205/55R16 FRC26高性能輪胎的設計

鄭 濤，李民軍，楊 朔，王宗環，吳洪陽，趙 江，趙 敏

（1.山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300；2.山東八億輪胎制造有限公司，山東 薛城 277500；3.空裝某部駐桂林代表室，廣西 桂林 541004；4.北京橡膠工業研究設計院有限公司，北京 100143）

輪胎通過輪輞被裝配到整車上，用以執行整車的制動和轉向等指令，同時承載負荷，輪胎的異常、突發損壞等會對駕乘者的生命安全造成影響，因此品質優良的高性能輪胎越來越受到消費者的青睞。

我公司通過綜合分析省道和高速公路等路面、路況數據，并進行有限元仿真分析、花紋噪聲分析、云數據處理等多方面的前期調研，經過結構設計、配方設計、花紋設計、施工設計及成品性能驗證后，向市場推出了FRC26花紋系列高性能輪胎，受到客戶的一致好評。現以205/55R16 FRC26高性能輪胎為例，將產品設計情況簡介如下。

1 技術要求

參照美國TRAEDI 2018、歐洲ETRTO 2018和GB/T 2978—2014《轎車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》要求，確定205/55R16 FRC26高性能輪胎的技術參數如下：標準輪輞6.5J，充氣外直徑（D′）624.5（620～644） mm，充氣斷面寬（B′）225（209～226） mm，標準充氣壓力（300±10）kPa，標準負荷 615 kg，速度級別V。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

胎體的伸張主要受胎冠部件材料的制約，高性能輪胎使用包含帶束層和冠帶條在內的冠帶層周向箍緊胎體，外直徑膨脹率（D′/D）較小，充氣后外直徑無明顯變化。本設計D取623 mm，D′/D為1.002 4。

胎體采用高模量低收縮聚酯簾線，胎側的獨特配方保證了其良好的柔韌性和耐屈撓性能，充氣后膨脹率小，高強度的鋼絲帶束層可以完美地約束胎體，B變化小。本次設計B取226 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）為0.995 58。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

根據高性能輪胎的實際使用路況、設計的速度級別、載客情況產生的載荷等使用特點，輪胎的b取值較大時，可以提高輪胎整體的驅動性能和承載性能。一般b與h有正向關系，b值減小，h值也相應地減小。通過優化調整b與h的取值，可以調節輪胎的接地面積形狀與大小，優化胎冠接地壓力，從而使高性能輪胎的牽引性能與耐磨性能相應地提高[1]。綜合考慮，b和h分別取170和9.5 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

駕乘者的滿意度往往體現在細微處，為了方便裝胎，設計者需要考慮胎圈與輪輞的配合，理論上消費者希望胎圈與輪輞間隙越小越好，這樣能帶來更優越的驅動性能；但是服務客戶的4S店往往希望輪胎裝卸方便，綜合考慮，d和C分別取400和192.8 mm，從而在降低胎側剛性的同時保障高性能輪胎的駕乘舒適性和裝配性能。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎整個斷面的最寬處，是胎體最薄弱的地方，也是輪胎充氣后法向變形最大的位置。為保證高性能輪胎的使用性能和壽命，H1/H2應合理取值。子午線輪胎的胎體簾線為90°徑向排列，子午線輪胎的應力主要集中在胎圈部位，上移斷面水平軸可以減小胎側區域和胎圈部位的應力。綜合考慮，H1/H2取0.999 8。

圖1示出了輪胎斷面輪廓。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面采用FRC26花紋，為變節距花紋設計，包括長型花紋M和L，短型花紋S，分別為17，13和17節，總計47個花紋周節。花紋行駛面設計了4條縱向排水溝槽，具備優越的排水性能，胎面內側的大角度弧形溝槽，進一步增強了排水性能，避免輪胎在雨天和濕滑路面出現側向打滑現象；寬大的胎肩花紋塊賦予胎面足夠的剛性和接地面積，同時花紋外側設計帶鋸齒直行肋條，進一步增大輪胎轉向時的接地面積，輪胎的操控性能和穩定性得到提高，具有強悍的運動性能。花紋中心和外側花紋條設計切邊式溝槽，使輪胎在高速行駛過程中不會發生花紋塊邊緣翹曲及早期異常磨損現象。花紋內側設計變深度柳葉狀仿生花紋塊，使花紋塊尖角處的異常磨損得以避免。花紋深度為7.5 mm，花紋飽和度為69.11%，整體花紋海陸比均衡。

胎面斷面及花紋展開示意見圖2。

圖2 胎面斷面及花紋展開示意

3 施工設計

3.1 胎面和胎側

胎面采用全分層設計方案。胎面膠使用白炭黑配方膠料和先進的SSM低溫一步法煉膠工藝，提升混煉膠分散效果[2-3]。胎肩部位的低生熱配方膠料使輪胎兼具優異的驅動性能、散熱性能、耐磨性能和操控性能。胎面與路面直接接觸的上層膠兼具濕地抓著性能優異和剛性好的特點，表現為車輛的行駛安全性和操控性能好；基部膠使用高緩沖膠料，可以很好地釋放車輛行駛過程中傳導過來的各種應力。胎面半部件生產使用“Φ120上/Φ200/Φ150/Φ120下”四復合擠出機組（德國特勒斯特公司產品，如圖3所示）。該設備具備溫度控制準確、精度高、擠出部件尺寸穩定等特點。

圖3 復合擠出機組示意

胎側設計為雙復合結構，胎側膠與胎圈護膠復合，使用Φ120/Φ200/Φ150三復合擠出機組擠出，胎側膠和胎圈護膠分別使用Φ200/Φ150螺桿擠出機，然后經過專用的流道、預口型配合到相應的口型板，最后擠出為合格的胎側半部件[4]。該擠出設備精度高，擠出部件尺寸穩定。

3.2 帶束層和冠帶層

采用2層鋼絲帶束層加1層錦綸66冠帶層結構，以保證輪胎的高速和耐久性能滿足設計要求。1#和2#帶束層均采用3×0.30HT高滲透性鋼絲簾線，鋼絲簾線采用意大利科美利奧公司生產的兩用壓延生產線（見圖4）兩側覆膠后壓延成鋼絲簾布，再裁斷。當高性能輪胎行駛時，帶束體系可以很好地箍緊胎體，避免輪胎的周向形變，確保輪胎尺寸穩定性好，同時正向引導輪胎的抗濕滑、操縱性能。冠帶層采用錦綸66簾線壓延而成，裁斷后單根冠帶條寬度為15 mm，成型過程中冠帶層需要帶張力纏繞到副鼓上，以有效地發揮其箍緊胎體和抗撞擊等性能，遏制胎面與帶束層脫層，同時合理過渡胎面到胎體的剛度，有效緩沖其沖擊力，使成品輪胎的使用壽命延長，有助于提高輪胎的翻新次數。

圖4 兩用壓延生產線示意

3.3 胎體

胎體骨架材料使用應用廣泛的高模量低收縮聚酯簾線，胎體部件為單層設計，胎體簾布壓延使用兩用壓延生產線，胎體簾布壓延密度為115根·dm-1，成型裁斷后的胎體簾布寬度為530 mm，胎體安全倍數為8.9。胎體簾布的滲膠性能好，經過硫化定型后，胎體整體的變形率較小，因此成品輪胎胎圈部位的變形率小、支撐性能好，不容易出現并胎圈現象。公司直營店在為客戶更換輪胎的過程中發現該輪胎裝卸操作更加順暢，在二、三級輪胎經銷商調查的過程中發現顧客對產品的滿意度提高。

3.4 胎圈

胎圈鋼絲直徑為1.295 mm，覆膠后直徑為1.60 mm，胎圈鋼絲采用回火高強度（鍍鋅銅）鋼絲，排列形式為4-5-6-5，鋼絲與膠料的粘合性能好，不易散頭。胎圈鋼絲覆膠、纏繞后與三角膠粘合良好，生產工藝穩定。胎圈安全倍數為9.2。

3.5 成型

成型使用一次法工藝，采用荷蘭VMI公司生產的VMI一次法成型機成型，程序及機械定位精度高，胎坯成型過程中各半部件貼合密實，質量穩定性得到保證。成型鼓直徑和平寬分別為383和388 mm，預定型寬度為350 mm。

3.6 硫化

硫化采用氮氣硫化工藝，與傳統過熱水循環硫化工藝相比可節約81%左右的蒸汽消耗量，節能效果顯著，綠色環保。硫化過程中側板設定溫度為177 ℃，一次定型和二次定型氮氣壓力分別為（0.06±0.01）和（0.07±0.01） MPa，高壓蒸汽壓力為1.5～1.7 MPa，高壓氮氣壓力為2.1～2.3 MPa，總硫化時間為654 s。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》測量成品輪胎外緣尺寸。安裝在標準輪輞上的輪胎在標準充氣壓力下的D′和B′分別為624.5和225 mm，均達到設計要求。

4.2 強度性能

強度性能按照Q/B QP 02—2018《強度試驗方法——轎車子午線輪胎》進行測試，輪胎充氣壓力為180 kPa，測試前輪胎需靜放3 h以上。結果表明，輪胎第1—4點破壞能均達到標準值，第5點破壞能為567.2 J，為標準值的192%，強度性能達到企業標準要求。

4.3 耐久性能

耐久性能按照Q/B NP 02—2018《耐久性能試驗方法——轎車子午線輪胎》進行測試，試驗條件和結果如表1所示。從表1可以看出，輪胎累計行駛81 h后，胎肩部位發生損壞，成品輪胎耐久性能滿足企業標準要求。

表1 成品輪胎耐久性能

4.4 高速性能

高速性能按照Q/B GP 05—2018《高速性能試驗方法——轎車子午線輪胎》進行測試，試驗結果如表2所示。從表2可以看出，輪胎累計行駛119 min后，胎肩部位發生損壞，高速性能滿足企業標準要求。

表2 成品輪胎高速性能

5 結語

205/55R16 FRC26高性能輪胎的充氣外緣尺寸、強度、高速性能和耐久性能等滿足設計和相應標準要求。該系列產品批量進入市場后，得到駕乘者及經銷商等的一致認可，客戶反饋產品性能提升，經濟效益較好。