195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎的設計

呂福秋，廉 旭，王勸勸

[中策橡膠（建德）有限公司，浙江 建德 311607]

隨著城鄉道路建設的迅速發展，用戶對輕型載重輪胎的使用壽命、高速性能、節油性能等要求越來越高，另外汽車配套廠對輪胎的輕量化、低滾動阻力等方面性能也越來越重視[1-3]。據了解，目前輕型載重車輛使用的195/70R15輪胎均為半鋼子午線輪胎，半鋼結構因骨架材料等自身條件限制，產品使用過程中易出現胎面脫層問題。

為了解決胎面脫層問題，同時滿足配套廠和客戶的特殊需求，我公司開發了195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎，現將設計概況介紹如下。

1 產品定位及設計標準

195/70R15 12PR輪胎針對配套主機廠開發，預計年總需求15萬套，車型主要有廂式小型貨車和小型物流卡車，車輛總質量在4 t左右，實際最大載質量為5 t，路面為綜合路面，正常行駛速度為90～120 km·h-1，設計要求輪胎質量和成本分別比同規格半鋼子午線輪胎低0.5 kg和6%。根據GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》，確定195/70R15全鋼子午線輪胎設計參數[3-4]為：層級 12PR，負荷指數 109/105，速度級別 R，標準輪輞 6J，單胎負荷 1 030 kg，雙胎負荷 925 kg，充氣壓力 650 kPa，充氣外直徑（D′） 655（647～663） mm，充氣斷面寬（B′）201（193～211） mm。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

半鋼子午線輪胎因胎體骨架材料強度較小，使用后期會出現“大肚子”現象，對于后輪雙胎并裝的車輛，需避免使用中后期出現并胎問題。另外，本設計還要考慮輕量化，因此D′和B′均設計為國家標準下限值。根據我公司生產工藝狀況及同系列產品的設計經驗，本次設計外直徑膨脹率（D′/D）取1.005，則D為651 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）取0.966（B′取200 mm），B為207 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h的取值決定了輪胎冠部輪廓形狀，影響輪胎的接地印痕形狀和壓力分布、使用壽命、操縱穩定性能及耐磨性能。經有限元模擬分析，b適當增大、h適當減小可增大輪胎接地面積，提高輪胎的耐磨性能。本次設計b取150 mm，h取6.7 mm，b/B為0.724 6。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

根據半鋼子午線輪胎的市場使用特點，胎圈部位極少損壞，因此胎圈部位設計無需加強，主要從無內胎輪胎的保氣性和裝配性考慮[5]。為防止胎圈與輪輞配合出現漏氣、脫圈及滑移等問題，d取值適當減小，胎趾傾斜角度采用分段式設計，分別取10°和20°，同時考慮輪胎裝卸的難易程度，本次設計采用胎圈與輪輞過盈配合，過盈量為2.8 mm，d取379 mm；C取值過小易出現漏氣問題，且C取值會影響B′，根據同規格產品的設計經驗，C取178 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位置是輪胎在負荷作用下變形量最大的部位，H1/H2設計偏小會造成下胎側早期損壞，設計偏大會造成胎冠早期損壞。市場調查發現，原半鋼子午線輪胎使用過程中存在胎面脫層問題，因此本設計斷面水平軸位置適當偏低，H1/H2取0.942 9，使斷面水平軸上下部位受力均勻。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

2.5 花紋設計

胎面采用4條溝變節距縱向花紋設計，防止輪胎與車輛同頻共振；為提高輪胎的美觀性和排水性能，冠部花紋塊采用多鋼片設計；為改善散熱性，肩部采用大圓弧設計，同時肩部花紋塊采用粗鋼片設計?；y深度為8.5 mm，花紋飽和度為71.4%，花紋周節數為30?；y溝采用變角度設計，防止惡劣路況條件下花紋夾石子造成花紋溝底裂。

胎面花紋展開如圖2所示，實體輪胎花紋如圖3所示。

圖3 實體輪胎花紋

3 施工設計

3.1 胎面和胎側

胎面采用胎面膠、基部膠、翼膠三復合擠出，機外再與緩沖膠片復合，胎側采用耐磨膠、胎側膠、緩沖膠三復合擠出。胎面膠采用低滾動阻力、高耐磨配方，基部膠采用低生熱配方，胎側膠采用耐老化配方。

3.2 帶束層/冠帶層

1#和2#帶束層采用3＋8×0.23HT鋼絲簾線，簾布裁斷角度均為26°。在2層帶束層之上還有2層冠帶層，冠帶層的作用是使帶束層應力和接地壓力均勻分布，增大輪胎接地印痕的矩形因數，有效改善冠部變形大的問題，同時大幅延長輪胎單位磨耗里程，提高輪胎的耐久性能，延長輪胎的使用壽命，降低輪胎的滾動阻力，冠帶層采用電子預硫化1670dtex/2 DSP聚酯簾布0°纏繞，帶束層安全倍數為7.4。

3.3 胎體

胎體采用3×0.22/9×0.20 CCHT鋼絲簾線，簾布壓延厚度為1.7 mm，裁斷角度為0°，胎體安全倍數為6.8。簾布裁斷及成型時注意胎體縫合器間隙和角度的設定，防止胎體簾線接頭疏密不均造成輪胎充氣實鼓問題。

3.4 胎圈

鋼絲圈采用直徑為1.30 mm的高強度回火鋼絲[6]，鋼絲表面鍍銅，可有效增大鋼絲與膠料的粘合力，防止鋼絲松散造成爆胎，鋼絲圈排列方式為4-5-6-5-4，共24根鋼絲，鋼絲圈為正六角形結構，繞盤直徑為386 mm。鋼絲圈安全倍數為5.2，符合設計要求。

3.5 成型

成型采用二次法成型機[7]、Φ428 mm半芯輪式成型機頭，鋼絲簾線的伸張率很小，因此根據輪胎內輪廓胎體簾線有效長度折算機頭寬度為343 mm，采用冠包側成型工藝，各半成品部件接頭均勻錯開分布，提高輪胎的均勻性和動平衡性能。

3.6 硫化

硫化采用AB型1 168 mm（46英寸）熱板硫化機過熱水硫化工藝。硫化條件為：模套溫度（160±3） ℃，熱板溫度 （145±3） ℃，過熱水壓力 （2.50±0.10） MPa，硫化總時間 16 min。成品輪胎外觀符合行業標準要求。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

輪胎外緣尺寸根據GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測試[8]，標準輪輞 6J，標準充氣壓力 650 kPa。

輪胎在標準充氣壓力下D′和B′分別為654和200 mm，磨耗標記高度為1.9 mm，均符合國家標準要求。

4.2 強度性能

輪胎強度性能根據GB/T 4501—2023《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行測試[9]，標準最小破環能為644 J，探頭直徑為19 mm。

前4點（國家標準值的100%）未壓穿，第5點未壓穿，輪胎破壞能為863.2 J，為國家標準值的134%，符合國家標準和設計要求。

4.3 耐久性能

輪胎耐久性能根據GB/T 4501—2023進行測試[10]，按國家標準測試通過后，按每10 h負荷增大10%繼續測試。

試驗結束時累計行駛時間為100 h，輪胎完好，符合設計要求（≥100 h）。

4.4 高速性能

輪胎高速性能根據GB/T 4501—2023進行測試[10]，按國家標測試通過后，按每10 min提高速度10 km·h-1繼續測試。

試驗結束時累計行駛時間為70 min（速度為180 km·h-1），輪胎未損壞，符合國家標準要求（≥170 km·h-1）。

4.5 胎圈性能

胎圈性能根據企業標準進行測試，輪胎在200%負荷率、30 km·h-1速度下行駛了70.1 h，胎圈破裂，符合設計要求（≥60 h）。

4.6 接地印痕

輪胎接地印痕如圖4所示。

圖4 輪胎接地印痕

輪胎接地印痕矩形因數為0.94，符合設計要求（≥0.92）。

4.7 滾動阻力

輪胎滾動阻力系數根據ISO 28580：2018進行測試。

輪胎滾動阻力系數為7.9 N·kN-1，符合設計要求（≤8.0 N·kN-1）。

4.8 與半鋼子午線輪胎性能對比

195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎與同規格半鋼子午線輪胎成品性能對比如表1所示。

表1 兩種輪胎成品性能對比

從表1可以看出，全鋼子午線輪胎的各項性能均優于同規格半鋼子午線輪胎。

另外，全鋼子午線輪胎的質量和成本分別比同規格半鋼子午線輪胎低0.8 kg和6.2%，符合設計要求。

5 結語

195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎的設計符合預期目標，成品性能試驗結果表明，輪胎充氣外緣尺寸、強度性能、耐久性能、高速性能、胎圈性能和接地印痕等均符合國家標準和設計要求。輪胎發往主機廠進行整車評價，其制動性能、乘坐舒適性和操縱穩定性能等與同規格半鋼子午線輪胎相當，主觀評價良好，深受客戶認可。該產品在高速性能、耐久性能、胎圈性能和輕量化等方面有突破性進展，為公司創造了良好的經濟效益。