275/30R20 97H冬季轿车子午线轮胎的设计

2020-07-19任艳萍任会明黄大业李娜娜张晓辉

轮胎工业 2020年7期

任艳萍，任会明，黄大业，李娜娜，彭松，张晓辉

（中策橡胶集团有限公司，浙江杭州 310018）

在冬季，寒冷地区气温较低，雪天路况复杂，普通轮胎抓着力急剧下降，制动性能降低，给行车安全带来一定的隐患[1]。随着驾驶者行车安全意识的不断增强，越来越多的车主选择在冬季到来之前更换冬季轮胎。冬季轮胎作为国内外增长最快的轮胎系列，已经引起各大轮胎公司的广泛关注。

为了满足欧洲市场需求，我公司针对冬季轮胎现状，开发了一系列不对称花纹冬季轮胎产品，现以275/30R20 97H冬季轿车子午线轮胎为例将产品设计情况介绍如下。

1 技术要求

根据GB/T 2978—2014《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》，并结合欧洲轮胎轮辋技术组织标准手册（ETRTO）2018，确定275/30R20 97H轿车子午线轮胎的技术参数如下：标准轮辋9 1/2J，充气外直径（D′） 674（669.2～678.8）mm，充气断面宽（B′） 278（266.9～289.1） mm，标准充气压力 290 kPa，标准负荷 730 kg。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

该规格轮胎属于低断面轮胎，充气后外直径伸张大于普通轮胎，断面宽伸张很小或收缩（比模具尺寸小），根据以往设计经验，确定D取668.9 mm，外直径膨胀率（D′/D）为1.007，B取296 mm，断面宽膨胀率（B′/B）为0.939。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h是决定轮胎使用性能的重要参数，对轮胎的接地面积、耐磨性能、操纵性能和抓着性能影响较大。根据以往设计经验，本次设计b取247 mm，h取11.5 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

d的选取应在满足胎圈与轮辋紧密配合的同时方便轮胎的装卸。为防止漏气现象的发生，胎圈与轮辋采取过盈配合设计。若过盈量小，轮胎与轮辋的嵌合压缩比小，车辆行驶过程中轮胎与轮辋易发生相对位移，导致制动力下降，严重的会导致车辆转向时轮胎与轮辋脱离，发生安全事故；若过盈量大，则轮胎装卸困难，易发生划伤轮胎的情况，且影响胎圈的安全性能。

结合我公司设计特点，d取512 mm。为了提高胎圈部位的支撑性能和装配性能，采用宽轮辋设计，C取267 mm。

2.4 胎面花纹

轮胎与路面的相互作用是通过胎面花纹实现的，胎面花纹的设计对轮胎性能和使用寿命影响很大，胎面花纹设计应使轮胎具有良好的耐磨性能、驱动性能、制动性能、抗湿滑性能、噪声性能和滚动阻力性能等[2]。结合实际情况，本次设计胎面花纹采取不对称形式，胎面左右的开沟方式不同，轮胎外侧沟纹少，转弯时能够提供良好的抓着力；轮胎内侧沟纹较多，沟槽内部阶梯及块面倒角处理可以有效地防止夹石夹雪，极大地提高了雪地及湿地安全操纵性能和制动性能，同时提供理想的牵引力和更好的加速性能。胎面中央3条宽大的主花纹沟可以有效地提高排水、排雪性能；胎肩采用较宽的花纹沟，以保证车辆的抓着力；采用较大花纹块，可以提高轮胎的操纵性能和耐磨性能。花纹深度为8.0 mm，花纹饱和度为67%，花纹周节数为72。

胎面花纹三维效果如图1所示。

图1 胎面花纹三维效果示意

钢片采用3D设计，横向细小3D花纹沟槽可以提高轮胎的湿地行驶安全性和雪地性能。在轮胎驱动和制动时，花纹块互锁，可以降低轮胎的变形程度，连续性交替接触地面有效地减小了胎面震动，从而降低轮胎噪声。横向花纹分割，角度统一，操纵性好，花纹节奏律动感强。钢片沟采用深浅间隔配置，保证花纹块有合理的刚性，从而提高操纵性能，避免掉块现象。

钢片效果如图2所示。

图2 钢片效果示意

3 有限元仿真分析

结合本公司实际情况，根据材料分布图的结构和尺寸以及现有可用的材料参数进行计算，应用Catia软件进行几何建模和有限元网格划分，形成轮胎的三维有限元模型，如图3所示。

图3 轮胎三维有限元模型

因冬季轮胎高速性能和耐久性能测试的破坏位置大多是胎肩，本研究模拟接地情况，修改轮廓设计，通过减小胎肩应变能和胎肩变形来提高胎肩刚性，并增大反包高度，增强胎圈刚性。轮胎接地断面胎肩胶料和胎圈应力分布分别如图4和5所示。由图4和5可以看出，轮胎的应力分布比较平缓均匀。

图4 轮胎接地断面胎肩胶料应力分布

图5 轮胎接地断面胎圈应力分布

4 施工设计

4.1 胎面

胎面采用三方四块结构。胎面胶采用天然橡胶（NR）与低玻璃化温度（Tg）的改性溶聚丁苯橡胶（SSBR）并用，填充高用量的高分散性白炭黑，以环保油与树脂并用进行增塑，并加入高硬度的山核桃粉。此胎面配方采用Tg较低的NR并增大环保油和改性树脂用量，以保证胎面胶硬度较低并减小低温下胶料的硬度变化；使用部分树脂替代环保油以减少小分子油在轮胎使用周期内的迁出，以此降低轮胎胎面在整个使用周期内的硬度提升程度；采用改性的SSBR中的苯乙烯嵌段可以改善湿抓着性能，双末端改性可以提高SSBR与白炭黑的结合，以保证轮胎在冰水路面的抓着力；高分散性白炭黑在橡胶中分散更佳，相应胶料的性能更优异，高白炭黑用量可以改善轮胎湿抓着性能，且保证轮胎在极低温度下的柔软性。此胎面配方的创新点在于加入了球磨法高硬度山核桃粉，在微观层面上，山核桃粉颗粒会凸出橡胶表面，产生不规则的棱角，以更好地提高轮胎在冰面和水面的抓着性能。

4.2 带束层

采用2层带束层＋2层0°冠带层设计，其中带束层采用2＋2×0.25HT钢丝帘线，帘线角度为26°。0°冠带层采用锦纶帘线。带束层安全倍数为8.5，符合设计要求。

4.3 胎体和胎侧

胎体采用1层1440dtex/2 DSP聚酯帘布，压延厚度为1.1 mm，压延密度为80根·dm-1，胎体安全倍数为13.76，符合设计要求。

胎侧由两部分胶料组成，采用上下复合挤出工艺。

4.4 胎圈

钢丝圈采用Φ1.5 mm高强度胎圈钢丝，排列顺序为5＋6＋5＋4，共20根，钢丝圈直径为517.1 mm，安全倍数为3.01，符合设计要求。

4.5 成型

采用二次法成型机成型，成型鼓直径为543 mm。带束贴合鼓周长为1 945 mm。胎体反包高度高于断面水平轴，以增强胎侧的强度和刚性，提高耐久性能。

4.6 硫化

采用AB型胶囊硫化机硫化，硫化条件为：外温 174 ℃，压力 0.8 MPa，硫化时间 15 min。硫化轮胎无外观病疵，满足要求。

5 成品性能

5.1 外缘尺寸

成品轮胎外缘尺寸按照GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行测试。安装在测量轮辋上的成品轮胎在标准充气压力下的D′为672 mm，B′为274 mm，符合法规和设计要求。

5.2 强度性能

按照GB/T 4502—2016《轿车轮胎性能室内试验方法》进行强度性能测试，试验结果表明，轮胎的最小破坏能为301.6 J，符合法规和设计要求。

5.3 脱圈阻力

按照GB/T 4502—2016进行脱圈阻力性能试验，试验结果表明，轮胎的脱圈阻力为13 971 N，符合法规和设计要求。

5.4 耐久性能

按照GB/T 4502—2016进行耐久性试验，充气压力 220 kPa，标准负荷 730 kg，速度 120 km·h-1，试验负荷为标准负荷的100%，110%，120%时分别行驶4，6和24 h，完成标准规定步骤后，每10 h负荷增大10%，试验累计行驶时间为84 h，试验结束时所加负荷为标准负荷的150%，轮胎状况为胎侧裂口，结果符合设计目标。