225/65R17 106T ARCTIC STU99雪地轮胎的设计

杨占斌，郑 涛，刘 伟，秦怡如，黄丹丹

（山东丰源轮胎制造股份有限公司，山东 枣庄 277300）

随着国内外汽车工业的飞速发展，轮胎工业发展迅速。轮胎是汽车与地面直接接触的唯一部件，直接与行车安全相关，越来越受到车主的重视。伴随着车主的日趋年轻化，冬季自驾游成为年轻人钟爱的项目，需要为车辆装配品质优良的雪地轮胎。雪地轮胎通常在冰雪、湿滑等路面上使用，通常其胎面花纹需要有更多细小的纹路，以提高轮胎在冰雪路面上的抓着力和在潮湿雨水条件下的排水能力，降低湿地滑胎的风险，提高操控性能。

为了进一步细分市场、扩大市场份额，同时满足日益扩大的冬季自驾游客户群体的需求，我公司凭借自身不断增强的科技实力，在调查研究我国路面整体状况并进行成品轮胎性能多次反复测试验证后，推出了雪地专用ARCTIC STU99系列轮胎。现以225/65R17 106T ARCTIC STU99雪地轮胎为例，将产品设计情况简介如下。

1 技术要求

参照欧洲ETRTO 2012标准、美国TRAEDI 2012标准以及GB/T 2978—2014《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》要求[1-3]，确定225/65R17 106T ARCTIC STU99雪地轮胎的技术参数如下：标准轮辋 5.5J，充气外直径（D′） 715（710～725）mm，充气断面宽（B′） 236（230～255） mm，最大充气压力 350 kPa，最大负荷 950 kg，速度级别T。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

雪地轮胎的胎冠部位使用冠带层周向箍紧胎体，以防止此处胎体伸张，因此轮胎的外直径膨胀率（D′/D）设计得非常小，轮胎充气后外直径无太大的变化，参考以往设计经验，D取714 mm，D′/D为1.001 4。

雪地轮胎的胎体生产采用高模量低收缩聚酯帘线，胎侧胶柔软且具有较小的膨胀率，轮胎充气后，断面整体被90°低伸长高强度带束层钢丝帘线束缚，变化较小，本次设计B取237 mm，断面宽膨胀率（B′/B）为0.995 78。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

根据雪地轮胎的实际使用区间路段情况、设计的速度级别、载客情况产生的载荷等方面的使用特点，b取值较大时，可以提高轮胎整体的驱动性能和承载性能。以往的设计经验表明，h取值与b取值相关，b取值较大时，相应的h取值也较大，反之b取值较小时，相应的h取值也较小。因此可以通过优化调整b与h的取值来优化轮胎接地形状与大小，以均衡胎冠接地压力，提高轮胎的牵引性能与耐磨性能[1-3]。综合考虑，本次设计b取180 mm，h取7.5 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

轮胎结构设计时需要考虑胎圈与轮辋配合的需求，通常来讲，胎圈与轮辋之间的间隙越小，车辆整体运行效果越好；但同时应考虑到轮胎装卸的难易程度，综合考虑，本次设计d取432 mm。考虑到降低胎侧刚性、弹性增大，改善轮胎的乘坐舒适性等方面的影响因素，C取197.8 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

通常轮胎断面水平轴位于整个轮胎断面的最宽处，是轮胎在充气后法向变形最大的位置，同时也是半钢子午线轮胎胎体薄弱的地方，因此H1/H2取值对轮胎的使用性能和寿命都有很大的影响。由于雪地轮胎胎体帘线整体设计为径向排列，胎圈和钢丝圈位置的应力比较大，因此可以通过上移断面水平轴来减小下胎侧区域和胎圈部位的应力。综合考虑，H1/H2取0.986 0。

轮胎断面轮廓如图1所示。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

胎面采用ARCTIC STU99花纹，为变节距花纹，包含长型花纹M型12节、长型花纹L型10节、短型花纹S型9节，总计31个花纹周节。胎面花纹整体为4条沟槽设计，花纹具有驱动性能、散热性能、耐磨性能和操控性能好等优点，花纹深度为10.5 mm，花纹饱和度为68.25%。胎肩部位胶料采用专为冰雪路面设计的低生热胶料配方。

胎面的花纹展开示意见图2。

图2 胎面花纹

3 施工设计

3.1 胎面和胎侧

根据雪地轮胎使用的实际路况信息，胎面在施工设计时采用全分层方案，即胎面胶采用耐冰雪、湿地抓着性能好的胶料配方，同时在配方中添加碳纳米管以有效缩短轮胎在雪面和冰面上的制动距离，有利于改善车辆的操控性能和行驶安全性[4-6]；基部胶采用高缓冲胶料，以很好地释放来自胎面的应力。胎侧采用常用的双复合结构，即胎侧胶和耐磨胶结构。胎面和胎侧半部件均使用中国化学工业桂林工程有限公司生产的双复合挤出机生产，设备精度高，部件挤出尺寸稳定。

3.2 带束层

采用2层带束层加1层锦纶冠带层的结构。当轮胎在冰雪路面行驶时，冠带层可以很好地箍紧胎体，以减小轮胎胎面部位的周向变形，使轮胎整体尺寸的稳定性得到保证，同时对轮胎的抗湿滑性能和操纵性能有积极影响。冠带层为保护层，使用锦纶66帘线，为单根帘线带张力缠绕而成，有较强的箍紧作用和抗撞击性能，能够防止胎面与带束层之间发生脱层，同时又可以缓冲胎面受到的冲击力，较好地保护带束层，延长轮胎的使用寿命，有利于提高轮胎的翻新次数。1#和2#带束层均采用3×0.30HT高胶料渗透性钢丝帘线。

3.3 胎体

胎体骨架材料使用市场上流行的高模量低收缩聚酯帘线，胎体为2层设计，1#胎体帘布筒宽度为620 mm，2#胎体帘布筒宽度为480 mm，胎体帘布压延密度为105根·dm-1，胎体安全倍数为8.8。胎体聚酯帘线的渗胶性能好，胎坯硫化后胎体整体变形率小，即成品轮胎胎圈部位变形率小，不容易出现并胎圈的现象，胎圈部位的支撑能力高，有利于轮胎的装卸操作，轮胎经销商及驾乘者对此满意度均较高。

3.4 胎圈

钢丝圈采用直径为1.295 mm的镀锌铜回火高强度胎圈钢丝，胎圈钢丝经过胎圈生产设备覆胶，并成型为胎圈，单根胎圈钢丝覆胶后直径为1.60 mm，胶料的粘合性能好，不易散头，与三角胶能很好地粘合，生产工艺稳定。钢丝圈安全倍数为9.1。

3.5 成型

采用萨驰华辰机械（苏州）有限公司生产的一次法成型机成型，成型机头直径为415 mm，平宽为447 mm，胎坯成型时的预定型宽度为385 mm。该成型机的工艺参数稳定，设备程序及机械定位精度高，胎坯成型后各部位半部件贴合密实，保证了成品轮胎质量的稳定性。

3.6 硫化

采用液压硫化机、氮气硫化工艺硫化[7]，一次定型时氮气压力为（0.06±0.01） MPa，二次定型时氮气压力为（0.07±0.01） MPa，高压蒸汽压力为1.5～1.7 MPa，高压氮气压力为2.1～2.3 MPa，硫化温度为177 ℃，总硫化时间为15.5 min。与传统循环过热水硫化工艺相比，该规格轮胎采用的氮气硫化工艺可节约80%的蒸汽，具有显著的节能效果[2-3]。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

成品轮胎外缘尺寸按GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》测量。安装在标准轮辋上的轮胎在标准充气压力下的D′和B′分别为715和236 mm，均符合设计要求。

4.2 强度性能

依据Q/B QP 01—2017《轿车子午线轮胎强度试验方法》进行强度性能试验，测试轮胎的充气压力为180 kPa。结果表明，轮胎第1—4点破坏能均达到标准值，第5点破坏能为567.2 J，为标准值的192%，强度性能符合企业标准要求。

4.3 耐久性能

耐久性能按照Q/B NP 01—2017《轿车子午线轮胎耐久性能试验方法》进行测试，试验结果如表1所示。

表1 成品轮胎耐久性能

从表1可以看出，轮胎累计行驶44 h后停止试验，试验结束时轮胎目测未发生损坏，成品轮胎耐久性能达到设计和企业标准要求。

4.4 高速性能

高速性能按照Q/B GP 04—2017《轿车子午线轮胎高速性能试验方法》进行测试，试验结果如表2所示。

从表2可以看出，轮胎累计行驶1.5 h后停止试验，试验结束时轮胎目测未产生损坏，高速性能达到企业标准要求。

5 结语

225/65R17 106T ARCTIC STU99雪地轮胎的充气外缘尺寸、强度性能、高速性能和耐久性能均达到设计和企业标准要求。产品投产进入市场后得到客户的认可与好评，在提升公司知名度的同时创造了较好的经济效益。