T155/85R18 T型备胎的设计

王海艳，吴祥鑫，姜洪旭，车明明，张飞阳

[浦林成山（山东）轮胎有限公司，山东 荣成 264300）

轿车备胎按尺寸一般可分为全尺寸备胎和非全尺寸备胎。其中非全尺寸备胎规格前面加T（Temporary的简称），故称为T型备胎，为临时使用或者应急使用的轮胎。T型备胎的宽度和质量小于正常轮胎，使用T型备胎可以降低油耗，节省车内空间，同时具有成本低、更换相对简单等优点[1-2]。

T型备胎主要用于整车配套市场，零售市场很难买到，我公司在精准感受到消费者的需求下开发该系列产品。伴随汽车市场的激烈竞争以及客户的生活水平提高，开发该产品除了满足常规性能要求外，重点关注产品的轻量化设计、气味性和耐磨性能等。

1 技术要求

根据GB/T 2978—2014《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》中关于临时使用T型备胎的要求，确定T155/85R18备胎的技术参数为：测量轮辋4T×18，充气外直径（D′） 721（716～726） mm，充气断面宽（B′） 152（147～157） mm，标准充气压力 420 kPa，标准负荷指数 115，负荷能力1 120 kg，速度级别 M[3-4]。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

主胎因为有带束层和冠带层束缚，充气后外直径一般增大2～3 mm，而T型备胎因为轻量化需求，冠部设计较薄，85及以上系列充气后外直径变化会在主胎基础上再相应增大2～3 mm。本次轮胎设计D′目标值为721 mm，根据现有工艺和以往产品设计经验，设计D为716 mm，外直径膨胀率（D′/D）为1.007。

轮胎B设计会随着合宽度每增大12.7 mm而增大5 mm。本产品B′为152 mm，考虑胎体材料、带束层材料及角度、断面高宽比及轮廓尺寸等的影响，结合以往设计经验，本次T型备胎B设计为157 mm，断面宽膨胀率（B′/B）为0.968。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h决定T型备胎接地宽度和冠部形状，决定轮胎的操纵性和耐磨性能。一般b/B′取值为0.68～0.88，为了兼顾成本、性能与轻量化，通过多轮有限元仿真分析，结合接地印痕形状和压力分布曲线，本次设计b取值为116 mm，b/B′为0.763，h为9.98 mm。

市场上窄断面宽和高扁平比的规格一般采用一段弧设计，尤其是轻型载重轮胎，但是根据新的轮廓设计理念，为了更好地控制接地印痕形状，采用两段弧及以上设计[5]。因为该规格是我公司首款备胎产品，在节省能耗和节约成本的前提下，不采用冠带层，分别采用一段弧和两段弧设计，用有限元仿真分析手段进行性能对比优化。技术方案见表1，不同负荷下的接地印痕形状见图1（充气压力为420 kPa），509和570 kg分别为车辆空载和满载时轮胎的负荷，911 kg为轮胎最大负荷的75%。

表1 胎冠弧样式及接地印痕尺寸 mm

图1 方案1—3轮胎不同负荷下的接地印痕

由表1和图1可见，相对于一段弧设计接地印痕形状中间窄两头宽，两段弧设计的接地印痕形状接近椭圆形，且比较圆整。考虑到SUV车操纵性占主导，两段弧轮廓设计不仅满足轮胎的承载能力，同时可兼顾操纵能力，因此决定采用两段弧设计。

调整两段弧的半径，通过有限元仿真分析，确定更适宜的设计参数。技术方案见表2，各方案不同负荷下的接地印痕如图2所示。

表2 轮廓半径调整

图2 方案A—E轮胎不同负荷下的接地印痕

由图2可见：在509和570 kg负荷下方案C和D轮胎的接地印痕偏圆；而在911 kg负荷下方案A和E轮胎的肩部压力过大。综合比较，方案B接地压力分布更为均匀，接地印痕形状偏矩形，最终轮廓半径调整设计参数采用方案B。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

为了使轮胎与轮辋更好地配合，d的取值不可以大于轮辋名义直径，否则会出现漏气等质量问题。同样，d的取值也不能小于轮辋名义直径很多，否则会因过盈量过大而产生轮胎装卸难的问题。结合我公司生产工艺和以往设计经验，d略小于轮辋名义直径（0.9 mm），取461.1 mm。

根据产品断面宽设计增大5 mm，着合宽度采用增大0.5英寸（12.7 mm）设计（原为4T，增大12.7 mm），即取114.3 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

根据力学分析和有限元仿真分析验证，断面水平轴的位置作为轮胎断面最宽的位置，是轮胎负荷下法向变形最大部位，水平轴向哪个方向移动，哪个方向的受力增大。轮胎冠部因未采用冠带条设计，为减小胎侧和胎肩部位受力变形，本次设计H1/H2取0.85。轮胎断面轮廓如图3所示。

图3 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

T型备胎因为行驶面比较窄，无法向主胎那样有3—4条纵沟。为平衡轻量化和保证轮胎耐磨等实车性能。为保证操纵性能和行驶安全性，本产品采用2条纵沟为主与横沟相结合的混合花纹设计。采用我公司自主研发的花纹噪声分析软件《TP3轮胎趾纹性能预报平台》进行节距优化，花纹噪声初始能量幅值由1 290.75优化到571.28，确定花纹节距排列方式，降低花纹噪声。同样为保证轮胎的抓着力，花纹饱和度设计为76.49%。胎面花纹展开如图4所示。

图4 胎面花纹展开示意

3 施工设计

3.1 胎面

在控制好炭黑分散性情况下，炭黑比表面积对胎面磨耗影响成正向关系，当然如果分散控制不好，则成反向关系。因此，在考虑节约成本及保证轮胎其他性能，同时结合密炼设备和工艺，胎面胶补强填充剂采用高耐磨炭黑，比例由75%提升到94%，以提升胎面的耐磨性能[6]。胎面胶物理性能指数对比如图5所示。

图5 胎面胶物理性能指数对比

从图5可以看出，高耐磨胶料的耐磨性能优于普通胶料，其他物理性能相近。

气味性改善主要针对气味来源，重点在胶料的生胶和助剂等方面，合成橡胶中的气味来源主要是1，3-丁二烯单体及其低聚体，天然橡胶中的气味来源主要是异戊二烯单体及其低聚体，促进剂中的气味来源主要是多环芳烃、苯、甲苯、二甲苯，苯胺都会因为测试过程中的高温而挥发，影响测试效果。改善办法为控制胎面胶和胎侧胶中挥发物的含量，在控制成本前提下尽量使用低气味原料，同时增加遮味剂。

3.2 胎体

为平衡轮胎性能与轻量化，根据公司现有产品使用帘线种类和安全倍数计算，选择单层高强度聚酯帘线1440dtex/2（28EPI），高反包设计。

3.3 带束层

根据客户对T型备胎的要求及以往设计经验，冠部采用两层带束层和无冠带条缠绕设计。

3.4 胎圈

胎圈选择直径为1.3 mm的胎圈钢丝，排列方式为4-5-4-3，六边形结构，底面较宽，使轮胎与轮辋配合更加稳固。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸和质量

轮胎外缘尺寸按照GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》测量，将轮胎安装在标准轮辋上充气测量，测得D′为720 mm，B′为153 mm，接近设计标准中值，满足内控标准要求。

轮胎质量要求为（7.730±0.232） kg。抽检10条轮胎，在电子秤上测量，质量范围为7.620～7.740 kg，平均质量为7.679 kg，满足设计要求。

4.2 强度性能

按照GB/T 4502—2016进行轮胎强度性能测试，充气压力为360 kPa，压头直径为19 mm，以（50±2.5） mm·min-1的速率加载，直至轮胎冠部被压穿，要求其最小破坏能达到295 J。测试结果显示，轮胎破坏能为449.1 J（为标准值的152.2%），满足设计要求。

4.3 脱圈阻力

按照GB/T 4502—2016进行轮胎脱圈阻力测试，充气压力为360 kPa，选取A型压块，脱圈压块水平距离为290 mm，脱圈压块以（50±2.5）mm·min-1的速率向胎侧外表面逐渐递增施加作用力。结果显示，轮胎脱圈阻力为13 132 N（为标准值的118.1%），满足国家标准要求。

4.4 高速性能

先按照GB/T 4502—2016进行轮胎高速性能测试，充气压力为420 kPa，负荷为972 kg，初始速度为90 km·h-1。完成国家标准规定程序后，每行驶10 min试验速度增大10 km·h-1，直至轮胎损坏为止。成品轮胎最高行驶速度为210 km·h-1，累计行驶时间为157 min，试验结束时轮胎胎圈起鼓，成品轮胎高速性能良好，符合国家标准要求。

4.5 耐久性能

按照GB/T 4502—2016进行轮胎耐久性试验，充气压力为360 kPa，试验速度为80 km·h-1，按照国家标准规定程序行驶34 h后，检验符合国家标准要求，轮胎外观正常，再继续按照企业标准测试，每4 h负荷增大10%，直至轮胎损坏为止。轮胎耐久性试验累计行驶时间为57.3 h，试验结束时出现胎圈裂口，符合国家标准要求。

4.6 气密性

按照ASTM F1112进行轮胎气密性测试，将轮胎安装在指定轮辋上（根据配套客户要求），充气压力为420 kPa，将两套轮胎轮辋组合体放置在温度为（21±3） ℃的环境室中90 d，系统每隔一段时间自动采集充气压力数值。试验结束后，通过以下公式计算修正后的充气压力（P）：

式中，P1为实时测量充气压力，B1为测量大气压力，T1为测量温度，T2为标准试验温度，B2为参考大气压力（101.3 kPa），P0为试验初始充气压力，β为每天固定时间间隔下测定的漏气率，t为时间。两条备胎的β分别为0.055 05%和0.057 68%，计算每个月漏气率为3 000β，故两条轮胎每月漏气率分别为1.65%和1.73%。充气压力随时间的变化趋势见图6。

图6 轮胎充气压力随时间的变化曲线

4.7 气味

根据主机厂的测试要求，在轮胎上取胎面和胎侧样品，在70 ℃高低温交变湿热实验箱中放置一段时间，取出后由7位具备主机厂认可资质的测试人员进行气味评测。最终采用低气味胶料的样品测试结果为5级，满足主机厂的要求。

4.8 耐磨性能

选择主机厂认可的第三方测试机构进行轮胎实际耐磨性能测试。具备测试路线和专业司机，测试道路为高速公路、城市道路和砂石路面（高速路/乡镇路路线长度比例为1∶3，每天运行500 km），速度不超过80 km·h-1，测试车型为SUV-吉利博越，测试轮胎安装在右前轮。负荷为满载：2 113 kg[前轴1 136 kg（554 kg/582 kg），后轴977 kg（494 kg/483 kg）]，充力压力为420 kPa。行驶3 000 km时，花纹沟深度大于1.6 mm，测量位置如图7所示，测试数据如表3所示。根据磨耗里程和剩余花纹沟深度，通过线性回归处理方式计算得出轮胎磨耗里程为13 425 km（预测磨耗里程以数值最小为基准）。

图7 测量位置示意

表3 轮胎耐磨性能测试结果

5 结论

设计开发的T155/85R18 T型备胎的充气外缘尺寸、强度性能、脱圈阻力、高速性能和耐久性能均符合相应设计要求，并通过国家强制性检验，获得了相关市场准入证书。同时轮胎的气密性、气味和耐磨性能达到主机厂要求。该产品作为我公司T型备胎首款产品，开发后可以有效节省其他规格备胎的开发周期和成本，增加我公司配套项目的机会。