295/60R22.5 HF81低扁平比全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計

牛 飛，邱新新，胡 源，馬鵬之，晉 琦，高 明

（1.華勤橡膠工業(yè)集團，山東 濟寧 272100；2.山東華勤橡膠科技有限公司，山東 濟寧 272100；3.濟寧齊魯檢測技術(shù)有限公司，山東 濟寧 272000；4.通力輪胎有限公司，山東 濟寧 272100）

隨著國家對道路交通安全關(guān)注度的提高、相關(guān)法規(guī)的發(fā)布實施以及經(jīng)濟的快速發(fā)展，能有效增大裝貨體積的低平板半掛車被市場廣泛接受，其采用的低扁平比輪胎的市場份額不斷增大。我公司為完善產(chǎn)品系列，提升產(chǎn)品競爭力，以及進一步開拓國內(nèi)市場，完成了295/60R22.5 HF81規(guī)格低扁平比全鋼載重子午線輪胎的開發(fā)，現(xiàn)將具體情況進行介紹[1-5]。

1 產(chǎn)品定位與技術(shù)要求

產(chǎn)品的目標(biāo)銷售區(qū)域為國內(nèi)替換輪胎市場，用于標(biāo)載長途運輸用低平板半掛車的拖車輪位，依據(jù)GB/T 2977—2016，確定295/60R22.5 HF81輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 9.00×22.5，充氣外直徑（D′） 921 mm，充氣斷面寬（B′） 286 mm，層級 18，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負荷 3 350（單胎）/3 075（雙胎） kg，速度級別 L。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

由于低扁平比全鋼載重子午線輪胎帶束層剛性比普通輪胎大，充氣前后輪胎外直徑變化較小，D′與D相比通常膨脹1～3 mm，本次D′取標(biāo)準(zhǔn)中值，設(shè)計D取919 mm。

考慮到低扁平比輪胎的接地印痕較普通輪胎更容易表現(xiàn)為反弧形，通過提高輪胎實際的扁平比可以避免出現(xiàn)這種接地印痕，因此B′取下限，本設(shè)計B取290 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是胎面冠部輪廓設(shè)計的主要參數(shù)，對決定輪胎磨耗均勻程度的接地印痕形狀有著重要的影響，本設(shè)計產(chǎn)品優(yōu)先考慮耐磨性能，接地印痕形狀的設(shè)計目標(biāo)為矩形。一般斷面越低的輪胎系列，b和h越大。考慮到同時減小h和胎面肩部厚度可以得到矩形的接地印痕，從而提高輪胎的耐磨性能，降低胎肩部位溫度，并降低肩空發(fā)生比例，本設(shè)計b取245 mm，h取7.5 mm，胎肩部位與冠中厚度比取1.09。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

胎圈與輪輞一般采用過盈設(shè)計。若d值偏小，會導(dǎo)致裝胎困難，容易損傷胎圈；若d值太大，鋼絲圈無法起到箍緊固定的作用，輪胎與輪輞不能緊密結(jié)合，容易產(chǎn)生相對滑移，嚴重時會導(dǎo)致輪胎脫圈，造成嚴重的安全事故[6]。結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計d取570.5 mm。

為保證無內(nèi)胎輪胎充氣的便利性，C采取比輪輞寬半寸設(shè)計，取241 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面最寬處，對輪胎肩部性能和承載能力有著重要影響?？紤]到該產(chǎn)品主要用于標(biāo)載運輸車輛，優(yōu)先考慮肩部性能，采用非平衡輪廓理論進行水平軸計算，H1/H2取1.05。

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

該規(guī)格輪胎主要面對國內(nèi)市場，用于拖車輪位，行駛路況以高速公路居多，故采用4條縱向曲折溝花紋；采用變節(jié)距設(shè)計，以減小噪聲，設(shè)計花紋深度為14.5 mm，周節(jié)數(shù)為73，花紋飽和度為79.2%，胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面采用胎面膠、基部膠和過渡層膠復(fù)合設(shè)計。胎面膠采用高耐磨配方，保證輪胎的耐磨性能；考慮到降低胎肩生熱可以有效降低輪胎肩空發(fā)生比例，因此基部膠采用低生熱配方，以降低胎肩部位溫度，提升胎肩部位性能；過渡層膠采用粘合性能優(yōu)異的配方，避免出現(xiàn)貓眼氣泡等工藝問題。胎面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 帶束層和胎體

帶束層承擔(dān)子午線輪胎由充氣產(chǎn)生的60%～75%的應(yīng)力，并且?guī)鴮拥膭傂杂绊懡拥赜『鄣拈L度，進而影響輪胎的耐磨性能。而低扁平比輪胎充氣后，帶束層簾線的張力較普通輪胎大。通過綜合評估胎冠的拉伸剛度、彎曲剛度和剪切剛度并結(jié)合公司現(xiàn)有工藝條件，本設(shè)計輪胎胎體采用4層帶束層結(jié)構(gòu)，其中1#帶束層為緩沖層，采用0.37＋6×0.32ST鋼絲簾線，簾線密度為40根·dm-1，裁斷角度為52°；2#和3#帶束層為工作層，采用4＋6×0.32ST鋼絲簾線，簾線密度為48根·dm-1，裁斷角度均為20°；4#帶束層為保護層，采用5×0.35HI高伸長鋼絲簾線，裁斷角度為20°，簾線密度為40根·dm-1，起緩沖、過渡和保護的 作用。

本設(shè)計輪胎胎體采用具有較高強度、良好柔軟性和耐屈撓性能的3×0.24＋9×0.225ST超高強度鋼絲簾線。

為保證輪胎的使用安全，骨架材料的強度必須滿足一定要求，基于非平衡輪廓中的壓力分擔(dān)率理論進行安全倍數(shù)計算。通過計算，胎體的安全倍數(shù)為11.1，帶束層的安全倍數(shù)為7.71，符合設(shè)計要求。

3.3 鋼絲圈

鋼絲圈采用Ф1.55 mm高強度胎圈鋼絲，呈15°斜六角形排列，排列方式為9-10-11-11-10-9，共60根，通過計算，鋼絲圈的安全倍數(shù)達到8.41，符合設(shè)計要求。

3.4 有限元優(yōu)化

根據(jù)以上基本設(shè)計，完成材料分布圖，利用有限元仿真分析對施工設(shè)計方案進行優(yōu)化[7-10]，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同施工設(shè)計方案輪胎接地印痕仿真結(jié)果

以胎肩部位接地長度與胎冠中部接地長度的比值作為評價指標(biāo)，同時考慮到該產(chǎn)品用于拖車輪位，輪胎實際負荷較低，經(jīng)綜合評估，選擇方案3進行產(chǎn)品開發(fā)。

3.5 成型及硫化

采用VMI四鼓一次法成型機成型，成型工藝質(zhì)量穩(wěn)定；采用熱板式硫化機硫化，硫化條件為：外部蒸汽壓力 （0.26±0.03） MPa，外部溫度 （145±2） ℃，過熱水壓力 （2.6±0.1） MPa，內(nèi)部壓力 （0.8±0.05） MPa，總硫化時間 55 min。

4 成品輪胎性能

4.1 靜態(tài)性能

將外檢合格的成品輪胎安裝在測量輪輞上，在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下，分別按照GB/T 521—2003和GB/T 4051—2016進行外緣尺寸和強度性能測試，輪胎的D′和B′分別為921和286 mm，輪胎最小破壞能為7 745 J，滿足法規(guī)要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 4501—2016進行耐久性能測試，行駛47 h后，每10 h負荷增大10%直至輪胎損壞，本設(shè)計成品輪胎及B品牌和C品牌競品輪胎的耐久性能累計行駛時間分別為82，59和78 h。結(jié)果表明，本設(shè)計成品輪胎室內(nèi)耐久性能優(yōu)于競品輪胎，從而驗證了產(chǎn)品設(shè)計思路正確，即降低胎肩部位厚度與冠中厚度的比值可以提高胎肩的耐久 性能。

4.3 胎圈耐久性能

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將輪胎打磨除去花紋，進行胎圈耐久性能試驗，試驗條件為：充氣壓力 1 100 kPa，負荷 6 750 kg，速度 50 km·h-1，本設(shè)計成品輪胎及B品牌和C品牌競品輪胎的累計行駛時間分別為118，42和60 h。結(jié)果表明，本設(shè)計成品輪胎的胎圈耐久性能滿足60 h的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，且優(yōu)于競品輪胎。

4.4 接地印痕

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行接地印痕測試，試驗條件為：充氣壓力 900 kPa，試驗負荷 3 350 kg。輪胎接地印痕測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 輪胎接地印痕測試結(jié)果

從圖5可以看出，本設(shè)計成品輪胎的接地印痕呈矩形，與仿真接地印痕一致，壓力分布較均勻，印證了減小胎肩部位厚度和弧度高可以得到矩形的接地印痕的設(shè)計思路。

5 結(jié)論

295/60R22.5 HF81低扁平比全鋼載重子午線輪胎的成功開發(fā)，證明采用較小的行駛面弧度高和減小胎肩部位厚度的設(shè)計思路是正確的，在提高胎肩耐久性能的同時獲得了矩形接地印痕。本設(shè)計成品輪胎各項性能均滿足設(shè)計要求，各花紋塊磨耗均勻。產(chǎn)品投入市場兩年來性能優(yōu)異，理賠率低，深受用戶歡迎，為公司帶來了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。