225/75R17.5 14PR全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)

常雙凱，蓋方雄，張?jiān)菩?，王昌?/p>

（1.青島科技大學(xué)，山東 青島 266500；2.賽輪金宇集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266550）

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎的需求量日益增大，全鋼輪胎以其優(yōu)異的載重和安全性能得到廣大消費(fèi)者的信賴；我公司為完善全鋼產(chǎn)品系列，擴(kuò)大歐美輪胎市場占有率，設(shè)計(jì)了一系列444.5 mm（17.5英寸）全鋼載重子午線輪胎，現(xiàn)以225/75R17.5規(guī)格為例，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)歐洲輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊ETRTO，確定225/75R17.5規(guī)格輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞6.75，充氣外直徑（D′） 783（773～796） mm，充氣斷面寬（B′） 226（217～235） mm，負(fù)荷指數(shù)129/127，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 725 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷（單胎） 1 850 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎胎體受到剛度較高的鋼絲帶束層箍緊的影響，輪胎充氣后的外直徑膨脹很小，根據(jù)我公司相近產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)工藝條件，設(shè)計(jì)時(shí)D可選取與標(biāo)準(zhǔn)值相等或稍小的值。綜合考慮，本次設(shè)計(jì)D取780 mm。

子午線輪胎充氣斷面寬的膨脹率與胎體鋼絲簾線的伸張、帶束層角度和胎圈著合寬度（C）有密切的關(guān)系。此外，實(shí)際使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)雙胎并裝的情況，為避免雙胎并裝時(shí)由于負(fù)荷過大而出現(xiàn)相互摩擦而導(dǎo)致的早期損壞現(xiàn)象，本次設(shè)計(jì)B取230 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定胎冠形狀的主要參數(shù)，對胎冠的耐磨性能、牽引性能、轉(zhuǎn)向性能以及生熱等有著直接的影響。增大b能提高輪胎與地面的接觸面積，提高輪胎的耐磨性能，b的選取應(yīng)綜合考慮多種影響因素，合理的選擇才能提高輪胎的綜合性能。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一般b/B之比為0.75～0.80。本次設(shè)計(jì)b/B取0.78，b取180 mm。

由于全鋼載重子午線輪胎有鋼絲帶束層的箍緊作用，使得行駛面較平坦，冠部變形小，如果h較大，將減小輪胎的接地面積，降低輪胎的耐磨性能和抓著性能，因此h應(yīng)取較小值，本次設(shè)計(jì)h取6 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

胎圈部位主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輪輞曲線而設(shè)計(jì)，d的選取應(yīng)滿足輪胎裝卸方便以及著合緊密的要求。為了使胎圈和輪輞緊密配合達(dá)到無內(nèi)胎輪胎的氣密性，一般胎圈與輪輞采用適當(dāng)?shù)倪^盈配合。故d的選取相當(dāng)重要，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)d取442 mm。

考慮到胎圈受力分布以及輪胎與輪輞之間的裝配情況，本次C采用加大設(shè)計(jì)，比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬12.7 mm（0.5英寸），取184 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面的最寬點(diǎn)，也是輪胎斷面最薄、變形最大的位置。斷面水平軸位置的選取對輪胎的使用性能影響較大。H1/H2取值偏大，在使用過程中水平軸向胎肩方向移動(dòng)時(shí)，將造成胎肩應(yīng)力集中，易造成肩空、肩裂；H1/H2取值偏小，輪胎在使用過程中水平軸向胎圈方向移動(dòng)，將造成下胎側(cè)應(yīng)力集中，容易造成胎圈部位損壞。故水平軸位置的選取應(yīng)結(jié)合材料布置，使其最大變形部位在胎側(cè)最薄部位且在充氣及使用狀態(tài)下基本保持不變，本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.942。

輪胎斷面輪廓如圖1所示.

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋的設(shè)計(jì)主要根據(jù)輪位、路況和車輛性能要求，且要滿足低滾動(dòng)阻力、低噪聲等條件。該規(guī)格輪胎主要出口歐洲市場，適于箱式郵政車的全輪位使用。歐洲路面情況較好，高速公路較發(fā)達(dá)，故胎面花紋采用4條縱向溝為主，使輪胎具有良好的操縱穩(wěn)定性和駕乘舒適性；飽和胎肩設(shè)計(jì)減少輪胎偏磨，延長使用壽命；細(xì)小的刀槽使輪胎具有良好的散熱性、具有較強(qiáng)的抓著性能和抗?jié)窕芰Α２捎米児?jié)距設(shè)計(jì)，無序排列，以減小噪聲。花紋深度為13 mm，花紋飽和度為72.5%，花紋周節(jié)數(shù)為72。

胎面花紋展開如圖2所示，胎面花紋立體效果如圖3所示。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 胎面花紋立體效果

3 施工設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用寬行駛面設(shè)計(jì)，以使冠部受力面積增大，內(nèi)腔容積增大，應(yīng)力分布更趨合理。根據(jù)該原則設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在滿足載重性能要求的同時(shí)，具有更好的壓力分布和抗偏磨性以及更高的抗撕裂能力和行駛安全性。

在施工設(shè)計(jì)上采用有限元建模分析，模擬出輪胎變形輪廓及各部位應(yīng)力分布，以實(shí)現(xiàn)在輪胎生產(chǎn)制造初期的材料分布適應(yīng)輪胎在實(shí)際使用中的受力最佳為目的。

輪胎基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，接地壓力及接地印痕如圖5所示，胎肩處剪切應(yīng)力分布如圖6所示。

圖4 輪胎基本結(jié)構(gòu)示意

圖5 接地壓力及接地印痕示意

圖6 胎肩處剪切應(yīng)力分布示意

3.1 胎面

胎面采用胎面膠和基部膠雙層設(shè)計(jì)，雙復(fù)合擠出機(jī)擠出，胎面下貼粘合膠片，胎面結(jié)構(gòu)如圖7所示。高耐磨、高抓著力炭黑配方設(shè)計(jì)，使輪胎具有良好的耐磨性及較低的滾動(dòng)阻力，使產(chǎn)品具有良好的節(jié)油性能。胎面冠部厚度為13.5 mm，肩部厚度為16.5 mm，肩部寬度為160 mm，總寬度為210 mm。

圖7 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 帶束層

帶束層是子午線輪胎的主要受力部件，決定著充氣輪胎的形狀，承受60%～75%的內(nèi)壓應(yīng)力。帶束層的剛性對輪胎的使用性能影響很大，為此帶束層應(yīng)有足夠的剛性，降低胎肩變形生熱，避免帶束層因應(yīng)力和應(yīng)變作用而造成的疲勞損傷和熱破壞。利用有限元軟件分析輪胎的應(yīng)力應(yīng)變分布，找出最優(yōu)的材料分布、合適的帶束層角度和寬度，減小應(yīng)變能集中，提高輪胎性能。本次設(shè)計(jì)采用3層帶束層結(jié)構(gòu)，為有效提高輪胎承載性能，1#，2#和3#帶束層均采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線，其中1#帶束層角度為52°，2#和3#帶束層角度分別為逆時(shí)針和順時(shí)針18°，安全倍數(shù)達(dá)7.33。

3.3 胎體

胎體是輪胎的主要承載部件，為輪胎提供支撐性能，還要保持輪胎充氣后輪廓的穩(wěn)定性。要求具有良好的耐屈撓性能、耐磨性能和強(qiáng)破斷力，因此選取的鋼絲簾線結(jié)構(gòu)尤為重要。根據(jù)輪胎設(shè)計(jì)負(fù)荷及鋼絲簾線性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)胎體采用強(qiáng)度和柔韌性好的3＋9×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，安全倍數(shù)為9.8。

3.4 胎圈

全鋼載重子午線輪胎胎圈部位承受應(yīng)力較大，需要加大胎圈的強(qiáng)度與安全倍數(shù)，本次設(shè)計(jì)鋼絲圈采用Φ1.55 mm高強(qiáng)度回火胎圈鋼絲，排列形式為6-7-8-7-6-5，共39根，鋼絲圈直徑為447 mm，安全倍數(shù)為8.5，滿足設(shè)計(jì)要求；采用獨(dú)特的U型胎圈包布，不僅提高了胎圈的支撐性，同時(shí)降低了胎體簾布載荷下的蠕動(dòng)，提高了裝載穩(wěn)定性，胎圈包布使用3＋9×0.22＋0.15鋼絲簾線。

3.5 成型

成型采用一次法膠囊反包成型機(jī)，機(jī)頭直徑為410 mm，機(jī)頭寬度為484 mm，采用側(cè)包冠成型工藝。部件接頭按一定的角度錯(cuò)開均勻分布，胎側(cè)和內(nèi)襯層等部件自動(dòng)定長裁斷，保證了輪胎質(zhì)量的穩(wěn)定性以及輪胎的動(dòng)平衡和均勻性。

3.6 硫化

硫化采用熱板式B型硫化機(jī)，采用常規(guī)過熱水硫化工藝，硫化條件為：熱板溫度 （150±2） ℃，模套溫度 （155±2） ℃，過熱水壓力 （2.6±0.2）MPa，內(nèi)溫 （173±2） ℃，總硫化時(shí)間 32.5 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2003進(jìn)行測量。安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的成品輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下，輪胎充氣外直徑和斷面寬分別為781和228 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4501—2008進(jìn)行成品輪胎強(qiáng)度性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 725 kPa，壓頭直徑 32 mm。輪胎破壞能為3 505.8 J，為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（1 695 J）的206.8%，符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 耐久性能

按照歐洲ECE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 725 kPa，額定負(fù)荷 18 500 kg，試驗(yàn)速度 73 km·h-1，負(fù)荷率為66%，84%和101%時(shí)，分別運(yùn)行7，16和24 h，然后每行駛10 h負(fù)荷率增加10%繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到輪胎損壞為止，試驗(yàn)條件和結(jié)果如表1所示。成品輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為130 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎狀況為胎肩裂，成品輪胎耐久性能良好，符合ETRTO標(biāo)準(zhǔn)（≥47 h）要求。

表1 耐久性能試驗(yàn)條件和結(jié)果

5 結(jié)論

225/75R17.5 無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能和耐久性能均達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，花紋外觀設(shè)計(jì)美觀，產(chǎn)品耐磨性較好，綜合行駛里程高。該產(chǎn)品投放市場以來，以其優(yōu)良的性能得到客戶的認(rèn)可，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。