作者简介：艾罡(1985-)，男，硕士研究生，现从事石油化工以及化工机械研究工作。
收稿日期：2019-11-19
轮胎设计开发的优先原则：符合标准化、系列化、规范化、通用化的产品优先(采标产品优先原则)；优先满足具有市场普遍性的需求(少数服从多数原则)；优先采用国际先进标准及法规(先进标准覆盖落后标准原则)；优先满足原配胎市场的需求(高性能满足低性能原则)；优先满足国际市场的需求(高质量取代低质量原则)；优先满足高速级、高层级的需求(高指标涵盖低指标原则)；优先满足轻量化、节能、环保、跑气保用、智能型等高技术含量的产品需求(换代产品优先原则)[1]。
另外，对客户(尤其是原配胎市场)的更具体、更细化的要求应尽量满足。如遇到客户的要求不合理，可以通过解释、引导、替代的方法加以解决，最终让客户满意。
对客户无特殊要求的轮胎，设计首先要满足企业产品标准，企业产品标准尽可能涵盖多个标准与法规、尽可能是最新的版本。企业产品标准等同采用、等效采用如下标准：
轿车子午线轮胎设计—以新版ETRTO 、ECE30为主，TRA 、FMVSS109、GB 、JATMA 为辅。
轻卡、拖车、挂车子午线轮胎设计—以新版TRA 、FMVSS119为主，ETRTO 、ECE54、GB 、JATMA 为辅。
其它子午线轮胎设计—如无特殊要求，尽可能以新版TRA 、FMVSS119、 ETRTO 、ECE54为主， GB 、
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不同轮胎模具型腔的设计原则及其
设计方法
艾罡
(榆林康耐雅新材料技术有限公司，陕西  榆林  718100)
摘要：轮胎是指在各种车辆或机械上装配的接地滚动的圆环形弹性橡胶制品。随着中国橡胶消费量的持续增长，轮胎市场运行一直保持良好态势。目前，轮胎产品消费趋势逐渐向高品质、高性能、绿及环保轮胎迁移。轮胎企业必须通过加快新材料开发应用，为绿轮胎发展提供原料保障；加强节能工艺产业化示范和推广应用，加速利用智能制造先进生产方式，提高产品品质及一致性管控能力；开发绿子午胎、缺气保用轮胎、自修复轮胎、石墨烯轮胎等高性能半钢子午线轮胎产品，引领轮胎消费趋势。故本文探讨了轮胎设计技术原则以及要求。
关键词：汽车轮胎；设计原则；设计方法；产品结构；模具型腔中图分类号：TQ336.1
文章编号：1009-797X(2020)05-0037-09
文献标识码：B      DOI:10.13520/jki.rpte.2020.05.008
JATMA 为辅
[2]
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企业产品标准中的高速性能、耐久性能、压穿强度、脱圈阻力指标应高于ECE 、FMVSS 、GB 的规定指标。根据不同的产品，指标高出的幅度有所不同。
重点对尺寸、结构、性能要求特殊的产品进行生产工装、工艺条件的确认。分别对生产设备、工艺条件、专用工器具的符合性进行书面明确，需添置的专用工器具，则提供工艺参数图。 同时对轮胎模具的类型及匹配的硫化机进行确认
[3]三菱日蚀
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新产品的预期成本测算与分析尽可能以同系列、同轮辋直径、同速度级别、同结构、同类花纹、同工艺，最接近的轮胎规格进行测算。同轮辋直径的轮胎可以用尺寸系数(外直径×断面宽)进行测算。
确定设计的轮胎规格、负荷指数(层级)、速度级别、花纹类别、花纹深度、牵引系数、耐磨指数、耐温指数等。
轮胎的许多性能是相互制约的，不同类别、不同速度级别的轮胎性能取向是不同的，其性能重要性排序如下：
轿车/公制轻卡子午线轮胎设计—安全性能（包括干、湿路面的纵向、侧向附着性能；高速耐久生热
性能；超低压条件下的抗脱圈性能；操控稳定性；无内胎化；抗冲击性能）、舒适性能(包括缓冲性能、滚动噪音、滚动频谱、操控平顺性)、通过性能、耐用性能(胎体的耐用性、材料的抗老化性能、耐磨性能)、美观装饰性能、节油性能。
英制轻卡子午线轮胎设计—耐用性能(超负荷性能、胎体的耐用性、材料的抗老化性能、耐磨性能)、安全性能(包括干、湿路面的纵向、侧向附着性能；高速耐久生热性能；操控稳定性；抗冲击性能)、节油性能、通过性能、舒适性能(包括缓冲性能、滚动噪音、滚动频谱、操控平顺性)[4]。
拖车、挂车子午线轮胎设计—耐用性能(超负荷性能、胎体的耐用性、材料的抗老化性能、耐磨性能)、舒适性能（包括缓冲性能、滚动频谱）、安全性能(包括抗冲击性能；干、湿路面的纵向、侧向附着性
能)、节油性能。
农用子午线轮胎设计—通过性能(越障能力、各类农田的适应能力)、耐用性能(超负荷性能、胎体的耐用性、材料的抗老化性能、抗刺扎性能、耐磨性能)、安全性能(包括抗冲击性能；操控稳定性)、节油性能[5]。
轮胎性能指标的确认原则：为了向客户提供性能价格比优异的轮胎，安全性能指标达到企业标准(企业标准优于国际标准和法规)、用户要求；耐用性能、舒适性能、节油性能、通过性能满足用户要求。
重点对尺寸、结构、性能要求特殊的产品进行试验条件的确认。如分别对试验设备、试验项目、试验方法、试验条件、试验轮辋/卡盘等试验工器具的符合性进行确认。需添置的试验工器具，则提供工艺参数。
如有客户提出购买的无内胎子午线轮胎配置内胎的要求时，应尽可能说服客户将轮胎按无内胎形式使用，因为轮胎在高速行驶时，内胎一旦被扎破常常会导致轮胎瞬间爆破，极易导致车祸；而无内胎轮胎被扎破时，轮胎往往是慢漏气，驾驶员有反应的余地。所以高速级(M级以上的轮胎)的轮胎(即轿车/公制轻卡子午线轮胎)必须按无内胎形式设计和使用。
有内胎子午线轮胎配置内胎或垫带时，应尽量选配与斜交轮胎共用的型号。当必须设计专用内胎或垫
带时，首先要确认客户所用的轮辋型号及车辆后轮位的形式(单轮还是双轮)，以便选配合适的气门嘴型号。
硫化胶囊的配置：尽可能选配薄壁宽腰系列化子午胎专用硫化胶囊。当必须设计新型号硫化胶囊时，应考虑到子午线轮胎所用硫化胶囊的特点：外直径大、高度矮、腰部宽、厚度薄(即径向伸张小、周向伸张大、胶囊脱模系数大)[6]。
在确认了以上各项条款后，即可确定出轮胎设计技术指标和要求。其中轮胎设计技术指标(主要指法规项目和成品检验技术指标)和要求尽可能不超出企业的产品标准。必须超出的技术指标如确实可以达到，则可以考虑对产品标准进行换版修订。
围绕产品的特点确定相适应的设计目标、结构形式、工艺路线。对于非特殊需要产品，轮胎的设计原则是：尽可能在现有的配方、结构形式、包圈形式、系列化钢丝/纤维帘布、系列化半成品部件、工艺路线、工艺条件中优选出最适合的方案。对于特殊需要产品，则有针对性的在上述设计原则基础上增、改相适应的内容。
1　新胎充气外缘尺寸的确定
新胎充气外缘尺寸的确定原则是：凡生产经过硫化后充气的轮胎，其新胎充气断面宽的波动会很大，
这主要与有硫化后充气工艺波动有关，因为轮胎硫化出模后后充气是否及时、实际后充气压力的大小及波动、后充气时间的长短会直接影响轮胎充气断面宽的稳定性。当轮胎结构施工参数(如胎体帘布角度)、骨架材料(如胎体帘线种类)、工艺条件(如取消了硫化后充气工艺步序)得到固化后，新胎充气断面宽会很稳定，且波动也小。这样B′—设计新胎充气断面宽(设计目标值)的确定就更容易准确。在这种条件下，B′的取值可以比标准的中值小2~3 mm，这同样有利于轮胎的轻量化[7]。
2　D—轮胎模具型腔外直径的确定首先要确定不同类别、不同系列、不同结构轮胎充气后的径向伸张值(D′/D)或外直径变化量(D′-D)。以下是常见的取值方法：
根据从表中径向伸张值(D′/D)的选取，即可算出D值。另外，为了方便H、H1、H2值计算和绘图，常常再对D值作一点修正：方法是若模型胎圈着合直径d值有一位小数，则D值的小数位也加一位等值小数，而原D值的个位数可视小数值的大小而决定是不变还是减1，这样可使修正后的D值尽量保持与原D值相近[8]。
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3　d—轮胎模具型腔胎圈着合直径的确定
轮胎胎圈着合直径的确定主要着眼于五个方面要素：一是防范胎圈与轮辋胎圈座之间的周向滑转(即在车辆起步、加速、减速、制动过程)；二是确保无内胎轮胎的安全性能—抗侧向的脱圈能力(即在车胎低气压高速转弯过程)；三是确保无内胎轮胎的保压性能；四是确保轮胎与轮辋易于装配、且装配不易损伤胎圈；五是所匹配的胎圈底部曲线应易于加工、测量和验收(同样便于测量旧模具的磨损程度)[9]。
为了更好的平衡以上性能，需要将胎圈着合直径与胎圈底部曲线的最佳配置进行固化，并对该处模具加工公差进行严格控制。
对于无内胎轮胎需将企业的产品标准的最小脱圈阻力控制在一个合理的范围：即高于FMVSS、GB规定值的10%~30%。
过去轮胎胎圈直径取值较轮辋标定直径小1.0 mm 左右，胎圈底部设计采用胎踵圆弧与7°着合面上相切的曲线形式来保持与5°轮辋着合面进行过盈配合，这种设计方式从理论上讲对无内胎轮胎的使用是没有问题的，多年来的实际使用也验证了这一点。但是在对轮胎模具的加工上及对胎圈着合直径的测量验收上是很困难的，也是不准确的。一旦无内胎轮胎的脱圈阻力值出现偏大或偏小的时候，则很难判断胎圈着合直径是设计的不合适，还是加工的不合适[10]。
鉴于此，在国内外有许多轮胎公司已普遍采用了一种新的胎圈曲线设计方法，克服了原先设计上的不足。为此在确保轮胎胎圈底部过盈量不变的前提下，也就是说不改变原有的钢丝圈、缠绕盘、扣圈盘
、均匀性试验机卡盘、动平衡试验机卡盘尺寸的前提下，对模型胎圈底部曲线的画法作部分调整，这样既便于今后对模具胎圈着合直径进行测量验收，又利于分析轮胎质量问题。
新的无内胎轮胎的胎圈曲线设计方法是：轮胎胎圈着合直径的取值较轮辋标定直径小2.0 mm左右，胎圈底部设计采用胎踵圆弧与胎圈着合直径水平线相切，水平线延至胎圈宽度的1/2处止，然后再以17°延至胎趾。这样在胎圈底部曲线上实际出现了宽度约2.0 mm左右直径为胎圈着合直径的微小平台。该平台即被用于模型胎圈着合直径的检测[11]如表2所示。
无内胎原胎圈底部曲线与新的胎圈底部曲线如图1所示，从两曲线重叠图上可以看出其交点位于钢丝圈底部。
另外，考虑到模具的加工和检测，在作图时模具型腔胎圈着合平台端部(对应轮胎胎趾处)应标注直
径，而不是角度。
图1　无内胎原胎圈底部曲线与新的胎圈底部曲线
表2　轮胎模具型腔胎圈着合直径
无内胎模腔胎圈着合直径
轮辋规格12″13″14″15″16″17″18″
轮辋标定直径304329.4354.8380.2405.6436.6462
原胎圈d值303328354379404.5435.5461
新胎圈d值302327.4353378.2403.6434.6460说明
虽然新、旧胎圈d值和曲线不同，但轮胎实际过
盈量基本相同
对于使用多件式轮辋(如半深槽轮辋、平底宽轮
表1  轮胎模具型腔外直径常见的取值方法
带束层裁断角度22°24°26°带束层结构形式无尼龙冠带层有尼龙冠带层有尼龙冠带层
适宜轮胎速度级别＜H≥H≥Z
适宜公制轻卡轮胎＜245断面宽≥245断面宽
D′/D ≥80系列  1.002~1.004  1.001~1.003
≥70系列  1.003~1.005  1.002~1.004
＜65系列  1.002~1.004  1.001~1.004
D′-D ≥80系列  1.0~3.50.5~3.0
≥70系列  1.5~3.5  1.0~3.0
＜65系列  1.0~2.50.5~2.5
说明冠带层热收缩箍紧力：JLB冠带层＞双层冠带层＞单层冠带层
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辋等)的有内胎轮胎来讲，轮胎模具型腔胎圈着合直径的设计只需考虑防范胎圈与轮辋胎圈座之间的周向滑转和确保轮胎与轮辋易于装配/拆卸这两个方面的要素。为了兼顾这两个要素，就要按图2所示的方法设计。
图2　轮辋底部曲线与胎圈底部曲线对比图
其具体设计方法是：模具型腔胎圈着合直径比轮辋标定直径小1.5~2.0 mm；模型型腔胎圈着合平台端部（对应轮胎胎趾处）直径与轮辋底部曲线对应处直径相同或者大于1.0 mm。这样模具型腔胎圈着合平台与水平面的夹角实际小于轮辋的5°角。另外，考虑到模型的加工和检测，在作图时模具型腔胎圈着合平台端部（对应轮胎胎趾处）应标注直径，而不是角度[12]。
4　C—轮胎模具型腔胎圈着合宽度的确定
无内胎轮胎模具型腔胎圈着合宽度的设计均要比标准轮辋宽，其增宽设计的理由及增宽幅度(即C值增量)主要与六个方面的因素有关：一是PDEP理论认为，在轮胎的胎圈和胎肩部位施加一定的预应力，有利于提高轮胎的高速性能；二是轮胎在自由状态下冷却时，两胎圈间距会缩小，无硫化后充气的轮胎尤其是如此(一般缩小7~9 mm)。对无内胎而言，过小的胎圈间距是无法与轮辋装配充气的；三是在原配胎市场，有很多轿车、商用车型所配的无内胎轮胎是按比标准轮辋宽0.5″的轮辋(标准允许的范围)，大规格轮胎甚至宽1.0″的轮辋(也是标准允许的范围)来装配的；四是轮胎在储运过程中如果不能上存放架竖立存放(理想的存放方式)，而是平卧摞放，则会进一步导致轮胎两胎圈间距会缩小，尤其是压在下面的轮胎；五是当轮胎轻量化达到较高的程度以后，胎侧就更加柔软、更易变形，致使胎圈间距更易变窄；六是胎圈着合宽度的增宽幅度（即C值增量）主要与轮胎胎侧的宽度、刚性有关，概括
的说：断面高度越高、系列越高的轮胎，胎侧越容易变形，从而越容易造成两胎圈间距缩小，所以随着轮胎断面高度越高、系列越高，轮胎模具型腔胎圈着合宽度的设计越大(即C 值增量越大)[13]。
各种规格无内胎轮胎(无硫化后充气工艺)C值增量见附表(轿车/轻卡子午线轮胎设计参数表)。
有内胎轮胎的C值增量可以是0~0.5″。
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5　B—轮胎模具型腔断面宽的确定轮胎模具型腔断面宽的确定可分为2个步骤：先是根据前面确定的B′和B′/B值来计算出标准轮辋下的轮胎模具型腔断面宽，然后再根据C值的增量来进行修正，因为轮胎胎圈着合宽度每改变0.5″，就会使轮胎充气断面宽B′值有一个变化，其变化幅度随轮胎断面高的降低而增大，并不能用一个固定值来修正。具体修正值如表3所示。
表3　轮胎模具型腔断面宽
轮胎断面高度<120120~140140~160160~180180~200>200
B值修正增量7.57.0  6.5  6.0  5.5  5.0说明此B值修正增量是以胎圈着合宽度每增加0.5″为依据的，当选择的C值增量不同，则按此比例计算实际B值修正增量
如果有内胎轮胎的设计C值增量为零时，则B值不需要修正。
6　H1/H2—轮胎模具型腔断面水平轴的确定
轮胎模具型腔断面水平轴的确定可分为2个步骤：先确定在标准轮辋设计下的轮胎模具型腔断面水平轴，然后再根据C值的增量来进行修正，因为轮胎胎圈着合宽度每改变0.5″，就会使轮胎H1/H2值有一个变化，其变化方向及幅度随轮胎系列、断面高度、速度级别的不同而有所变化，并不能用一个固定值来修正，需要经过实验验证[14]。
一般来讲，轮胎系列越低，C值的增量对轮胎H1/ H2值的变化影响越大；轮胎断面高度越高，C值的增
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量对轮胎H1/H2值的变化影响越小；轮胎速度级别越
高，要求轮胎充气状态下的H1/H2越大。
具体修正后轮胎模具型腔断面水平轴如表4所示。
表4　修正后轮胎模具型腔断面水平轴
轮胎系列<4040~4550~5560~6570~7580~85
H1/H2值C+0.5~1.0″  1.04~1.06  1.05~1.07  1.06~1.08  1.07~1.09  1.08~1.11 C+1.0~1.5″  1.04~1.06  1.05~1.07  1.06~1.08  1.08~1.11
说明以上经过修正后的轮胎模具型腔断面水平轴H1/H2是依据轮胎的不同系列、不同Ｃ值增量来确定。
7　b、h—轮胎模具型腔行驶面宽、行驶面高的确定
轮胎行驶面宽、行驶面高的确定实际上就是确定行 驶面曲线的平均曲率半径及该行驶面曲线的范围，设计的着眼点主要有四个方面：一是轮胎的类别。如轿车胎行驶面曲线的平均曲率半径比轻卡胎大；二是轮胎的系列(实际包含速度级别)。系列越低，轮胎行驶面曲线的平均曲率半径越大；三是轮胎花纹的类别(包括花纹深度)。花纹越深(象越野花纹、M+S花纹)，轮胎行驶面曲线的平均曲率半径越小；四是带束层的结构形式。相对于同一轮胎规格而言，带束层(包括冠带层)的箍紧系数越大，轮胎行驶面曲线的平均曲率半径越小[15]。
行驶面曲线的平均曲率半径及该行驶面曲线的范围的设计是与轮胎花纹的设计匹配分不开的。目前，这一匹配方式主要有两种：一种是宽行驶面匹配浅花纹设计(代表品牌：米西林)；另一种是窄行驶面匹配深花纹设计(代表品牌：石桥)，表5为两种匹配形式的比较。
表5　不同宽窄行驶面匹配花纹设计
成都限号2022年3月最新限号时间两种匹配形式的比较宽行驶面、浅花纹轮胎(前)窄行驶面、深花纹轮胎(后)客户接受趋势轮胎轻量化水平稍差稍好在乎性能轮胎滚动阻力米西林与石桥轮胎相当
轮胎外型感觉轮胎显得宽大轮胎显得窄小前接地面积大小
胎面单位磨耗量小大
轮胎行驶里程较长较短前轮胎高速性能稍好稍差前综合安全性稍好稍差前
制动距离短长前
车辆操控稳定性稍好稍差前车辆操控灵活性稍差稍好后综合评价宽行驶面、浅花纹轮胎优于窄行驶面、深花纹轮胎
综上所述，宽行驶面匹配浅花纹形式是优选设计方案，其不同类别、不同系列（包含不同速度级别）轿车、公制轻卡子午线轮胎行驶面宽度参数参考轿车/轻卡子午线轮胎设计参数。
8　R N1、R N2—轮胎模具型腔行驶面曲率半径的确定
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由于子午线轮胎的结构特点决定了它的接地压力曲线为Ｍ形，也就是说，胎肩部位花纹的接地压强大于胎面中部，这就是子午线轮胎容易磨肩的原因。为了降低子午线轮胎胎面花纹不均衡磨损的程度，胎面花纹深度配置应采取变深度方法设计，即胎面中部浅—两边深—胎肩线处又变浅的设计，这就需要行驶面曲线为两段弧与花纹沟底弧(为单弧)匹配设计，以达到花纹沟深度是一个渐变的过程[16]。如图3所示：
图3　轮胎模具型腔行驶面曲率半径的确定
由于t2比t1大约0.5 mm，所以主花纹沟区(即接地压力最大区)花纹达到最深，胎面中部和胎肩部花纹要逐渐浅(即接地压力较小区)。这样就降低了子午