235/75R15 FRD78非对称花纹雪地轮胎的设计

郑 涛，杨 朔，刘 伟，黄丹丹

（1.山东丰源轮胎制造股份有限公司，山东 枣庄 277300；2.八亿橡胶有限责任公司，山东 枣庄 277800）

冬季轮胎是专为低温环境设计的，特殊的胶料配方以及针对性的轮胎胎面花纹设计可减少车辆侧滑风险，保证轮胎在雪地上使用时的牵引性能及安全性能，制动距离明显缩短。当环境温度低于7 ℃时，夏季轮胎会逐渐失去抓着能力，从而影响到车辆的稳定性和制动表现，尤其是采用后驱驱动并注重驾驶操控性的车辆在北方地区冬季低温环境中爬坡时，会因夏季轮胎地面抓着力下降而导致上坡困难并易发生侧滑现象，因此强烈建议使用后驱驱动车辆的车主在冬季及时为爱车更换冬季轮胎。

我公司在调查市场、研究我国道路整体状况及进行成品性能验证后，推出了FRD78非对称花纹系列雪地轮胎，根据UN/ECE 117法规标准，通过了芬兰Test World严苛的轮胎雪地制动性能测试，胎侧标有雪花山峰标识。现以235/75R15 FRD78非对称花纹雪地轮胎为例，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标准和GB/T 2978—2014《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》要求[1-3]，确定235/75R15 FRD78非对称花纹雪地轮胎的技术参数如下：标准轮辋6.5J，充气外直径（D′） 723（723～743） mm，充气断面宽（B′） 240（235～244） mm，最大充气压力 300 kPa，最大负荷 925 kg，速度级别 S。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

雪地轮胎充气后外直径变化不太大，D取722 mm，外直径膨胀率（D′/D）为1.001 4。胎体采用高模量低收缩聚酯帘线，轮胎充气后断面整体变化较小，本次设计B取241 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）

b取值较大时，可以提高轮胎整体的驱动性能和承载性能。根据以往的设计经验，通过调整b与h的取值来优化轮胎接地面形状与大小，以均衡胎冠接地压力，提高轮胎的牵引性能和耐磨性能[1-3]。综合考虑，本次设计b取179 mm，h取7.5 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

胎圈与轮辋通常采取过盈配合，同时应保证轮胎容易装卸，综合考虑，本次设计d取375 mm。考虑到降低胎侧刚性、增大弹性、改善轮胎的乘坐舒适性等，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是轮胎在充气后法向变形最大的位置，同时是半钢子午线轮胎胎体较薄弱的地方，因此H1/H2取值对轮胎的使用性能和寿命影响较大。由于雪地轮胎胎体帘线整体设计为径向排列，胎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0.977 29。

图1示出了轮胎断面轮廓。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

胎面采用FRD78型轮胎花纹，为变节距花纹设计，包含长型花纹M型12节、长型花纹L型11节、短型花纹S型13节，总计36个花纹周节。胎面花纹具体特点如下。

（1）4条纵向花纹沟槽设计，提供良好的抓着性能和排水性能，保证湿地驾驶的安全性。

（2）3D立体曲折刀槽花纹设计，保证花纹块刚性，提高地面抓着力，有效防止轮胎在冰雪路面上打滑。

（3）纵向曲折花纹沟设计，有效提高轮胎的牵引性能。

（4）花纹沟设计采用计算机仿真优化，可有效降低噪声。

（5）宽大的花纹块设计，有效提高轮胎在冰雪路面上的越野性能。

（6）花纹深度为9 mm，整体花纹海陆比均衡，花纹饱和度为69.18%。

胎面花纹展开示意见图2。

图2 胎面花纹展开示意

3 施工设计

3.1 胎面和胎侧

胎面采用全分层设计方案。胎面胶采用冰雪路面和湿地抓着性能好的胶料配方，使胎面胶在7 ℃以下低温环境中更柔软，增强轮胎与路面的摩擦力，提高抓着性能；配方中高活性白炭黑用量大，大幅提高轮胎的雪地性能，同时添加碳纳米管材料[4-5]，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。基部胶采用高缓冲胶料，很好地释放来自胎面的应力。胎侧采用常用的双复合结构，即胎侧胶和耐磨胶搭配的结构。胎面和胎侧半部件采用三复合挤出机挤出，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层冠带层结构，可以很好地箍紧胎体，减小胎面部位的周向变形，有利于保持轮胎整体尺寸稳定性，同时提高抗湿滑性能和操纵性能等。冠带层为保护层，由单根直径为15 mm的锦纶66帘线带张力缠绕而成，具有较强的箍紧性能和抗撞击性能，能够防止胎面与带束层之间发生脱层，起到很好的保护作用，同时又可以缓冲胎面受到的冲击力，延长成品轮胎的使用寿命，增大轮胎的翻新次数。1#和2#带束层均采用3×0.30HT高渗透性钢丝帘线。

3.3 胎体

胎体采用渗胶性能好的高模量低收缩聚酯帘线，胎体为2层设计，1#胎体帘布宽度为710 mm，2#胎体帘布宽度为540 mm，胎体帘布压延密度为105根·dm-1，胎体安全倍数为9.0。

3.4 胎圈

钢丝圈采用镀锌铜回火高强度钢丝，单根胎圈钢丝直径为1.295 mm，钢丝覆胶后直径为1.60 mm，胶料的粘合性能较好，不易散头，与三角胶能很好地粘合，生产工艺稳定。胎圈安全倍数为9.1。

3.5 成型

采用一次法成型机成型，成型机机头直径为360 mm，平宽为505 mm，胎坯成型时的预定型宽度为410 mm，工艺参数稳定，设备程序及机械定位精度高，胎坯成型后各半部件贴合密实，保证了成品轮胎质量的稳定性。

3.6 硫化

采用液压硫化机及氮气硫化工艺硫化[6-8]，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13.5 min。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

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

4.2 强度性能

强度性能按照Q/B QP 01—2017《轿车子午线轮胎强度试验方法》进行测试，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600.1 J，为标准值的203%，强度性能超过企业标准要求。

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，试验条件和结果如表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，成品轮胎耐久性能超过企业标准要求。

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。

表2 成品轮胎高速性能

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

235/75R15 FRD78非对称花纹雪地轮胎的充气外缘尺寸、强度性能、耐久性能和高速性能均达到设计和企业标准要求。产品投入市场后，以其优良的品质得到客户的认可与好评，提高了公司的知名度，创造了较好的经济效益。