195/70R15 12PR全钢子午线轮胎的设计

吕福秋，廉 旭，王劝劝

[中策橡胶（建德）有限公司，浙江 建德 311607]

随着城乡道路建设的迅速发展，用户对轻型载重轮胎的使用寿命、高速性能、节油性能等要求越来越高，另外汽车配套厂对轮胎的轻量化、低滚动阻力等方面性能也越来越重视[1-3]。据了解，目前轻型载重车辆使用的195/70R15轮胎均为半钢子午线轮胎，半钢结构因骨架材料等自身条件限制，产品使用过程中易出现胎面脱层问题。

为了解决胎面脱层问题，同时满足配套厂和客户的特殊需求，我公司开发了195/70R15 12PR全钢子午线轮胎，现将设计概况介绍如下。

1 产品定位及设计标准

195/70R15 12PR轮胎针对配套主机厂开发，预计年总需求15万套，车型主要有厢式小型货车和小型物流卡车，车辆总质量在4 t左右，实际最大载质量为5 t，路面为综合路面，正常行驶速度为90～120 km·h-1，设计要求轮胎质量和成本分别比同规格半钢子午线轮胎低0.5 kg和6%。根据GB/T 2977—2016《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》，确定195/70R15全钢子午线轮胎设计参数[3-4]为：层级 12PR，负荷指数 109/105，速度级别 R，标准轮辋 6J，单胎负荷 1 030 kg，双胎负荷 925 kg，充气压力 650 kPa，充气外直径（D′） 655（647～663） mm，充气断面宽（B′）201（193～211） mm。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

半钢子午线轮胎因胎体骨架材料强度较小，使用后期会出现“大肚子”现象，对于后轮双胎并装的车辆，需避免使用中后期出现并胎问题。另外，本设计还要考虑轻量化，因此D′和B′均设计为国家标准下限值。根据我公司生产工艺状况及同系列产品的设计经验，本次设计外直径膨胀率（D′/D）取1.005，则D为651 mm，断面宽膨胀率（B′/B）取0.966（B′取200 mm），B为207 mm。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h的取值决定了轮胎冠部轮廓形状，影响轮胎的接地印痕形状和压力分布、使用寿命、操纵稳定性能及耐磨性能。经有限元模拟分析，b适当增大、h适当减小可增大轮胎接地面积，提高轮胎的耐磨性能。本次设计b取150 mm，h取6.7 mm，b/B为0.724 6。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

根据半钢子午线轮胎的市场使用特点，胎圈部位极少损坏，因此胎圈部位设计无需加强，主要从无内胎轮胎的保气性和装配性考虑[5]。为防止胎圈与轮辋配合出现漏气、脱圈及滑移等问题，d取值适当减小，胎趾倾斜角度采用分段式设计，分别取10°和20°，同时考虑轮胎装卸的难易程度，本次设计采用胎圈与轮辋过盈配合，过盈量为2.8 mm，d取379 mm；C取值过小易出现漏气问题，且C取值会影响B′，根据同规格产品的设计经验，C取178 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

断面水平轴位置是轮胎在负荷作用下变形量最大的部位，H1/H2设计偏小会造成下胎侧早期损坏，设计偏大会造成胎冠早期损坏。市场调查发现，原半钢子午线轮胎使用过程中存在胎面脱层问题，因此本设计断面水平轴位置适当偏低，H1/H2取0.942 9，使断面水平轴上下部位受力均匀。

轮胎断面轮廓如图1所示。

2.5 花纹设计

胎面采用4条沟变节距纵向花纹设计，防止轮胎与车辆同频共振；为提高轮胎的美观性和排水性能，冠部花纹块采用多钢片设计；为改善散热性，肩部采用大圆弧设计，同时肩部花纹块采用粗钢片设计。花纹深度为8.5 mm，花纹饱和度为71.4%，花纹周节数为30。花纹沟采用变角度设计，防止恶劣路况条件下花纹夹石子造成花纹沟底裂。

胎面花纹展开如图2所示，实体轮胎花纹如图3所示。

图3 实体轮胎花纹

3 施工设计

3.1 胎面和胎侧

胎面采用胎面胶、基部胶、翼胶三复合挤出，机外再与缓冲胶片复合，胎侧采用耐磨胶、胎侧胶、缓冲胶三复合挤出。胎面胶采用低滚动阻力、高耐磨配方，基部胶采用低生热配方，胎侧胶采用耐老化配方。

3.2 带束层/冠带层

1#和2#带束层采用3＋8×0.23HT钢丝帘线，帘布裁断角度均为26°。在2层带束层之上还有2层冠带层，冠带层的作用是使带束层应力和接地压力均匀分布，增大轮胎接地印痕的矩形因数，有效改善冠部变形大的问题，同时大幅延长轮胎单位磨耗里程，提高轮胎的耐久性能，延长轮胎的使用寿命，降低轮胎的滚动阻力，冠带层采用电子预硫化1670dtex/2 DSP聚酯帘布0°缠绕，带束层安全倍数为7.4。

3.3 胎体

胎体采用3×0.22/9×0.20 CCHT钢丝帘线，帘布压延厚度为1.7 mm，裁断角度为0°，胎体安全倍数为6.8。帘布裁断及成型时注意胎体缝合器间隙和角度的设定，防止胎体帘线接头疏密不均造成轮胎充气实鼓问题。

3.4 胎圈

钢丝圈采用直径为1.30 mm的高强度回火钢丝[6]，钢丝表面镀铜，可有效增大钢丝与胶料的粘合力，防止钢丝松散造成爆胎，钢丝圈排列方式为4-5-6-5-4，共24根钢丝，钢丝圈为正六角形结构，绕盘直径为386 mm。钢丝圈安全倍数为5.2，符合设计要求。

3.5 成型

成型采用二次法成型机[7]、Φ428 mm半芯轮式成型机头，钢丝帘线的伸张率很小，因此根据轮胎内轮廓胎体帘线有效长度折算机头宽度为343 mm，采用冠包侧成型工艺，各半成品部件接头均匀错开分布，提高轮胎的均匀性和动平衡性能。

3.6 硫化

硫化采用AB型1 168 mm（46英寸）热板硫化机过热水硫化工艺。硫化条件为：模套温度（160±3） ℃，热板温度 （145±3） ℃，过热水压力 （2.50±0.10） MPa，硫化总时间 16 min。成品轮胎外观符合行业标准要求。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

轮胎外缘尺寸根据GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行测试[8]，标准轮辋 6J，标准充气压力 650 kPa。

轮胎在标准充气压力下D′和B′分别为654和200 mm，磨耗标记高度为1.9 mm，均符合国家标准要求。

4.2 强度性能

轮胎强度性能根据GB/T 4501—2023《载重汽车轮胎性能室内试验方法》进行测试[9]，标准最小破环能为644 J，探头直径为19 mm。

前4点（国家标准值的100%）未压穿，第5点未压穿，轮胎破坏能为863.2 J，为国家标准值的134%，符合国家标准和设计要求。

4.3 耐久性能

轮胎耐久性能根据GB/T 4501—2023进行测试[10]，按国家标准测试通过后，按每10 h负荷增大10%继续测试。

试验结束时累计行驶时间为100 h，轮胎完好，符合设计要求（≥100 h）。

4.4 高速性能

轮胎高速性能根据GB/T 4501—2023进行测试[10]，按国家标测试通过后，按每10 min提高速度10 km·h-1继续测试。

试验结束时累计行驶时间为70 min（速度为180 km·h-1），轮胎未损坏，符合国家标准要求（≥170 km·h-1）。

4.5 胎圈性能

胎圈性能根据企业标准进行测试，轮胎在200%负荷率、30 km·h-1速度下行驶了70.1 h，胎圈破裂，符合设计要求（≥60 h）。

4.6 接地印痕

轮胎接地印痕如图4所示。

图4 轮胎接地印痕

轮胎接地印痕矩形因数为0.94，符合设计要求（≥0.92）。

4.7 滚动阻力

轮胎滚动阻力系数根据ISO 28580：2018进行测试。

轮胎滚动阻力系数为7.9 N·kN-1，符合设计要求（≤8.0 N·kN-1）。

4.8 与半钢子午线轮胎性能对比

195/70R15 12PR全钢子午线轮胎与同规格半钢子午线轮胎成品性能对比如表1所示。

表1 两种轮胎成品性能对比

从表1可以看出，全钢子午线轮胎的各项性能均优于同规格半钢子午线轮胎。

另外，全钢子午线轮胎的质量和成本分别比同规格半钢子午线轮胎低0.8 kg和6.2%，符合设计要求。

5 结语

195/70R15 12PR全钢子午线轮胎的设计符合预期目标，成品性能试验结果表明，轮胎充气外缘尺寸、强度性能、耐久性能、高速性能、胎圈性能和接地印痕等均符合国家标准和设计要求。轮胎发往主机厂进行整车评价，其制动性能、乘坐舒适性和操纵稳定性能等与同规格半钢子午线轮胎相当，主观评价良好，深受客户认可。该产品在高速性能、耐久性能、胎圈性能和轻量化等方面有突破性进展，为公司创造了良好的经济效益。