205/55R16 FRC26高性能輪胎的設(shè)計

鄭 濤，李民軍，楊 朔，王宗環(huán)，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(yè)研究設(shè)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(zhí)行整車的制動和轉(zhuǎn)向等指令，同時承載負荷，輪胎的異常、突發(fā)損壞等會對駕乘者的生命安全造成影響，因此品質(zhì)優(yōu)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(shù)據(jù)，并進行有限元仿真分析、花紋噪聲分析、云數(shù)據(jù)處理等多方面的前期調(diào)研，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計、配方設(shè)計、花紋設(shè)計、施工設(shè)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(xiàn)以205/55R16 FRC26高性能輪胎為例，將產(chǎn)品設(shè)計情況簡介如下。

1 技術(shù)要求

參照美國TRAEDI 2018、歐洲ETRTO 2018和GB/T 2978—2014《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負荷》要求，確定205/55R16 FRC26高性能輪胎的技術(shù)參數(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)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(shè)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(cè)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(shè)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(jù)高性能輪胎的實際使用路況、設(shè)計的速度級別、載客情況產(chǎn)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(qū)動性能和承載性能。一般b與h有正向關(guān)系，b值減小，h值也相應(yīng)地減小。通過優(yōu)化調(diào)整b與h的取值，可以調(diào)節(jié)輪胎的接地面積形狀與大小，優(yōu)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(yīng)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(xiàn)在細微處，為了方便裝胎，設(shè)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(yōu)越的驅(qū)動性能；但是服務(wù)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(cè)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(yīng)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(yīng)力主要集中在胎圈部位，上移斷面水平軸可以減小胎側(cè)區(qū)域和胎圈部位的應(yīng)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(jié)距花紋設(shè)計，包括長型花紋M和L，短型花紋S，分別為17，13和17節(jié)，總計47個花紋周節(jié)?；y行駛面設(shè)計了4條縱向排水溝槽，具備優(yōu)越的排水性能，胎面內(nèi)側(cè)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(xiàn)側(cè)向打滑現(xiàn)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(cè)設(shè)計帶鋸齒直行肋條，進一步增大輪胎轉(zhuǎn)向時的接地面積，輪胎的操控性能和穩(wěn)定性得到提高，具有強悍的運動性能?；y中心和外側(cè)花紋條設(shè)計切邊式溝槽，使輪胎在高速行駛過程中不會發(fā)生花紋塊邊緣翹曲及早期異常磨損現(xiàn)象?；y內(nèi)側(cè)設(shè)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?；y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(shè)計

3.1 胎面和胎側(cè)

胎面采用全分層設(shè)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(yōu)異的驅(qū)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(yōu)異和剛性好的特點，表現(xiàn)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(dǎo)過來的各種應(yīng)力。胎面半部件生產(chǎn)使用“Φ120上/Φ200/Φ150/Φ120下”四復(fù)合擠出機組（德國特勒斯特公司產(chǎn)品，如圖3所示）。該設(shè)備具備溫度控制準確、精度高、擠出部件尺寸穩(wěn)定等特點。

圖3 復(fù)合擠出機組示意

胎側(cè)設(shè)計為雙復(fù)合結(jié)構(gòu)，胎側(cè)膠與胎圈護膠復(fù)合，使用Φ120/Φ200/Φ150三復(fù)合擠出機組擠出，胎側(cè)膠和胎圈護膠分別使用Φ200/Φ150螺桿擠出機，然后經(jīng)過專用的流道、預(yù)口型配合到相應(yīng)的口型板，最后擠出為合格的胎側(cè)半部件[4]。該擠出設(shè)備精度高，擠出部件尺寸穩(wěn)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(jié)構(gòu)，以保證輪胎的高速和耐久性能滿足設(shè)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(chǎn)的兩用壓延生產(chǎn)線（見圖4）兩側(cè)覆膠后壓延成鋼絲簾布，再裁斷。當(dāng)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(wěn)定性好，同時正向引導(dǎo)輪胎的抗?jié)窕⒉倏v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(fā)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(shù)。

圖4 兩用壓延生產(chǎn)線示意

3.3 胎體

胎體骨架材料使用應(yīng)用廣泛的高模量低收縮聚酯簾線，胎體部件為單層設(shè)計，胎體簾布壓延使用兩用壓延生產(chǎn)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(shù)為8.9。胎體簾布的滲膠性能好，經(jīng)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(xiàn)并胎圈現(xiàn)象。公司直營店在為客戶更換輪胎的過程中發(fā)現(xiàn)該輪胎裝卸操作更加順暢，在二、三級輪胎經(jīng)銷商調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)顧客對產(chǎn)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(chǎn)工藝穩(wěn)定。胎圈安全倍數(shù)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(chǎn)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(zhì)量穩(wěn)定性得到保證。成型鼓直徑和平寬分別為383和388 mm，預(yù)定型寬度為350 mm。

3.6 硫化

硫化采用氮氣硫化工藝，與傳統(tǒng)過熱水循環(huán)硫化工藝相比可節(jié)約81%左右的蒸汽消耗量，節(jié)能效果顯著，綠色環(huán)保。硫化過程中側(cè)板設(shè)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(shè)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(jié)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(yè)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(jié)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(fā)生損壞，成品輪胎耐久性能滿足企業(yè)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(jié)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(fā)生損壞，高速性能滿足企業(yè)標準要求。

表2 成品輪胎高速性能

5 結(jié)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(shè)計和相應(yīng)標準要求。該系列產(chǎn)品批量進入市場后，得到駕乘者及經(jīng)銷商等的一致認可，客戶反饋產(chǎn)品性能提升，經(jīng)濟效益較好。