加深花纹沟槽，使沟槽深度h达到25mm，沟槽横截面形状为宽花纹沟，壁倾斜角α为15°，圆弧半径R为2mm，以此提升耐磨、耐扎、耐割性及抓地力等（图5、图6）。

a） b） c） d）

图5 花纹沟槽横截面形状

a）窄花纹沟 b）宽花纹沟 c）双层花纹沟 d）单边双层花纹沟

图6 花纹沟槽深度

③确定花纹槽、花纹块胎面形状及尺寸。

一是花纹槽形状及尺寸。花纹槽是指轮胎沟槽在平面上的投影轮廓，其形状及尺寸设计主要根据轮胎沟槽确定的深度和形状类型，以及轮胎行驶碎石路面的抓地力决定（图7）。

图7 花纹槽形状及尺寸

二是花纹块形状及尺寸。花纹块是指在轮胎行驶面上凸起支撑轮胎并与地接触的部分，与凹陷下缩的“花纹沟”相间形成“胎冠花纹”。花纹块的形状理论上是无限多的，其功能作用随设计形状的差异也大相径庭。本设计创新花纹块的主要目的，是解决轮胎不耐磨、不耐扎、花纹块易崩胶问题，为此设计者参照冠部花纹间距公式对轮胎花纹块间距进行重新设计：

tc——冠部花纹间距值mm；

n——花纹周节数（40～60，且为偶数）；

D——外胎外直径mm。

花纹块形状是依花纹槽形状而形成的。目前大部分工程轮胎的花纹块间距较小，达不到100mm，使轮胎材料减少，成本也随之减少，但对轮胎的耐磨性、耐扎性有影响，所以本设计将花纹块间距调整为100mm，胎冠横截距离（两胎肩间距离）为238mm（图8）。

图8 花纹块形状及尺寸

（2）设计胎肩防撞条。胎肩是胎冠两侧的边缘部位，是胎冠与胎侧连接部。胎侧是用来防止胎体受机械损伤和其他外界作用的橡胶覆盖层，它不承受大的应力，不与地面接触，一般不承受摩擦力，主要在屈挠状态下工作，因此胎侧的厚度较薄，但它能有效地承受多次屈挠应力，并有很好的耐光老化和耐臭氧老化的性能。

矿区工程运输车辆行驶在碎石路面时，时常会压过碎石，碎石块经过胎肩跳撞到轮胎侧面，日积月累造成胎侧磨损，甚至破裂。因此，根据客户的反馈和实地考察，设计者尝试在胎肩增加一条宽10mm、厚10mm的橡胶圈，称为防撞条（图9）。

图9 有防撞与无防撞条轮胎对比

（3）设计后轮胎整体外观。经过对轮胎花纹和胎侧进行重新设计后，轮胎外观与其他轮胎形成鲜明对比，其花纹沟槽独特、沟槽深度大、花纹块大、花纹间距也大，而且有防撞条（图10、图11）。

图10 工程轮胎（1100.R20）

图11 其他工程轮胎

5.轮胎试验效果

由于中国轮胎行业没有一个全国性试验场所，因此设计者选择10条新型轮胎，送到铁矿、水电建设工程、煤矿、陶瓷矿工地实际使用试验。经过三、四个月的使用对比，本轮胎适用于金属矿区、煤矿区、水电站工程建设的工程运输车辆使用，其综合性能比其他同档次的轮胎好，耐磨性、耐扎性、抓地力、花纹块耐用度均有很大提升，轮胎整体使用寿命延长。

三、创新特点及使用效果

一是设计轮胎花纹沟槽形状及尺寸，使轮胎抓地力强，易排出矿区路面碎石。

二是增大花纹块面积、花纹块间距，使胎面接地面积大、耐磨、耐扎、行驶平稳、花纹块不易崩胶。

三是胎肩增加防撞条，使轮胎压过碎石路面时，碎石能向胎肩两侧排出，保护侧胎不易被碎石撞击，避免磨损或破裂。

四是轮胎整体外观具有独特性，综合性能强，使用寿命由原来的3个月延长到4.5个月，制造成本仅比原来增加3.5%。

四、推广情况

本项目成果正式投产一年后，于2013年由校企双方三名设计者共同申请了外观设计专利。由于新型轮胎综合性能强、外观设计具有独特性，销售后，使用者反馈良好，具有较好的市场竞争优势，因此使生产厂的产量和产值逐年增长。厂方2013年产值相比2012年增长10%，预计2014年产值将增长15%。目前，本轮胎已在全国各大金属矿区、煤矿区、水电站建设工程使用，如辽宁省鞍山市铁矿区、山西省五台县煤矿区、广东省和平县陶瓷矿区等。特别是在和平县陶瓷矿区，本轮胎已成为运输车队指定使用产品。

由于轮胎外观设计的突破，全国各地矿区越来越多的工程车辆选择了该型号的轮胎，同时在校企合作共同开发产品方面，也进一步提升了学校协助企业解决技术难题的能力和地位。因此，更多企业愿意与学校合作，建立校企合作关系。我们坚信，走产学研教育教学改革之路，一定能培养出社会、行业、企业需求的高技能应用型人才。

参考文献：

[1]林礼贵.轮胎生产工艺[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]莱斯特[德].汽车轮胎研发[M].北京：机械工业出版社，2012.

（作者单位：孙名楷、刘泳生，广州市轻工技师学院；

奚君标，广州市白云区君诚橡胶轮胎厂）endprint