215/65R16C轻型载重雪地轮胎的设计

张 峰，王 君，徐 伟，刘 杰，韩 磊，马丽华，李晓红，孙 超

（青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

欧洲各国冬天的降雪较多，为了满足汽车行驶安全可靠，不少欧洲国家在冬天强制换装雪地轮胎[1-3]。冬季轻型载重轮胎在行驶过程中既要保证雨雪路况有优良的排水和排雪性能，又要保证较高的磨耗里程和负荷能力，还要兼顾燃油经济性[4-5]。

针对上述问题，我公司开发了主要在欧洲 市 场 销 售 的215/65R16C 109/107R（简 称215/65R16C）轻型载重雪地轮胎，现将产品的开发情况介绍如下。

1 技术要求

参考《欧洲轮胎轮辋技术组织标准手册（ETRTO）2020》及客户需求，确定215/65R16C轻型载重雪地轮胎的技术参数为：标准轮辋 6.5J，充气外直径（D′） 682（678～694） mm，充气断面宽（B′） 222（210～232） mm，负荷指数/速度级别 109/107R，标准充气压力 475 kPa，标准负荷 1 030 kg。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

子午线轮胎的胎冠有周向不易伸张的带束层箍紧胎体，其中半钢子午线轮胎速度级别T级以上多采用无接头冠带层缠绕结构[6]，整圈缠绕的冠带层对胎体和带束层有比较大的箍紧作用，在标准充气压力下，轮胎外直径变化不大。本设计保证成品轮胎充气外缘尺寸满足ETRTO要求，同时根据客户轻量化的需求，结合我公司产品设计原则，D为682 mm，B为222 mm。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h直接影响轮胎接地形状、接地压强分布的均匀性和轮胎与地面的接触性能，也对轮胎的耐久、高速、滚动阻力、牵引、操控、制动等性能带来重要的影响[7]。通常，b和胎圈着合宽度（C）比较接近，如果b太小，轮胎与地面的接触面积小，磨耗性能下降；b太大，胎肩部位胶料堆积多，轮胎高速行驶时热量不易消散，容易导致空鼓。本工作通过调整b/B和h/断面高（H）设计行驶面，其取值范围分别为0.7～0.85和0.02～0.06。

欧洲地区路面状况良好，但轻型载重轮胎因负荷需求更需优异的承载、耐磨性能。根据经验，本设计b/B取0.78，b为174 mm，h为8 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和C

d的选用应兼顾轮胎装配便捷与着合紧密的需求。目前轮胎轮辋和胎圈均采取过盈配合，但过盈量太大，轮胎装配困难，钢丝圈安全倍数降低，从而造成钢丝圈强力下降，导致钢丝圈断裂而造成轮胎早期损坏[8]；若过盈量太小，轮辋与胎圈配合间隙就大，轮辋与胎圈容易滑动，无法紧密配合，影响轮胎的充气压力，参考公司结构设计规范，d为404.2 mm。

C为轮胎外侧胎踵之间的距离。一般情况下，有内胎轮胎及斜交轮胎的C均按标准轮辋宽度设计，无内胎子午线轮胎的C的设计宽度比标准轮辋宽度大[9]。近年来，由于轮胎设计更加追求扁平化，从轮胎的应力分布和工艺需求考虑，在加宽轮辋的基础上设计C的理念已被许多研发人员使用。参考公司结构设计规范，轻型载重轮胎的C一般在标准轮辋宽度的基础上加大0～25.4 mm（1英寸），本设计C取184 mm，比标准轮辋宽度大17.78 mm（0.7英寸）。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

子午线轮胎中，胎体变形最大的部位为断面水平轴，如果H1/H2太小，会因应变集中导致胎圈断裂和脱层；如果H1/H2太大，应变位置集中在胎肩，容易造成轮胎肩空或肩裂。根据经验，本设计H1/H2取1.07。

2.5 胎面花纹

针对欧洲市场的轻型载重汽车和箱式货车等车型设计胎面花纹，胎面花纹采用曲折纵沟和大角度横沟的组合设计，即：采用3条折线形纵沟对称花纹（见图1和2），在同等轮胎外周长的情况下比直线沟槽面积更大，可提高轮胎的排水性和耐磨性能，同时减小花纹块变形；胎肩采用2种不同的横向沟槽，一种与钢片相连通形成楔形沟槽，另一种采用非贯通式设计沟槽。贯通式沟槽加细小排水钢片提高了其对冰雪的驱动力，非贯通式设计沟槽可以降低轮胎行驶过程中的泵浦噪声和气柱共鸣声，胎肩两种不同的横沟设计兼顾了轮胎在冰雪路面的操控性和舒适性。

图1 胎面花纹展开示意

图2 轮胎立体花纹示意

花纹块上采用不同类型的钢片设计，可以提高轮胎在冰雪天气的抓着力和制动力。密集波浪形排水钢片设计，可以使胎面接触到水的面积增大，更容易将水吸入辅助排水沟槽内，再通过相连的大横沟排入主排水沟，从而提高轮胎的抗湿滑性能。

本设计花纹深度为9.5 mm，花纹饱和度为70%，花纹周节数为34个，采用S，M，L 3种变节距。

3 施工设计

3.1 胎面、胎侧和三角胶

胎面是轮胎与地面直接接触的部件，应具有良好的耐磨性能和抓着力。为适应不同的道路条件和使用需求，胎面应当选择与之匹配的轮胎花纹[10]。胎面在提供牵引、制动、驱动等功能的同时还负责减震和排除雨雪，并且由于轮胎在地面行驶时产生相对滑动，其磨损量较大。

胎面采用胎面胶、翼胶和基部胶3种胶料组成，总宽度为234 mm，肩部宽度为180 mm，中部厚度为9 mm，肩部厚度为10.5 mm。

胎面胶采用低温专用配方，即：天然橡胶（SMR20）、钕系顺丁橡胶（BUNA CB24）和乳聚丁苯橡胶（SBR1502）相配合，以提高轮胎在湿滑路面和雪地路面的操控性；同时添加高分散性白炭黑（1165MP）与炭黑（N234）相配合，以降低轮胎的滚动阻力，保证雪地轮胎较好的耐磨性能。由于雪地轮胎的使用环境和天气特殊，胎面胶的玻璃化温度达到－49 ℃，大大提高了轮胎的低温操控性。

胎侧胶的首要作用是保护轮胎的胎体不被损伤，同时吸收路面冲击力以及振动，因此要求胎侧胶具有较好的耐屈挠性能和耐老化性能。

3.2 胎体

胎体是轮胎的主要支撑骨架，由单层或多层纤维帘布或钢丝帘布组成，承担着轮胎负荷及侧向的剪切应力等。本设计采用2层1300dtex/2聚酯帘布，其中一层为高反包，帘布端点高于断面水平轴，另一层为正包，均避开了屈挠的应力集中区域。胎体安全倍数为7.2，符合设计要求[11]。

3.3 带束层

带束层是子午线轮胎基部胶下的骨架结构层，沿轮胎周向锁紧胎体帘布，具有高张力，起承担主要负荷（70%以上）、防止刺穿胎体并缓和路面冲击力的作用。本设计带束层由2层2＋2×0.35HT钢丝帘线组成，安全倍数为8.5，符合设计要求。

3.4 胎圈

胎圈主要作用是将轮胎和轮辋紧密贴合，能使轮胎紧密地扣住轮辋。本设计钢丝圈采用Φ1.2 mm的高强度回火钢丝，钢丝圈单根缠绕，以六边形排列，排列形式为3-4-5-4-3，覆胶后钢丝直径为1.5 mm。

3.5 成型和硫化

采用二次法成型机成型，机头宽度按照轮胎内轮廓周长及胎体帘线的伸张率计算得到。本设计帘线伸张率为1.02，机头宽度为381 mm。

采用B型双模液压硫化机硫化，硫化条件为：一次定型压力 0.05～0.07 MPa，二次定型压力0.08 ～0.12 MPa ，合模力 （800±200） kN，内蒸汽温度 203 ℃，内蒸汽压力 1.6 MPa，热板、模套温度 178 ℃，氮气压力 2.5 MPa，硫化时间 17 min。轮胎硫化结束后要尽快进行后充气，充气时间为34 min。

4 成品性能

4.1 室内性能

4.1.1 充气外缘尺寸

成品轮胎充气外缘尺寸按照GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行测试。使用标准轮辋，采用标准充气压力，在18～36 ℃温度下停放24 h以上测得D′为685 mm，B′为215 mm，满足设计要求。

4.1.2 强度性能

按照GB/T 4501—2016《载重汽车轮胎性能室内试验方法》进行成品轮胎强度测试。试验条件为：充气压力 475 kPa，压头直径 19 mm，环境温度 18～36 ℃。结果表明，试验最后一点的破坏能为822 J，是最小破坏能（576 J）的142%，轮胎强度符合国家标准要求。

4.1.3 高速性能

按照GB/T 4501—2016进行成品轮胎高速性能试验。试验条件为：充气压力 475 kPa，负荷 927 kg（标准负荷的90%），环境温度35～41 ℃。试验方法为：按照（38±3） ℃的要求完成停放后，先按照试验条件试验1 h，之后按每10 min速度递增10 km·h-1进行测试，直至轮胎损坏。结果表明，轮胎累计行驶时间为100 min，试验结束时速度为210 km·h-1，轮胎破坏形式为胎肩掉块。轮胎高速性能远超过国家标准（60 min）和企业标准（80 min）要求。

4.1.4 耐久性能

按照GB/T 4501—2016进行成品轮胎耐久性能试验。试验条件为：充气压力 475 kPa，转鼓速度 120 km·h-1。试验方法为：轮胎跑完34 h（标准规定时间）停机检查无问题后，以120 km·h-1速度、每10 h试验负荷递增10%进行延时试验。结果表明，轮胎累计行驶时间为121.42 h，最大负荷率达到155%，轮胎破坏形式为胎冠花纹开裂，轮胎耐久性能超过国家标准要求。

4.1.5 刚度性能

按照GB/T 23663—2020《轮胎纵向刚性和横向刚性》要求进行成品轮胎纵向刚度测试。充气压力为475 kPa，测试温度为（25±5） ℃，在负荷率为80%，100%和120%下，测得成品轮胎的纵向刚度分别为330.91，346.07和346.89 N·mm-1。

按照GB/T 23663—2020进行轮胎横向刚度测试。充气压力为475 kPa，测试温度为（25±5） ℃，在负荷率为80%，100%和120%下，测得轮胎的横向刚度分别为197.95，199.70和202.68 N·mm-1。

成品轮胎在（25±5） ℃下停放24 h后根据企业要求进行成品轮胎径向刚度测试。测试条件为：充气压力 475 kPa，温度 （25±5） ℃，加载速度 50 mm·min-1，倾角 0°。成品轮胎的径向刚度试验结果如表1所示，Fn为基准纵向力，FZ为垂直负荷。

表1 成品轮胎的径向刚度试验结果

成品轮胎在（25±5） ℃下停放24 h后根据企业要求进行成品轮胎扭转刚度测试。测试条件为：充气压力 475 kPa，温度 （25±5） ℃，设定扭矩 500 N·m，加载速度 2 （°）·min-1，倾角0°，最大扭转角度 8°。成品轮胎的扭转刚度曲线如图3所示。

图3 成品轮胎的扭转刚度曲线

4.1.6 室内噪声

按照GB/T 32789—2016《轮胎噪声测试方法转鼓法》进行成品轮胎室内噪声测试。测试条件为：转鼓直径 1 700 mm（公差为±1%），消音室本底噪声声压级 ＜35 dB（A），截止频率 ＜100 Hz，测试气压 475 kPa，负荷 772.5 kg，速度80 km·h-1。试验结果表明，轮胎平均声压级为97.54 dB（A），满足设计要求。

4.2 ECE R117测试

由于215/65R16C轻型载重轮胎主要在欧洲地区使用，必须进行ECE R117法规认证测试。本工作委托第三方测试机构根据ECE R117法规要求，对轮胎的滚动阻力、湿地抓着力、雪地抓着力和室外噪声进行测试。结果表明，轮胎滚动阻力系数为8.24 N·kN-1，达到D级；湿地抓着力为1.506，达到A级；雪地抓着力为1.21，室外通过噪声为73 dB（A），均符合ECE R117法规设计要求。

5 结语

本设计215/65R16C轻型载重雪地轮胎的充气外缘尺寸、强度、高速性能、耐久性能、滚动阻力、湿地抓着力、雪地抓着力和室外通过噪声均达到相关标准和法规要求，有力提高了该产品在欧洲市场的竞争优势。本产品投放市场后，以花纹美观、耐磨、承载性好、雪地性能优异获得客户的一致好评，为我公司在欧洲市场树立了良好的品牌形象。