295/80R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎胎圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

段付楊，趙飛燕，王宗運(yùn)，張 東，劉冬源

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著時(shí)代的發(fā)展，道路基礎(chǔ)設(shè)施越來越完善，高速公路和快速通道已成為重要的交通道路，同時(shí)道路限載管理越來越嚴(yán)格。為適應(yīng)當(dāng)前道路和車輛行駛的需要，輪胎市場管理日趨嚴(yán)格，無內(nèi)胎輪胎逐漸成為中長途運(yùn)輸車輛使用的主流產(chǎn)品。295/80R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎是當(dāng)前國內(nèi)外各主機(jī)廠主推車型的配套輪胎，其產(chǎn)品性能代表了輪胎企業(yè)的技術(shù)水平。

我公司生產(chǎn)的295/80R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎主要銷往國內(nèi)和東南亞市場，應(yīng)用范圍廣泛，但其在海外某些地區(qū)超載使用過程中出現(xiàn)了中期胎圈損壞現(xiàn)象，給客戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，也給公司聲譽(yù)帶來不良影響。為此我們結(jié)合295/80R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎在國內(nèi)外的使用情況，對其胎圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過成品輪胎胎圈耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，可提高輪胎的胎圈耐久性能，提升產(chǎn)品競爭力。

1 胎圈開裂形式

根據(jù)市場反饋和走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，295/80R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎胎圈開裂的主要形式為胎圈脫層和胎圈防水線上方周向裂口，如圖1和2所示。通過對市場返回輪胎分析，發(fā)現(xiàn)其早期為損壞點(diǎn)胎圈內(nèi)部骨架材料端點(diǎn)形成裂紋并逐步向輪胎外表面和內(nèi)部延伸，導(dǎo)致骨架材料端點(diǎn)不斷屈撓變形[1]，引起胎圈部位生熱脫層，當(dāng)裂紋生長到達(dá)輪胎外表面即形成胎圈開裂，向內(nèi)則撕裂三角膠，導(dǎo)致輪胎損壞。

圖1 胎圈脫層

圖2 胎圈防水線上方周向裂口

2 胎圈開裂原因分析

2.1 胎圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

全鋼載重子午線輪胎在胎圈部位始終存在應(yīng)力集中點(diǎn)，通過對各材料端點(diǎn)分布和半成品形狀的調(diào)整能夠減小胎圈部位的應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)合理的應(yīng)力梯度分布，降低骨架材料端點(diǎn)處的剪切應(yīng)力。若胎圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，骨架材料端點(diǎn)在一定范圍內(nèi)拉壓應(yīng)力變化大、剪切應(yīng)力高、各端點(diǎn)間級差小或過渡不合理等都會加快胎圈部位端點(diǎn)裂口，進(jìn)而引發(fā)脫層和胎圈開裂。另外，輪廓設(shè)計(jì)時(shí)輪胎斷面水平軸位置過低，輪胎在使用過程中最大變形區(qū)域接近胎圈，造成胎圈部位應(yīng)力應(yīng)變過大，從而引發(fā)胎圈部位損壞[2]。如果輪胎在超載或低氣壓條件下行駛，剪切應(yīng)力和胎圈部位變形更大，將加速胎圈開裂的產(chǎn)生。

2.2 生產(chǎn)工藝過程異常

生產(chǎn)工藝過程的穩(wěn)定性和一致性決定了輪胎的質(zhì)量，生產(chǎn)工藝過程中造成成品輪胎胎圈缺陷的主要因素如下。

（1）胎圈部位三角膠、胎側(cè)部件間有雜物或表面噴霜，焦燒導(dǎo)致粘合性能下降，易在接頭處形成氣泡，以及胎體簾布層端點(diǎn)厚度過渡不合理，導(dǎo)致臺階大、易存氣，輪胎運(yùn)行過程中出現(xiàn)胎圈脫層。

（2）鋼絲圈包布裁斷寬度和角度不準(zhǔn)確導(dǎo)致胎圈圓周各位置受力不均勻。

（3）成型過程中由于定位方式設(shè)置不合理或定位燈標(biāo)精度失效導(dǎo)致胎體簾布反包端點(diǎn)、鋼絲圈包布端點(diǎn)、耐磨膠端點(diǎn)以及加強(qiáng)層端點(diǎn)分布不滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致胎圈部位應(yīng)力集中，輪胎運(yùn)行中產(chǎn)生裂紋逐漸演變成胎圈開裂[3]。

2.3 使用條件不規(guī)范

通過追溯異常胎圈損壞輪胎的實(shí)際使用條件，發(fā)現(xiàn)存在以下共性問題：輪胎充氣壓力過低、車輛超載以及使用非標(biāo)準(zhǔn)輪輞等，其均為胎圈開裂的主要原因。

3 胎圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

從胎圈實(shí)際損壞情況看，其主要的破壞點(diǎn)在胎體簾布反包端點(diǎn)和鋼絲圈包布外端點(diǎn)，因此為解決胎圈開裂問題，可從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出優(yōu)化措施，如盡量提高胎圈剛性和承載力、減小骨架材料端點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變集中、合理設(shè)計(jì)材料分布。通過對胎圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善胎圈部位受力狀況，減小應(yīng)變，降低生熱，并使胎圈應(yīng)力分布更合理[4-5]。

3.1 方案1

為提高胎圈剛性，可減小下胎側(cè)變形、增大胎體反包端點(diǎn)高度和鋼絲圈包布反包高度，優(yōu)化胎圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使耐磨膠端點(diǎn)、鋼絲圈包布外端點(diǎn)和胎體反包端點(diǎn)分布合理。

3.2 方案2

為降低胎圈部位應(yīng)力集中，同時(shí)降低端點(diǎn)的軸向剪切力，減小胎圈剛性突變，使胎圈應(yīng)力分布合理，在不改變胎體反包高度和鋼絲圈包布反包端點(diǎn)高度條件下可使用纖維包布加強(qiáng)胎圈結(jié)構(gòu)，覆蓋胎體反包端點(diǎn)和鋼絲圈包布反包端點(diǎn)。

3.3 方案3

增大鋼絲圈包布寬度，合理調(diào)整胎體和鋼絲圈包布定位，使胎圈各端點(diǎn)剛性平緩過渡，從而優(yōu)化胎圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該方案既可提高胎圈剛性，減小胎圈形變，又能降低胎圈部位應(yīng)力集中，同時(shí)減小骨架材料的軸向剪切力。

4 成品輪胎試驗(yàn)

4.1 輪胎試制

根據(jù)公司現(xiàn)有工藝，采用以上3個(gè)方案試制295/80R22.5 18PR無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎。試制輪胎的材料分布基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 成品試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)方法

利用胎圈耐久性試驗(yàn)測試輪胎在超負(fù)荷狀態(tài)下的胎圈耐久性能。

試驗(yàn)方法為：將輪胎胎面打磨至磨耗標(biāo)志處，裝上試驗(yàn)輪輞，充入標(biāo)準(zhǔn)氣壓，輪胎輪輞組合體在（30±3） ℃下至少停放3 h；將輪胎安裝在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)上，運(yùn)行速度為30 km·h-1，試驗(yàn)負(fù)荷為單胎額定負(fù)荷（3 750 kg）的200%。試驗(yàn)環(huán)境溫度為（30±3） ℃，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)連續(xù)勻速運(yùn)行，直至輪胎損壞為止。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用胎圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的試驗(yàn)輪胎與工廠生產(chǎn)輪胎的胎圈耐久性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 各方案試驗(yàn)輪胎與生產(chǎn)輪胎胎圈耐久性試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，3個(gè)胎圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案輪胎的胎圈耐久性能均優(yōu)于生產(chǎn)輪胎，其中試驗(yàn)輪胎方案3結(jié)果最優(yōu)，方案2次之，且2種方案輪胎耐久性能均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（120 h），說明通過優(yōu)化胎圈結(jié)構(gòu)可以提高無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎胎圈的耐久性能。

5 結(jié)語

通過分析295/80R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎胎圈開裂的原因，提出改善胎圈耐久性能的優(yōu)化方案，并進(jìn)行了室內(nèi)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)胎圈結(jié)構(gòu)，使各部位材料分布更合理，可以提高其胎圈耐久性能和輪胎的綜合性能，降低了因胎圈開裂導(dǎo)致的理賠率，提升了客戶滿意度，同時(shí)可設(shè)計(jì)出滿足不同胎圈耐久性能需求的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同的市場。