一种越野轮胎橡胶制品的设计

孙 稷 杨洪彬 刘伟 潘存孝 李家志 李海艳

山东丰源轮胎制造股份有限公司 （山东枣庄 277300）

伴随着汽车工业的飞速发展，世界轮胎工业发展迅速。轮胎是汽车与地面直接接触的唯一部件，属于安全部件，直接与行车安全相关。因此，给自己的爱车配备合适的轮胎越来越被人们重视。当前，私家车所有者日趋年轻化，而自驾游又是年轻人钟爱的项目，因此品质优良的越野轮胎需求量越来越大。

越野轮胎通常使用在山路、泥路等路面上，胎面大多有粗壮的纹路：提升轮胎在坑洼路面上的抓地力，同时提升越野性能；降低沟槽被堵塞的几率，提升操控性能。

山东丰源轮胎制造股份有限公司作为轮胎制造商，为了进一步细分市场，扩大市场份额，同时满足日益扩大的自驾游客户群体的不同需求，凭借不断成长的科技实力，在潜心研究我国路面整体状况并进行反复测试验证后，推出了越野专用MUD HUNTER 系列轮胎。产品进入市场后，得到广大经销商及驾乘者客户的一致好评。本研究主要介绍了285/70R17 118Q MUD HUNTER 规格轮胎的设计。

1 外轮廓设计

外直径、断面宽等结构设计的技术要求：欧美标准方面，参照《欧洲轮胎轮辋标准手册（ETRTO）2012》、《美国轮胎轮辋协会工程设计手册（TRAEDI）2012》；国内标准方面，参照GB/T 2978—2008《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》[1-4]。

285/70R17 121Q MUD HUNTER 规格轮胎的技术参数最终确认为：标准轮辋RIM8.5J，充气外直径（D′）取值832 mm、充气断面宽（B′）290 mm，充气标准压力为（500±10）kPa，标准负荷为1 400 kg，设计速度级别为Q。

2 行驶面设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

在越野轮胎的胎冠部位，为防止胎体的伸张，使用冠带层周向箍紧胎体，因此轮胎的外直径膨胀率（D′/D）设计值非常小，轮胎充气后外直径无太大的变化。参考经验取值，该规格轮胎的D′设计值为832 mm，D设计值为831 mm，D′/D的值为1.001 2。胎体生产采用高模低缩的聚酯帘线，胎侧的胶料柔软且具有较小的膨胀率，轮胎充气后，断面整体被90°低伸长高强度带束层钢丝束缚，变化较小。该规格轮胎的断面膨胀率：B′设计值为290 mm，B设计值为291 mm，因此B′/B的比值约为0.996 6。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

根据实际使用区间路段情况、设计速度级别、载客时产生的载荷等，轮胎的行驶面宽度b取值较大时，可以提高轮胎成品整体的驱动性能和承载性能。弧度高h的设计值与b的设计值有关。b设计值较大时，h设计值也较大，反之，h的设计值较小。因此可以通过调整b与h的取值，优化轮胎接地面积形状与大小，用以均衡胎冠接地压力，提高轮胎的牵引性与耐磨性能[1-3]。综合考虑上述因素后，该规格轮胎的行驶面宽度b取241 mm，弧度高h取11.8 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

设计时，需要考虑胎圈与轮辋配合方面的需求。通常，胎圈与轮辋之间的间隙越小，整体运行效果越好；但在考虑运行效果的同时也要考虑客户的装卸难易程度。综合考虑后，该规格轮胎的胎圈着合直径d取430 mm；考虑到胎侧刚性降低后弹性增大，改善乘坐舒适性等，轮胎的着合宽度C取245 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

轮胎外轮廓断面水平轴位于轮胎断面的最宽处，是该规格轮胎充气后法向变形最大的位置，也是半钢子午线轮胎胎体薄弱点，因此外轮廓设计的断面水平轴位置对轮胎的使用性能和使用寿命有很大影响。由于越野轮胎胎体帘线整体设计为径向排列，因此胎圈、钢丝圈处的应力比较大。可以通过上移断面水平轴来减小轮胎下胎侧区域和胎圈部位的应力。综上考虑，该规格轮胎最后的断面水平轴位置H1/H2的设计值约为0.840 3。轮胎断面外轮廓详见图1。

图1 越野轮胎断面外轮廓示意图

2.5 胎面花纹

胎面采用MUD HUNTER 型轮胎花纹。该规格花纹为变节距花纹，包含M型9 节、L 型8 节。胎面花纹整体为3 道沟槽设计，驱动、散热、耐磨和操控等性能均较好。胎肩部位胶料使用低生热的胶料配方。胎面花纹设计深度为13.5 mm，整体花纹海陆比均衡，饱和度为66.26%。具体如图2 所示。

图2 越野轮胎胎面花纹

3 施工设计

3.1 胎面和胎侧

根据实际路况信息，轮胎胎面的面胶采用越野性、抓地性能好的胶料配方,底胶采用高缓冲胶料，很好地释放来自胎面的应力。胎侧采用双复合结构（胎侧胶和耐磨胶相搭配的结构）。胎面和胎侧半部件的生产均使用三复合挤出机，该设备具有精度高、胶部件挤出尺寸稳定等特点。

3.2 胎体部件设计

胎体骨架材料使用市场上广泛使用的高模低缩聚酯帘线，胎体为3 层设计，1#胎体宽850 mm，2#胎体宽630 mm，3#胎体宽580 mm。胎体帘布的压延密度为105，胎体安全倍数为9.1。帘线的渗胶性能好，硫化后胎体的整体变形率低。因此，成品轮胎在子口部位的变形率低，不容易出现并子口的现象；胎圈部位的支撑能力好，利于装卸。

3.3 带束层部件

胎面下的带束体系采用2 层带束层加1 层尼龙冠带层的结构，设计符合越野胎系列产品要求。当轮胎在冰雪路面行驶时，冠带层中的带束体系可以很好地箍紧胎体，以减少胎面部位的周向变形，使轮胎整体尺寸的稳定性得到保持，同时在轮胎的湿滑、操纵性等方面起到正向引导作用。冠带层为保护层，使用尼龙66 帘线（单根15 mm）带张力缠绕而成，有较强的箍紧性能和抗撞击性能，能够防止胎面与带束层之间发生脱空，起到很好的保护作用，又可以缓冲胎面受到的冲击力，较好地保护冠带层，提高成品轮胎的使用寿命，在轮胎的翻新次数提升方面有正向作用。轮胎的1#和2#带束层骨架材料均采用3×0.30HT 高渗透性钢丝帘线。

3.4 钢丝圈参数

胎圈钢丝为直径1.295 mm 的镀锌铜钢丝，回火温度高、强度大。钢丝经过胎圈生产设备覆胶并成型为胎圈。单根胎圈钢丝覆胶后直径为1.60 mm。胶料的黏合性能好，不易散头，与三角胶能很好地黏合，生产工艺稳定。钢丝圈部位的设计安全倍数为9.3。

3.5 成型工艺参数

胎胚成型使用二次法成型机（萨驰集团），成型方式为冠盖侧（TOS）。该设备机头直径为460 mm、宽度为540 mm，胎胚成型时的预定型宽度为520 mm。萨驰二次法成型机在工艺参数设定后稳定性良好，程序及机械定位精度高，胎胚成型后各部位的半部件贴合密实，保证了终产品质量的稳定性。

3.6 硫化参数

胎胚采用氮气硫化工艺。一次定型氮气压力为（0.06±0.01）MPa，二次定型氮气压力为（0.10±0.01）MPa，高压蒸汽压力为1.5～1.7 MPa，高压氮气压力为2.1～2.3 MPa；全过程硫化时间为21.8 min，温度为178 ℃。与传统循环过热水硫化工艺相比，氮气硫化可节约80%左右的蒸汽，节能效果显著[5-10]。

4 成品轮胎的性能

4.1 轮胎的外缘尺寸

依据国标GB/T 521—2012 测试轮胎产品，测试准备：（1）充气前，在18～36 ℃下停放3 h 以上；（2）安装于标准轮辋上；（3）轮胎充气至规定的压力后，在18～36 ℃下停放24 h 以上；（4）测量前对停放后的轮胎进行气压测定，调整至规定气压，停放15 min后立即对充气压力进行确认并进行测量。

测试方法：（1）用金属卷尺沿胎冠中心线或靠近中心线最高处绕轮胎一周，测量外周长。（2）选取没有标志、装饰线和防擦线的胎侧部位，用游标卡尺或卡钳，在轮胎圆周约四等分处测量4 点的断面宽度（见图3），取整数。若不能避免测量时包括标志、装饰线和防擦线，应将测量值减去由此增加的宽度。（3）在标准气压下测试轮胎外缘尺寸。轮胎的D′和B′分别为835 和292 mm，符合设计要求。

图3 轮胎尺寸测量示意图

4.2 轮胎的强度性能

产品强度性能测试依据Q/B QP 01—2017《轿车子午线轮胎强度试验方法》。测试准备：（1）将轮胎安装在试验轮辋上，充气至规定的压力；（2）轮胎轮辋组合体在18～36 ℃下停放3 h 以上；（3）沿轮胎外周长确定5 个大致等间距分布的试验点，逐一做标记、编号。测试方法：（1）将校正气压后的轮胎轮辋组合体固定在强度试验机上，逐一进行试验；（2）压头（19 mm+0.5 mm，半球形）应垂直于胎面，压在尽可能靠近胎面圆周中心线的花纹块上，并避免压入花纹沟中；（3）压头以50 mm/min+2.5 mm/min 的速率向轮胎胎冠递增地施加作用力（F），至胎冠被压穿或达到规定的最小破坏能值，然后转入下一个点，试验前校正气压；（4）第1 点、第2 点、第3 点、第4 点按照规定测量，第5 点要求压头施加作用力至轮胎胎冠被压穿或者压头因触及轮辋无法继续移动为止；（5）测量并记录压头在每个试验点停止移动瞬间的作用力（D）和压入深度（行程p）；（6）凡因触及轮辋压头无法继续移动而轮胎尚未被刺字，该试验点视为通过试验，并在试验报告中注明“触及轮辋未穿”；（7）用式(1)计算出各试验点的破坏能（H0），同时在试验报告中注明各试验点“未穿”或“已穿”。

式中：W为破坏能，J；F为作用力，N；p为行程，mm。

测试轮胎的充气压力为180 kPa；破坏能测试的第1～第4 点，都达到标准值，第5 点破坏能为599.5 J，超过标准值，折算为标准值的203%。成品轮胎强度性能测试达到研发标准，高于国家标准要求。

4.3 成品轮胎的耐久性能

越野轮胎产品的耐久性能测试依据Q/B NP 01—2017《轿车子午线轮胎耐久性能试验方法》，测试轮胎的充气压力为180 kPa，结果如表1 所示。由表1 可以看出，在耐久性能测试中，轮胎累计行驶44 h 后停止试验，目测未产生损坏。成品轮胎耐久性能测试时间符合标准要求。

表1 成品轮胎耐久性能试验结果

4.4 成品轮胎的高速性能

轮胎的高速性能检测依据Q/B GP 04—2017《轿车子午线轮胎高速性能试验方法》，测试轮胎的充气压力为260 kPa，结果如表2 所示。在高速性能测试中，累计行驶90 min 后停止试验，目测轮胎未产生损坏，高速性能测试时间符合标准要求。

表2 成品轮胎高速性能试验结果

5 结论

285/70R17 118Q MUD HUNTER 规格半钢子午线越野轮胎经过检测验证，其充气后的外缘尺寸、压穿强度性能、高速性能和耐久性能均达到研发设计的标准要求，高于国家标准要求。MUD HUNTER 系列产品投入市场后，受众反馈该产品优于以往产品。该产品得到客户的认可与好评，在提升公司知名度的同时，创造了较好的经济效益。