275/30R20 97H冬季轎車子午線輪胎的設計

任艷萍，任會明，黃大業，李娜娜，彭 松，張曉輝

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

在冬季，寒冷地區氣溫較低，雪天路況復雜，普通輪胎抓著力急劇下降，制動性能降低，給行車安全帶來一定的隱患[1]。隨著駕駛者行車安全意識的不斷增強，越來越多的車主選擇在冬季到來之前更換冬季輪胎。冬季輪胎作為國內外增長最快的輪胎系列，已經引起各大輪胎公司的廣泛關注。

為了滿足歐洲市場需求，我公司針對冬季輪胎現狀，開發了一系列不對稱花紋冬季輪胎產品，現以275/30R20 97H冬季轎車子午線輪胎為例將產品設計情況介紹如下。

1 技術要求

根據GB/T 2978—2014《轎車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》，并結合歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO）2018，確定275/30R20 97H轎車子午線輪胎的技術參數如下：標準輪輞9 1/2J，充氣外直徑（D′） 674（669.2～678.8）mm，充氣斷面寬（B′） 278（266.9～289.1） mm，標準充氣壓力 290 kPa，標準負荷 730 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

該規格輪胎屬于低斷面輪胎，充氣后外直徑伸張大于普通輪胎，斷面寬伸張很小或收縮（比模具尺寸小），根據以往設計經驗，確定D取668.9 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.007，B取296 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）為0.939。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎使用性能的重要參數，對輪胎的接地面積、耐磨性能、操縱性能和抓著性能影響較大。根據以往設計經驗，本次設計b取247 mm，h取11.5 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d的選取應在滿足胎圈與輪輞緊密配合的同時方便輪胎的裝卸。為防止漏氣現象的發生，胎圈與輪輞采取過盈配合設計。若過盈量小，輪胎與輪輞的嵌合壓縮比小，車輛行駛過程中輪胎與輪輞易發生相對位移，導致制動力下降，嚴重的會導致車輛轉向時輪胎與輪輞脫離，發生安全事故；若過盈量大，則輪胎裝卸困難，易發生劃傷輪胎的情況，且影響胎圈的安全性能。

結合我公司設計特點，d取512 mm。為了提高胎圈部位的支撐性能和裝配性能，采用寬輪輞設計，C取267 mm。

2.4 胎面花紋

輪胎與路面的相互作用是通過胎面花紋實現的，胎面花紋的設計對輪胎性能和使用壽命影響很大，胎面花紋設計應使輪胎具有良好的耐磨性能、驅動性能、制動性能、抗濕滑性能、噪聲性能和滾動阻力性能等[2]。結合實際情況，本次設計胎面花紋采取不對稱形式，胎面左右的開溝方式不同，輪胎外側溝紋少，轉彎時能夠提供良好的抓著力；輪胎內側溝紋較多，溝槽內部階梯及塊面倒角處理可以有效地防止夾石夾雪，極大地提高了雪地及濕地安全操縱性能和制動性能，同時提供理想的牽引力和更好的加速性能。胎面中央3條寬大的主花紋溝可以有效地提高排水、排雪性能；胎肩采用較寬的花紋溝，以保證車輛的抓著力；采用較大花紋塊，可以提高輪胎的操縱性能和耐磨性能。花紋深度為8.0 mm，花紋飽和度為67%，花紋周節數為72。

胎面花紋三維效果如圖1所示。

圖1 胎面花紋三維效果示意

鋼片采用3D設計，橫向細小3D花紋溝槽可以提高輪胎的濕地行駛安全性和雪地性能。在輪胎驅動和制動時，花紋塊互鎖，可以降低輪胎的變形程度，連續性交替接觸地面有效地減小了胎面震動，從而降低輪胎噪聲。橫向花紋分割，角度統一，操縱性好，花紋節奏律動感強。鋼片溝采用深淺間隔配置，保證花紋塊有合理的剛性，從而提高操縱性能，避免掉塊現象。

鋼片效果如圖2所示。

圖2 鋼片效果示意

3 有限元仿真分析

結合本公司實際情況，根據材料分布圖的結構和尺寸以及現有可用的材料參數進行計算，應用Catia軟件進行幾何建模和有限元網格劃分，形成輪胎的三維有限元模型，如圖3所示。

圖3 輪胎三維有限元模型

因冬季輪胎高速性能和耐久性能測試的破壞位置大多是胎肩，本研究模擬接地情況，修改輪廓設計，通過減小胎肩應變能和胎肩變形來提高胎肩剛性，并增大反包高度，增強胎圈剛性。輪胎接地斷面胎肩膠料和胎圈應力分布分別如圖4和5所示。由圖4和5可以看出，輪胎的應力分布比較平緩均勻。

圖4 輪胎接地斷面胎肩膠料應力分布

圖5 輪胎接地斷面胎圈應力分布

4 施工設計

4.1 胎面

胎面采用三方四塊結構。胎面膠采用天然橡膠（NR）與低玻璃化溫度（Tg）的改性溶聚丁苯橡膠（SSBR）并用，填充高用量的高分散性白炭黑，以環保油與樹脂并用進行增塑，并加入高硬度的山核桃粉。此胎面配方采用Tg較低的NR并增大環保油和改性樹脂用量，以保證胎面膠硬度較低并減小低溫下膠料的硬度變化；使用部分樹脂替代環保油以減少小分子油在輪胎使用周期內的遷出，以此降低輪胎胎面在整個使用周期內的硬度提升程度；采用改性的SSBR中的苯乙烯嵌段可以改善濕抓著性能，雙末端改性可以提高SSBR與白炭黑的結合，以保證輪胎在冰水路面的抓著力；高分散性白炭黑在橡膠中分散更佳，相應膠料的性能更優異，高白炭黑用量可以改善輪胎濕抓著性能，且保證輪胎在極低溫度下的柔軟性。此胎面配方的創新點在于加入了球磨法高硬度山核桃粉，在微觀層面上，山核桃粉顆粒會凸出橡膠表面，產生不規則的棱角，以更好地提高輪胎在冰面和水面的抓著性能。

4.2 帶束層

采用2層帶束層＋2層0°冠帶層設計，其中帶束層采用2＋2×0.25HT鋼絲簾線，簾線角度為26°。0°冠帶層采用錦綸簾線。帶束層安全倍數為8.5，符合設計要求。

4.3 胎體和胎側

胎體采用1層1440dtex/2 DSP聚酯簾布，壓延厚度為1.1 mm，壓延密度為80根·dm-1，胎體安全倍數為13.76，符合設計要求。

胎側由兩部分膠料組成，采用上下復合擠出工藝。

4.4 胎圈

鋼絲圈采用Φ1.5 mm高強度胎圈鋼絲，排列順序為5＋6＋5＋4，共20根，鋼絲圈直徑為517.1 mm，安全倍數為3.01，符合設計要求。

4.5 成型

采用二次法成型機成型，成型鼓直徑為543 mm。帶束貼合鼓周長為1 945 mm。胎體反包高度高于斷面水平軸，以增強胎側的強度和剛性，提高耐久性能。

4.6 硫化

采用AB型膠囊硫化機硫化，硫化條件為：外溫 174 ℃，壓力 0.8 MPa，硫化時間 15 min。硫化輪胎無外觀病疵，滿足要求。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測試。安裝在測量輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力下的D′為672 mm，B′為274 mm，符合法規和設計要求。

5.2 強度性能

按照GB/T 4502—2016《轎車輪胎性能室內試驗方法》進行強度性能測試，試驗結果表明，輪胎的最小破壞能為301.6 J，符合法規和設計要求。

5.3 脫圈阻力

按照GB/T 4502—2016進行脫圈阻力性能試驗，試驗結果表明，輪胎的脫圈阻力為13 971 N，符合法規和設計要求。

5.4 耐久性能

按照GB/T 4502—2016進行耐久性試驗，充氣壓力 220 kPa，標準負荷 730 kg，速度 120 km·h-1，試驗負荷為標準負荷的100%，110%，120%時分別行駛4，6和24 h，完成標準規定步驟后，每10 h負荷增大10%，試驗累計行駛時間為84 h，試驗結束時所加負荷為標準負荷的150%，輪胎狀況為胎側裂口，結果符合設計目標。

5.5 高速性能

按照GB/T 4502—2016進行高速性能測試，充氣壓力 220 kPa，標準負荷 730 kg，完成標準規定步驟后，每行駛10 min，速度提高10 km·h-1，試驗累計行駛時間為2 h，試驗結束時速度為210 km·h-1，外胎正常，達到設計目標。

5.6 室外性能

本設計輪胎室外濕地抓著力指數為1.36，滾動噪聲聲壓級為72 dB（A），雪地抓著指數為1.14，通過歐洲經濟委員會（ECE） R117法規認證。

6 結語

此款冬季轎車子午線輪胎在設計時嚴格參照ETRTO和ECE標準，采用獨特的花紋和施工設計，符合現有生產工藝要求。成品輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能、脫圈阻力、耐久性能和高速性能符合相應的設計和國家標準要求。室外性能通過ECE R117法規認證。輪胎已經投放到歐盟市場，得到一致好評。