215/65R16C輕型載重雪地輪胎的設計

張 峰，王 君，徐 偉，劉 杰，韓 磊，馬麗華，李曉紅，孫 超

（青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266400）

歐洲各國冬天的降雪較多，為了滿足汽車行駛安全可靠，不少歐洲國家在冬天強制換裝雪地輪胎[1-3]。冬季輕型載重輪胎在行駛過程中既要保證雨雪路況有優良的排水和排雪性能，又要保證較高的磨耗里程和負荷能力，還要兼顧燃油經濟性[4-5]。

針對上述問題，我公司開發了主要在歐洲 市 場 銷 售 的215/65R16C 109/107R（簡 稱215/65R16C）輕型載重雪地輪胎，現將產品的開發情況介紹如下。

1 技術要求

參考《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO）2020》及客戶需求，確定215/65R16C輕型載重雪地輪胎的技術參數為：標準輪輞 6.5J，充氣外直徑（D′） 682（678～694） mm，充氣斷面寬（B′） 222（210～232） mm，負荷指數/速度級別 109/107R，標準充氣壓力 475 kPa，標準負荷 1 030 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

子午線輪胎的胎冠有周向不易伸張的帶束層箍緊胎體，其中半鋼子午線輪胎速度級別T級以上多采用無接頭冠帶層纏繞結構[6]，整圈纏繞的冠帶層對胎體和帶束層有比較大的箍緊作用，在標準充氣壓力下，輪胎外直徑變化不大。本設計保證成品輪胎充氣外緣尺寸滿足ETRTO要求，同時根據客戶輕量化的需求，結合我公司產品設計原則，D為682 mm，B為222 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h直接影響輪胎接地形狀、接地壓強分布的均勻性和輪胎與地面的接觸性能，也對輪胎的耐久、高速、滾動阻力、牽引、操控、制動等性能帶來重要的影響[7]。通常，b和胎圈著合寬度（C）比較接近，如果b太小，輪胎與地面的接觸面積小，磨耗性能下降；b太大，胎肩部位膠料堆積多，輪胎高速行駛時熱量不易消散，容易導致空鼓。本工作通過調整b/B和h/斷面高（H）設計行駛面，其取值范圍分別為0.7～0.85和0.02～0.06。

歐洲地區路面狀況良好，但輕型載重輪胎因負荷需求更需優異的承載、耐磨性能。根據經驗，本設計b/B取0.78，b為174 mm，h為8 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和C

d的選用應兼顧輪胎裝配便捷與著合緊密的需求。目前輪胎輪輞和胎圈均采取過盈配合，但過盈量太大，輪胎裝配困難，鋼絲圈安全倍數降低，從而造成鋼絲圈強力下降，導致鋼絲圈斷裂而造成輪胎早期損壞[8]；若過盈量太小，輪輞與胎圈配合間隙就大，輪輞與胎圈容易滑動，無法緊密配合，影響輪胎的充氣壓力，參考公司結構設計規范，d為404.2 mm。

C為輪胎外側胎踵之間的距離。一般情況下，有內胎輪胎及斜交輪胎的C均按標準輪輞寬度設計，無內胎子午線輪胎的C的設計寬度比標準輪輞寬度大[9]。近年來，由于輪胎設計更加追求扁平化，從輪胎的應力分布和工藝需求考慮，在加寬輪輞的基礎上設計C的理念已被許多研發人員使用。參考公司結構設計規范，輕型載重輪胎的C一般在標準輪輞寬度的基礎上加大0～25.4 mm（1英寸），本設計C取184 mm，比標準輪輞寬度大17.78 mm（0.7英寸）。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

子午線輪胎中，胎體變形最大的部位為斷面水平軸，如果H1/H2太小，會因應變集中導致胎圈斷裂和脫層；如果H1/H2太大，應變位置集中在胎肩，容易造成輪胎肩空或肩裂。根據經驗，本設計H1/H2取1.07。

2.5 胎面花紋

針對歐洲市場的輕型載重汽車和箱式貨車等車型設計胎面花紋，胎面花紋采用曲折縱溝和大角度橫溝的組合設計，即：采用3條折線形縱溝對稱花紋（見圖1和2），在同等輪胎外周長的情況下比直線溝槽面積更大，可提高輪胎的排水性和耐磨性能，同時減小花紋塊變形；胎肩采用2種不同的橫向溝槽，一種與鋼片相連通形成楔形溝槽，另一種采用非貫通式設計溝槽。貫通式溝槽加細小排水鋼片提高了其對冰雪的驅動力，非貫通式設計溝槽可以降低輪胎行駛過程中的泵浦噪聲和氣柱共鳴聲，胎肩兩種不同的橫溝設計兼顧了輪胎在冰雪路面的操控性和舒適性。

圖1 胎面花紋展開示意

圖2 輪胎立體花紋示意

花紋塊上采用不同類型的鋼片設計，可以提高輪胎在冰雪天氣的抓著力和制動力。密集波浪形排水鋼片設計，可以使胎面接觸到水的面積增大，更容易將水吸入輔助排水溝槽內，再通過相連的大橫溝排入主排水溝，從而提高輪胎的抗濕滑性能。

本設計花紋深度為9.5 mm，花紋飽和度為70%，花紋周節數為34個，采用S，M，L 3種變節距。

3 施工設計

3.1 胎面、胎側和三角膠

胎面是輪胎與地面直接接觸的部件，應具有良好的耐磨性能和抓著力。為適應不同的道路條件和使用需求，胎面應當選擇與之匹配的輪胎花紋[10]。胎面在提供牽引、制動、驅動等功能的同時還負責減震和排除雨雪，并且由于輪胎在地面行駛時產生相對滑動，其磨損量較大。

胎面采用胎面膠、翼膠和基部膠3種膠料組成，總寬度為234 mm，肩部寬度為180 mm，中部厚度為9 mm，肩部厚度為10.5 mm。

胎面膠采用低溫專用配方，即：天然橡膠（SMR20）、釹系順丁橡膠（BUNA CB24）和乳聚丁苯橡膠（SBR1502）相配合，以提高輪胎在濕滑路面和雪地路面的操控性；同時添加高分散性白炭黑（1165MP）與炭黑（N234）相配合，以降低輪胎的滾動阻力，保證雪地輪胎較好的耐磨性能。由于雪地輪胎的使用環境和天氣特殊，胎面膠的玻璃化溫度達到－49 ℃，大大提高了輪胎的低溫操控性。

胎側膠的首要作用是保護輪胎的胎體不被損傷，同時吸收路面沖擊力以及振動，因此要求胎側膠具有較好的耐屈撓性能和耐老化性能。

3.2 胎體

胎體是輪胎的主要支撐骨架，由單層或多層纖維簾布或鋼絲簾布組成，承擔著輪胎負荷及側向的剪切應力等。本設計采用2層1300dtex/2聚酯簾布，其中一層為高反包，簾布端點高于斷面水平軸，另一層為正包，均避開了屈撓的應力集中區域。胎體安全倍數為7.2，符合設計要求[11]。

3.3 帶束層

帶束層是子午線輪胎基部膠下的骨架結構層，沿輪胎周向鎖緊胎體簾布，具有高張力，起承擔主要負荷（70%以上）、防止刺穿胎體并緩和路面沖擊力的作用。本設計帶束層由2層2＋2×0.35HT鋼絲簾線組成，安全倍數為8.5，符合設計要求。

3.4 胎圈

胎圈主要作用是將輪胎和輪輞緊密貼合，能使輪胎緊密地扣住輪輞。本設計鋼絲圈采用Φ1.2 mm的高強度回火鋼絲，鋼絲圈單根纏繞，以六邊形排列，排列形式為3-4-5-4-3，覆膠后鋼絲直徑為1.5 mm。

3.5 成型和硫化

采用二次法成型機成型，機頭寬度按照輪胎內輪廓周長及胎體簾線的伸張率計算得到。本設計簾線伸張率為1.02，機頭寬度為381 mm。

采用B型雙模液壓硫化機硫化，硫化條件為：一次定型壓力 0.05～0.07 MPa，二次定型壓力0.08 ～0.12 MPa ，合模力 （800±200） kN，內蒸汽溫度 203 ℃，內蒸汽壓力 1.6 MPa，熱板、模套溫度 178 ℃，氮氣壓力 2.5 MPa，硫化時間 17 min。輪胎硫化結束后要盡快進行后充氣，充氣時間為34 min。

4 成品性能

4.1 室內性能

4.1.1 充氣外緣尺寸

成品輪胎充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測試。使用標準輪輞，采用標準充氣壓力，在18～36 ℃溫度下停放24 h以上測得D′為685 mm，B′為215 mm，滿足設計要求。

4.1.2 強度性能

按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行成品輪胎強度測試。試驗條件為：充氣壓力 475 kPa，壓頭直徑 19 mm，環境溫度 18～36 ℃。結果表明，試驗最后一點的破壞能為822 J，是最小破壞能（576 J）的142%，輪胎強度符合國家標準要求。

4.1.3 高速性能

按照GB/T 4501—2016進行成品輪胎高速性能試驗。試驗條件為：充氣壓力 475 kPa，負荷 927 kg（標準負荷的90%），環境溫度35～41 ℃。試驗方法為：按照（38±3） ℃的要求完成停放后，先按照試驗條件試驗1 h，之后按每10 min速度遞增10 km·h-1進行測試，直至輪胎損壞。結果表明，輪胎累計行駛時間為100 min，試驗結束時速度為210 km·h-1，輪胎破壞形式為胎肩掉塊。輪胎高速性能遠超過國家標準（60 min）和企業標準（80 min）要求。

4.1.4 耐久性能

按照GB/T 4501—2016進行成品輪胎耐久性能試驗。試驗條件為：充氣壓力 475 kPa，轉鼓速度 120 km·h-1。試驗方法為：輪胎跑完34 h（標準規定時間）停機檢查無問題后，以120 km·h-1速度、每10 h試驗負荷遞增10%進行延時試驗。結果表明，輪胎累計行駛時間為121.42 h，最大負荷率達到155%，輪胎破壞形式為胎冠花紋開裂，輪胎耐久性能超過國家標準要求。

4.1.5 剛度性能

按照GB/T 23663—2020《輪胎縱向剛性和橫向剛性》要求進行成品輪胎縱向剛度測試。充氣壓力為475 kPa，測試溫度為（25±5） ℃，在負荷率為80%，100%和120%下，測得成品輪胎的縱向剛度分別為330.91，346.07和346.89 N·mm-1。

按照GB/T 23663—2020進行輪胎橫向剛度測試。充氣壓力為475 kPa，測試溫度為（25±5） ℃，在負荷率為80%，100%和120%下，測得輪胎的橫向剛度分別為197.95，199.70和202.68 N·mm-1。

成品輪胎在（25±5） ℃下停放24 h后根據企業要求進行成品輪胎徑向剛度測試。測試條件為：充氣壓力 475 kPa，溫度 （25±5） ℃，加載速度 50 mm·min-1，傾角 0°。成品輪胎的徑向剛度試驗結果如表1所示，Fn為基準縱向力，FZ為垂直負荷。

表1 成品輪胎的徑向剛度試驗結果

成品輪胎在（25±5） ℃下停放24 h后根據企業要求進行成品輪胎扭轉剛度測試。測試條件為：充氣壓力 475 kPa，溫度 （25±5） ℃，設定扭矩 500 N·m，加載速度 2 （°）·min-1，傾角0°，最大扭轉角度 8°。成品輪胎的扭轉剛度曲線如圖3所示。

圖3 成品輪胎的扭轉剛度曲線

4.1.6 室內噪聲

按照GB/T 32789—2016《輪胎噪聲測試方法轉鼓法》進行成品輪胎室內噪聲測試。測試條件為：轉鼓直徑 1 700 mm（公差為±1%），消音室本底噪聲聲壓級 ＜35 dB（A），截止頻率 ＜100 Hz，測試氣壓 475 kPa，負荷 772.5 kg，速度80 km·h-1。試驗結果表明，輪胎平均聲壓級為97.54 dB（A），滿足設計要求。

4.2 ECE R117測試

由于215/65R16C輕型載重輪胎主要在歐洲地區使用，必須進行ECE R117法規認證測試。本工作委托第三方測試機構根據ECE R117法規要求，對輪胎的滾動阻力、濕地抓著力、雪地抓著力和室外噪聲進行測試。結果表明，輪胎滾動阻力系數為8.24 N·kN-1，達到D級；濕地抓著力為1.506，達到A級；雪地抓著力為1.21，室外通過噪聲為73 dB（A），均符合ECE R117法規設計要求。

5 結語

本設計215/65R16C輕型載重雪地輪胎的充氣外緣尺寸、強度、高速性能、耐久性能、滾動阻力、濕地抓著力、雪地抓著力和室外通過噪聲均達到相關標準和法規要求，有力提高了該產品在歐洲市場的競爭優勢。本產品投放市場后，以花紋美觀、耐磨、承載性好、雪地性能優異獲得客戶的一致好評，為我公司在歐洲市場樹立了良好的品牌形象。