錦綸胎圈包布增強結(jié)構(gòu)13R22.5全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計

韓 菁，李曉林，于國鴻

[1.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300；2.浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計有限公司，山東 青島 266000]

隨著國內(nèi)超限超載治理力度加大，工程載重車輛的載質(zhì)量整體減小，因各區(qū)域供需關(guān)系、地形地勢等差異，現(xiàn)階段各區(qū)域工程車輛的車型、載質(zhì)量及使用輪胎規(guī)格都有所不同。工程車輛載重輪胎向無內(nèi)胎方向轉(zhuǎn)變，標載車輛用輪胎向12R22.5規(guī)格轉(zhuǎn)化；重載車輛用輪胎向13R22.5規(guī)格轉(zhuǎn)化。工程車輛載重輪胎市場13R22.5規(guī)格正逐步普及，東北地區(qū)重載市場90%以上的工程車輛將原配輪胎由12.00R20規(guī)格更換為13R22.5規(guī)格。

重載市場輪胎主要病象為肩空和胎圈脫空，我公司輪胎產(chǎn)品耐磨性能優(yōu)異，但承載能力不足，因此加強胎圈部位設(shè)計、提升輪胎整體承載能力迫在眉睫。為了搶占重載輪胎市場，提高產(chǎn)品的市場占有率，我公司開發(fā)了采用雙層錦綸包布增強胎圈設(shè)計的全鋼載重子午線輪胎，現(xiàn)將產(chǎn)品的設(shè)計情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

按照GB 9744—2015《載重汽車輪胎》及

GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負荷》，制定輪胎技術(shù)參數(shù)如下：標準輪輞9.75，充氣外直徑（D′） 1 124（1 107～1 140）mm，充氣斷面寬（B′） 320（307～332） mm，標準充氣壓力 900 kPa，標準負荷 4 000 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎以鋼絲簾線為骨架材料，輪胎充氣后外直徑膨脹很小[1-2]，根據(jù)我公司相似規(guī)格輪胎外直徑和斷面寬膨脹率，本設(shè)計D取1 132 mm，B取314 mm，計算外直徑膨脹率（D′/D）為1.001 9，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.023 6。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

耐磨性能是輪胎的重要性能指標之一，實際使用中輪胎會出現(xiàn)胎肩畸磨、偏磨等病象，為了減少這類病象的發(fā)生，減小輪胎胎肩部位的應力集中，b的設(shè)計需要考慮多方面因素，以達到輪胎各項性能最佳，b應與胎圈著合寬度（C）接近，本次設(shè)計b取242 mm。

h取值應該考慮寬斷面輪胎的變形，在輪胎充氣狀態(tài)下，胎冠中部常有起鼓現(xiàn)象，而實際行駛中輪胎接地又會出現(xiàn)胎冠中部內(nèi)鼓現(xiàn)象，胎冠中部變形大易出現(xiàn)冠空現(xiàn)象，合理的h值可以抵消一部分胎冠變形，本次設(shè)計h取6.2 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和C

相比有內(nèi)胎輪胎，無內(nèi)胎輪胎的胎圈氣密性要求更高，除膠料配方調(diào)整外，輪胎的氣密性主要靠胎圈與輪輞的過盈配合來實現(xiàn)，因此，d取值非常關(guān)鍵。結(jié)合我公司同尺寸輪胎胎圈的設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計d取571 mm，標準輪輞寬度為247.65 mm，C取值采用比輪輞寬度增大12.7 mm（0.5英寸）設(shè)計，取值為260.4 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位置是輪胎法向變形最大處，對全鋼子午線輪胎整體性能影響很大，H1/H2取值一般為1.0～1.2。H1/H2取值偏大，斷面水平軸位置偏上，采用三維力學分析，胎肩部位的受力增大，從而影響胎肩部位性能；H1/H2取值偏小，斷面水平軸位置偏下，同樣分析，胎圈部位的受力會增大，從而造成胎圈部位應力集中，易出現(xiàn)胎圈脫空、裂口等問題，本次設(shè)計規(guī)格為標準斷面產(chǎn)品，為使輪胎變形最大處在胎側(cè)最薄位置，本次設(shè)計H1/H2取1.000，輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 仿真分析

采用不同設(shè)計參數(shù)D、B、胎冠弧半徑（Rn）、h以及H1/H2進行輪胎接地印痕、接地壓力、胎肩耐久性能和胎圈耐久性能仿真分析[3]，各方案參數(shù)如表1所示。

表1 各方案輪胎參數(shù)設(shè)計

2.5.1 輪胎接地印痕

不同方案輪胎接地印痕仿真結(jié)果見圖2。

由圖2分析可以得出，方案3輪胎接地印痕的矩形率最大，胎冠表面整體受力較均勻。

圖2 不同方案輪胎接地印痕仿真結(jié)果

2.5.2 輪胎胎肩耐久性能

不同方案輪胎胎肩耐久性能仿真結(jié)果見圖3。以胎肩層間剪應變LE13來表征胎肩耐久性能，其值越小，耐久性能越好。方案1—8輪胎胎肩層間剪應變仿真幅值分別為0.043，0.041，0.039，0.045，0.042，0.054，0.046和0.044，可見方案3輪胎的胎肩層間剪應變幅值最小，即其2#帶束層端點受力最小，最不易損壞，性能較好。

圖3 不同方案輪胎胎肩耐久性能仿真結(jié)果

以胎圈應變能密度來表征胎圈耐久性能，其值越小，胎圈耐久性能越好。各方案輪胎胎圈耐久性能仿真結(jié)果見表2。由表2可見，從胎圈部位反包端點和加強層端點應變能密度來看，方案3輪胎綜合受力均勻性最佳，應力集中點應力最小，胎圈耐久性能最優(yōu)。

表2 不同方案輪胎胎圈應變能密度仿真結(jié)果mJ·mm-3

綜合考慮輪胎力學有限元模擬結(jié)果及實際需求，確定方案3為最佳設(shè)計方案。

2.6 胎面花紋

13R22.5輪胎用于工程自卸車，路況大部分為鋪裝路，部分為不良路面，因此胎面采用橫溝為主的塊狀花紋，采用等節(jié)距設(shè)計，花紋深度為19 mm，花紋飽和度為67%，花紋周節(jié)數(shù)為50。花紋設(shè)計對輪胎的耐磨性能有著至關(guān)重要的影響，本次設(shè)計的T206＋花紋，通過對花紋細節(jié)的特殊處理加之超寬的行駛面，為輪胎提供了優(yōu)良的耐磨性能和驅(qū)動性能。胎面花紋展開見圖4。

圖4 胎面花紋展開示意

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面采用三復合結(jié)構(gòu)，包括冠部膠、基部膠和過渡層膠，冠部膠采用耐磨、抗切割及抗刺扎性能優(yōu)異的膠料，基部膠采用低生熱膠料，過渡層膠采用粘合性能優(yōu)良的膠料，從而賦予輪胎長里程、突出的抗刺扎、抗爆性能。胎面總寬度為293 mm，胎肩厚度為26 mm，中部厚度為24 mm，胎面半成品冠部寬度與成品行駛面寬度的比值為0.89，肩部厚度為胎冠中部厚度的1.09倍。

3.2 胎體

胎體主要為輪胎提供支撐，胎體安全倍數(shù)決定了輪胎的安全性能，13R22.5輪胎主要應用于重載市場，對其負荷能力有更高的要求。綜上考慮，胎體采用3＋9＋15×0.225HT鋼絲簾線，采用雙面覆膠S型四輥壓延機（意大利魯?shù)婪蚬井a(chǎn)品）進行壓延，壓延簾布厚度為（2.9±0.1） mm，胎體安全倍數(shù)為15.10，保證了胎體強度。

3.3 帶束層

帶束層又稱支撐層、硬緩沖層或穩(wěn)定層，是沿胎面中心線圓周方向箍緊胎體的材料層，除了起到箍緊胎體的作用外，還起到緩和沖擊的作用[4-6]。對于子午線輪胎，帶束層還是主要受力部件，其剛性對輪胎的使用性能有很大影響。輪胎的剛性大，可以防止胎體簾線在胎面冠部伸張，從而滿足均勻磨耗、行駛平穩(wěn)的性能要求。因此帶束層應采用高強力、高模量和小角度排列的簾線作為增強材料，同時覆以高定伸應力、高硬度膠料。本設(shè)計帶束層采用3層帶束層加0°冠帶層結(jié)構(gòu)，1#和2#帶束層為工作層，采用3＋9＋15×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，簾線角度分別為24°和15°；3#帶束層是保護層，采用高抗沖擊型5×0.35HI鋼絲簾線，簾線角度為15°；0°帶束層采用3×7×0.20HE鋼絲簾線，帶束層的安全倍數(shù)為12.25，滿足使用需求。

3.4 胎圈

3.4.1 錦綸胎圈包布

采用錦綸胎圈包布增強設(shè)計，以保護胎體和加強層外端點，增強胎圈部位強度，提升輪胎安全性能和使用性能，錦綸胎圈包布設(shè)計如圖5所示。

圖5 錦綸胎圈包布設(shè)計

3.4.2 鋼絲圈

為提高胎圈的安全性能，減少鋼絲圈接頭對輪胎均勻性的影響，鋼絲圈采用排壓法、六工位鋼絲纏繞生產(chǎn)線單根纏繞法生產(chǎn)，采用Φ1.65 mm電鍍低錫青銅回火胎圈鋼絲按8-9-10-11-12-11-10-9方式排列，共80根，鋼絲圈直徑為575.5 mm。三角膠采用自動熱貼，保證胎圈底部與輪輞接觸良好。按骨架材料安全倍數(shù)方式計算，鋼絲圈的安全倍數(shù)大于13.15，大幅度超出設(shè)計要求。

3.5 成型

在三鼓成型機上采用一次法膠囊成型，機頭直徑為460 mm，機頭寬度為850 mm。

3.6 硫化

采用1 651 mm（65英寸）液壓式硫化機膠囊硫化，采用充氮硫化的“保壓變溫”工藝，硫化工藝條件如下：飽和蒸汽壓力 （1.8±0.1） MPa，氮氣內(nèi)壓 ≥2.7 MPa，上熱板溫度 （1 471±2） ℃，下熱板溫度 （151±2） ℃，模套溫度 （145±2） ℃，總硫化時間 56 min。

4 成品輪胎性能

4.1 外緣尺寸

在標準充氣壓力下，安裝在標準輪輞上的成品輪胎D′和B′分別為1 131和322 mm，滿足標準要求。

4.2 強度

按照GB/T 4501—2016及企業(yè)標準進行輪胎強度性能測試，試驗充氣壓力為900 kPa，壓頭直徑為38 mm。成品輪胎強度性能測試破壞能為4 782.8 J，為國家標準值的200.8%，符合設(shè)計要求。

4.3 耐久性能

輪胎耐久性能按照GB/T 4501—2008及企業(yè)標準進行測試，結(jié)果見表3。

表3 成品輪胎室內(nèi)耐久性測試結(jié)果

由表3可見，成品輪胎耐久性試驗累計行駛時間為85.23 h，試驗結(jié)束時輪胎狀況為胎冠快速失壓，成品輪胎耐久性能良好，滿足國家標準（≥47 h）要求。

5 結(jié)語

設(shè)計的13R22.5工程機械專用全鋼載重子午線輪胎外觀花紋美觀，輪胎各項性能優(yōu)良，滿足國家標準和歐盟標準的要求，達到了預期效果。目前該輪胎已在國內(nèi)批量使用，成為我公司國內(nèi)重載市場的有力競品，為公司創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。