245/45R18 96H FRD78非对称雪地轮胎的设计

李海艳，吴洪阳，王宗环，王树举

(1.山东丰源轮胎制造股份有限公司，山东 枣庄 277300;2.山东八亿轮胎制造有限公司，山东 薛城 277800)

0 前言

轮胎通过轮辋被装配到整车上，用以执行整车的制动、转向等指令，同时需要承载整车及其驾乘者的的重量，其重要性毋庸置疑，由于轮胎的异常、突发等损坏会对驾乘者的生命安全造成影响，因此国际汽车工作组IATF机构将轮胎列入安全部件的行列。IATF由世界上主要的汽车制造商及协会成立，称为国际汽车工作组（International Automotive Task Force，简称IATF)，该机构包含，通用、宝马、克莱斯勒、戴姆勒、标致、菲亚特、福特、雷诺和大众9家整车厂；以及英国汽车制造与贸易商协会（SMMT），美国国际汽车监督局（IAOB），意大利汽车制造商协会（ANFIA），法国车辆设备工业联盟（FIEV）和德国汽车工业协会-质量管理中心（VDAQMC）5个国家的监督机构。

丰源轮胎通过综合分析冰雪路面、路况的具体数据，而后进行有限元仿真分析，花纹噪声分析、云数据处理等多方面的前期调研，经过结构设计、配方设计、花纹设计、施工设计及成品性能验证后研发出一款FRD78花纹轮胎，该系轮胎可满足私家车所有者群体冬季自驾游、欣赏美丽的雪景的需求。

其花纹提点如下：胎面花纹有更多细小的纹路，用以提升轮胎在冰雪路面上的抓地力，湿抓能力强；提升排水能力，用以应对雨水及潮湿路况，提升操控性能的同时保证安全性能。

本文以245/45R18 96H 规格FRD78花纹轮胎为例，进行设计探讨如下：

1 参照标准及外轮廓参数

参照标准：轮毂标准欧洲ETRTO 2015、轮辋工程手册美国TRAEDI 2015、中国轮胎轮辋气门嘴标准年鉴2019、GB/T2978—2008[1～3]。245/45R18 96H规格参数设计为：标准RIM 8.0J轮辋，充气状态下的外直径（D′）和断面宽（B′）分别设计为664 mm和254 mm；设计速度级别H、充气压力300±10 kPa、负荷710 kg。

2 外轮廓——行驶面

2.1 外直径（D）和 断面宽（B）

胎体的伸张主要受胎冠相应部件材料的制约，非对称花纹雪地轮胎使用包含带束层、冠带条在内的冠带层周向箍紧胎体，外直径膨胀率（D′/D）较小，充气外直径无明显的变化，D′和D分别设计为664 mm、663 mm，D′/D≈1.0015；胎体使用的聚酯帘线为高模低缩材料，胎侧的独特配方保证了其柔韧性和耐屈挠性能，膨胀小；轮胎充气后,因其子午线轮胎90设计，高强度带束层钢丝可完美约束胎体，变化小；因此B′和B设计值为253 mm、254 mm，B′/B≈0.996 1。

2.2 行驶面宽（b）和弧高（h）

通过综合分析冰雪等路面、路况的具体数据，非对称花纹雪地轮胎设计时如果行驶面宽度b取值较大，则整体的驱动性能和承载性能可以提高；一般来讲，行驶面宽度b与弧度高h有正向比值关系，b值变小，h值也相应的减小。通过优化调整b与h的取值，可以调节非对称花纹雪地轮胎的接地面积形状与大小，优化胎冠接地压力，非对称花纹雪地轮胎的牵引性与耐磨性相应的提高。综合上所述，非对称花纹雪地轮胎的行驶面宽度b和弧度高h分别设计为210 mm、6.9 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C ）

驾乘者的满意度往往体现在细微处，为了方便装胎，设计者需要考虑胎圈与轮辋的配合，理论上大家都希望胎圈与轮辋间隙越小越好，这样能带来更优越的驱动性能；但是服务客户的4S店往往希望装卸方便，通盘思量后，非对称花纹雪地轮胎胎圈着合直径d、着合宽度C分别设计为456 mm、224 mm，这样在降低胎侧刚性的同时非对称花纹雪地轮胎驾乘的舒适性也得到了保障，也保证了装配性能。

2.4 断面水平轴（H1/H2）

从轮廓图上看，非对称花纹雪地轮胎的断面水平轴位于整个断面的最宽处，是整个侧部胎体最薄弱的地方，在充气后是法向变形最大的位置，如果要保证非对称花纹雪地轮胎的使用性能和寿命需要通盘考虑断面水平轴位置，子午线轮胎的胎体帘线为90°径向排列，子午线轮胎的应力主要集中在胎圈、钢丝圈这两处，如果想来减小胎侧区域、胎圈部位的应力，可以考虑上移断面水平轴。245/45R18 96H规格轮断面水平轴位置H1/H2≈0.999 7。非对称花纹雪地轮胎245/45R18 96H外轮廓详见图1。

图1 非对称花纹雪地轮胎断面外轮廓示意图

2.5 花纹节距及花型

FRD78花纹，为变节距花纹设计，整体包括长型花纹Q和h，短型花纹Y，分别为10节、8节、10节，花纹总计包含28节。花纹行驶面设计了4道沟槽，独特的花纹搭配胎肩部位的低生热配方使轮胎兼具优异的驱动性、散热性、耐磨性和操控性。FRD78花纹花纹深度8.6 mm，饱和度68.86%，整体花纹海陆比均衡。专为冰雪路面特点设计的花纹样图如图2所示。

图2 非对称花纹雪地轮胎胎面花纹示意图

3 胎面及胎侧等施工设计

3.1 挤出部件胎面和胎侧的设计

根据非对称花纹雪地轮胎匹配车辆行驶的实际路况信息，施工设计时，胎面部件采用全分层方案。胎面胶使用先进的SSM低温一步法炼胶工艺，提升混炼胶分散效果[1]该方案中，胎面部件与路面直接接触的面胶的配方兼具湿地抓着性能优和刚性好的特点,体现为车辆的行驶安全性和操控性能好,胎面的基部胶使用高缓冲胶料，可以很好的释放车辆行驶过程中接受到胎面传导过来的各种应力。胎面半部件生产使用的四复合挤出生产线为“Φ120上/Φ200/Φ150/Φ120下”复合挤出机组，其生产厂家为“德国特勒斯特”，该设备具备温控准、精度高，挤出部件尺寸稳定等特点。

非对称花纹雪地轮胎的胎侧设计为双复合结构，是胎侧胶和胎圈护胶复合相搭配的结构,使用三复合挤出线为Φ120/Φ200/Φ150复合挤出机组，胎侧胶和胎圈护胶分别使用Φ200/Φ150螺杆挤出，然后经过专用的流道、预口型配合到相应的口型板，最后挤出为合格的胎侧半部件[2]，胎侧半部件生产使用三复合挤出机的生产厂家“化工部桂林橡胶工业设计研究院”，该设备具备精度高，胶部件挤出尺寸稳定等特点。

3.2 轮胎的胎体部件设计

非对称花纹雪地轮胎的骨架材料胎体,使用市面上应用广泛的高模低缩聚酯帘线，胎体部件为单层设计，胎体帘布压延生产使用的是意大利进口科美利奥公司生产的两用压延生产线，胎体为2层设计，1#胎体宽度530 mm，2#胎体宽度430 mm，胎体帘布设计的压延密度为105，胎体设计的安全倍数为9.1。胎体帘布的渗胶性能好，经过硫化定型后，胎体整体的变形率较低，因此成品的非对称花纹雪地轮胎胎圈部位的变形率低、支撑性能好，不容易出现并子口的现象，公司主打的直营店在为客户更换轮胎的过程中发现装卸操作更佳顺畅，在二、三级轮胎经销商调查的过程中发现顾客的满意度也得到提高。

3.3 轮胎的带束层部件设计

非对称花纹雪地轮胎胎面下的冠带层体系设计为2层带束层+1层尼龙结构，可保证其高速、耐久性能满足设计标准。1#和2#带束层均采用3×0.30HT高渗透性钢丝，钢丝经过意大利进口科美利奥公司生产的两用压延生产线两侧覆胶后，压延成钢丝帘布，后裁断为带束层部件；当非对称花纹雪地轮胎行驶时，冠带层中的带束体系可以很好的箍紧胎体，避免轮胎胎面的周向形变，尺寸稳定性好，同时正向引导轮胎的湿滑、操纵性能。冠带材料为尼龙66帘线压延而成，裁断后单根宽度15 mm,成型的过程中需要带张力缠绕到副鼓上，可有效的发挥其箍紧、抗撞击等性能，胎面与带束层脱空的病象得到遏制，同时合理过度胎面到胎体的刚度，有效缓冲其冲击力，保护冠带层，成品轮胎的使用寿命提高，在提升翻新次数方面，起到正向作用。

3.4 轮胎的钢丝圈部件设计

非对称花纹雪地轮胎使用的大业胎圈钢丝直径为1.295 mm，覆胶后直径为1.60 mm，胎圈钢丝回火高强度（镀锌铜），胶料的粘合性能好，不易散头，排列形式为4-5-6-5-4，安全倍数设计为9.2。胎圈钢丝覆胶后缠绕后与三角胶良好黏合，生产工艺稳定。

3.5 轮胎的成型工艺参数设计

非对称花纹雪地轮胎成型过程使用的是一次法工艺，设备厂家荷兰VMI，荷兰VMI一次法成型机程序及机械定位精度高，胎胚成型过程中各半部件贴合密实，质量的稳定性有保证；成型参数设计如下：成型方式TOS,成型鼓直径及平宽分别为430 mm、405 mm，预定型宽度设计为365 mm。

3.6 轮胎的硫化参数设计

非对称花纹雪地轮胎的硫化工艺是氮气硫化与传统过热水循环硫化工艺相比可节约79%左右的蒸汽消耗，节能效果显著，绿色环保。硫化过程中侧板设定温度178 ℃，一次定型氮气压力、二次定型时的氮气压力分别为0.06±0.01 MPa、0.07±0.01 MPa，进高压蒸汽的压力1.5～1.7 MPa，进高压氮气压力为2.1～2.3 MPa，非对称花纹雪地轮胎硫化时间744 s。

4 非对称花纹雪地轮胎的安全性能

4.1 非对称花纹雪地轮胎的外缘尺寸

非对称花纹雪地轮胎产品，测试依据国家标准GB/T 521—2012，首先将非对称花纹雪地轮胎安装于标准轮辋，充气至标准气压，然后下测量其外缘尺寸，数据显示非对称花纹雪地轮胎的D′为664 mm、数据显示非对称花纹雪地轮胎的B′为254 mm，结果均达到设计标准。

4.2 非对称花纹雪地轮胎的强度性能

非对称花纹雪地轮胎产品强度性能测试，依据Q/B QP 02—2018《强度试验方法——轿车子午线轮胎》，测试过程中轮胎充气压力为180 kPa，测试前需静止停放3 h以上，产品测试后数据显示，第1～第4点破坏能达到标准值，第五点破坏能数值为591.3 J，是标准值的2倍；非对称花纹雪地轮胎强度性能达到研发标准要求。

4.3 非对称花纹雪地轮胎的耐久性能

测试依据Q/B NP 02-2018 《耐久性能试验方法——轿车子午线轮胎》，待测试轮胎的充气压力为180 kPa，测试条件及步续如表1所示。

表1 非对称花纹雪地轮胎耐久性能测试

从表1可以看出，非对称花纹雪地轮胎累计行驶 80 h后，胎肩部位发生损坏，停止试验，成品轮胎耐久性能达到设计要求，满足企业标准要求。

4.4 非对称花纹雪地轮胎的高速性能

非对称花纹雪地轮胎产品的高速性能，检测依据企业标准Q/B GP 05—2018《高速性能试验方法——轿车子午线轮胎》，待测试轮胎的充气压力为280 kPa 。

从表2可以看出，非对称花纹雪地轮胎累计行驶118 min后，胎肩部位发生损坏，停止试验，轮胎高速性能达到设计要求，满足企业标准要求。

表2 非对称花纹雪地轮胎高速性能测试

5 结论

综上所述，245/45R18 96H 规格半钢子午线非对称花纹雪地轮胎，经过检测验证，其充气后的外缘尺寸、压穿强度性能、高速性能和耐久性能均达到研发设计的标准要求。FRD78系列轮胎产品在投产进入市场以后，受众的广大司机朋友，在使用后一直反馈，优于以往产品。