235/35ZR19超低断面轿车子午线轮胎的设计

2021-07-20秦艳分

轮胎工业 2021年4期

秦艳分，张典，程龙，杨哲

（中策橡胶集团有限公司，浙江杭州 310018）

随着人民生活水平的提高，消费者对轮胎性能的要求日益提高，特别是对轮胎的节油性能、操控性能和安全性能等都有了更高的要求，高性能轮胎越来越受到消费者的青睐[1-4]。为满足客户的需求，我公司在进行广泛的市场调研后，开发设计了235/35ZR19超低断面轿车子午线轮胎。

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ETRTO 2019确定235/35ZR19超低断面轿车子午线轮胎的技术参数为:标准轮辋 8.5J，充气外直径（D′） 647（642.1～651.9） mm，充气断面宽（B′） 241（231.4～250.6） mm，标准充气压力 290 kPa，标准负荷 615 kg。

2 结构设计

2.1 轮廓设计

轮廓对轮胎性能起到重要作用，轮廓设计参数的选取会影响到成品轮胎的操纵稳定性、制动性能、滚动阻力和乘坐舒适性等[5]。

在该产品的轮廓设计中，采用有限元分析方法对3种轮廓设计方案进行静负荷分析，以确定最佳设计方案。图1为方案A，B，C的轮廓对比，3个方案的轮胎外直径（D）和断面宽（B）相同。

图1 3个设计方案的轮廓对比

从图1可以看出:方案A与B的差别主要在胎肩部位；方案B与C的差别主要在胎侧和胎圈部位；方案A与C的差别主要在胎肩、胎侧和胎圈部位。

对各方案轮胎在充气压力为290 kPa、负荷为615 kg下进行仿真分析，模拟轮胎装配、充气和加载过程。

2.1.1 D′和B′

3个方案轮胎的D′仿真值均为645.6 mm，方案A和B轮胎的B′仿真值为244.2 mm，方案C轮胎的B′仿真值为246.0 mm。

根据技术要求可知，3种方案轮胎的D′符合标准要求，方案A和B轮胎的B′比方案C轮胎更接近标准值。

2.1.2 胎肩部位橡胶材料的剪应力

剪应力能够反映橡胶层与层之间的剪切破坏，其值越小越好。胎肩部位橡胶材料的剪应力分布见图2。

图2 胎肩部位橡胶材料的剪应力分布

由图2可见，方案A，B，C轮胎的胎肩部位橡胶材料的最大剪应力分别为0.637 4，0.635 9和0.716 2 MPa。因此，从剪应力分析，方案B最佳、方案A次之、方案C最差。

2.1.3 胎肩部位橡胶材料的应力

胎肩部位橡胶材料的应力分布如图3所示。

由图3可见，方案A，B，C胎肩部位橡胶材料的最大应力分别为3.821 2，2.935 5和3.094 4 MPa。因此，从胎肩部位应力分析，方案B最佳、方案C次之、方案A最差。

图3 胎肩部位橡胶材料的应力分布

2.1.4 胎圈部位橡胶材料的应力

胎圈部位橡胶材料的应力分布如图4所示。

由图4可见，方案A，B，C轮胎的胎圈部位橡胶材料的最大应力分别为2.649 0，2.416 3和2.406 1 MPa。因此，从胎圈部位应力来看，方案C最好、方案B次之、方案A最差。

图4 胎圈部位橡胶材料的应力分布

2.1.5 径向刚度

方案A，B，C轮胎的径向刚度分析结果分别为309.21，321.37和322.61 kN·m-1，由此可见，方案C径向刚度最大，承载能力最强，方案B次之，方案A最差。

2.1.6 接地压力分布

轮胎接地压力分布如图5所示。

从图5可以看出，方案A轮胎的接地印痕形状和压力分布都明显比方案B和C轮胎差，方案B与C轮胎的印痕形状相似，但方案B轮胎的接地面积比方案C轮胎大，平均接地压力比方案C轮胎小，因此方案B轮胎的接地压力分布相对较优。

图5 轮胎接地压力分布

综合上述分析可知，方案A轮胎的胎肩和胎圈部位应力最大，径向刚度最小，接地压力分布最差，首先排除方案A。方案B轮胎的优势比方案C轮胎更多，且方案C轮胎的胎肩部位剪应力和B′偏大，因此，方案B为最佳方案。

选用方案B的轮廓进行产品研发，其轮廓设计参数为:D 643 mm，B 247 mm，行驶面宽度215 mm，行驶面弧度高 8.2 mm，胎圈着合直径486.6 mm，胎圈着合宽度 228 mm，断面水平轴位置（H1/H2） 0.955。

2.2 花纹设计

花纹设计与轮胎的噪声、滚动阻力和湿地抓着力等均有密切关系，本次设计采用SA-37花纹，花纹沟深度为8 mm，花纹周节数为35（左侧）和32（右侧）。该花纹采用4条纵沟以保证排水性能，封闭式沟槽以减小胎面空气横向流动，降低噪声；左右独特的多维花纹和封闭式胎肩可降低轮胎噪声；内外不对称花纹设计，内侧细花纹沟能有效划破水膜，增大橡胶与地面的接触面积，外侧巨大胎肩花纹条设计可有效减少花纹块之间的蠕动，从而提升操控的精准性。

胎面花纹三维效果如图6所示。

图6 胎面花纹三维效果

3 施工设计

3.1 胎面

胎面胶采用高白炭黑用量配合硅烷偶联剂，高白炭黑用量胎面胶能有效划破水膜，提升轮胎抗湿滑性能，配合偶联剂能有效降低轮胎生热和滚动阻力。

3.2 带束层和胎体

根据轮胎的材料分布图设计计算出轮胎各个部件长度、宽度等胎坯成型参数。

根据强度计算，确定钢丝带束层、胎体帘布层和钢丝圈的设计参数。2层带束层均采用2＋4×0.22HT钢丝帘线，裁断角度为26°；胎体采用2层1100dtex/2DSP聚酯帘布；钢丝圈选用直径为1.3 mm的胎圈钢丝，排列方式为4×6，钢丝圈直径为492.6 mm。

3.3 成型和硫化

采用一次法成型机成型，B型液压双模定型硫化机硫化。

4 成品性能

成品轮胎的充气外缘尺寸按照GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行测量，压穿强度、脱圈阻力、高速性能、耐久性能和低气压耐久性能按照GB/T 4502—2016《轿车轮胎性能室内试验方法》进行测试，滚动阻力按照ECE R117—2016《关于轮胎滚动噪声、湿路面抓地力认证和滚动阻力的统一规定》进行测试。轮胎外缘尺寸、压穿强度和脱圈阻力的测试条件:充气压力 220 kPa，温度 30 ℃。