305/70R22.5全鋼載重子午線輪胎的輕量化設(shè)計(jì)

梁千頃，李 昭，馬向前，石亞玲

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著電動(dòng)汽車的興起，相關(guān)高科技零配件的研發(fā)也備受關(guān)注。早在1993年9月，已有輪胎巨頭企業(yè)宣布開(kāi)始研制電動(dòng)汽車輪胎[1-2]。由于電動(dòng)汽車能量輸出及電量?jī)?chǔ)存受限，電動(dòng)汽車輪胎具有質(zhì)量減小的要求，同時(shí)由于電動(dòng)汽車動(dòng)力輸出響應(yīng)快，輪胎瞬間應(yīng)力較大，對(duì)胎圈有很大考驗(yàn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法易出現(xiàn)胎圈早期損壞。為滿足電動(dòng)汽車的使用要求，我廠重新開(kāi)發(fā)了305/70R22.5全鋼載重子午線輪胎。

1 技術(shù)要求

根據(jù)GB 2977—2016《載重汽車輪胎、尺寸、氣壓與負(fù)荷》[3-4]，確定全鋼子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度 228.6 mm（9.00英寸），允許使用輪輞寬度 209.55 mm（8.25英寸）；充氣外直徑（D′） 1 000（988～1 012） mm，充氣斷面寬（B′）305（293～317） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 3 550 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

胎冠設(shè)計(jì)結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，周向伸張極小，輪胎充氣后外直徑相對(duì)于模具外直徑變化不大。并且?guī)鴮咏Y(jié)構(gòu)及簾線配置直接影響到輪胎充氣后的性能，本設(shè)計(jì)繼續(xù)使用3層帶束層＋2層0°冠帶條結(jié)構(gòu)。依據(jù)我公司多年的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，充氣后D一般在0～4 mm內(nèi)變化，因此本設(shè)計(jì)D取996 mm，B取303 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.004，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.006。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是影響輪胎接地形狀、耐磨性能和使用壽命的重要技術(shù)參數(shù)。為了獲得更好的輪胎接地形狀和耐磨性能，采用有限元分析方法優(yōu)化b和h。本設(shè)計(jì)b取260 mm，b/B為0.858，h取11.2 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d是決定輪輞裝配緊密性的關(guān)鍵，直接影響到輪胎的氣密性和使用安全性，同時(shí)也直接影響輪胎裝配的難易程度。一般過(guò)盈量取1～2 mm，本設(shè)計(jì)d取570.5 mm。

為保證順利充氣，本設(shè)計(jì)C比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度大0.5英寸，取241.3 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

胎冠和胎圈位置是輪胎承載受力的最大區(qū)域，一般斷面高度（H）被水平軸分為上下2個(gè)部分，下半部分為H1，上半部分為H2。因?yàn)殡妱?dòng)汽車扭力響應(yīng)速度快，輪胎胎圈瞬間應(yīng)力大，胎圈位置易發(fā)生損壞。為加強(qiáng)胎圈位置剛性，本設(shè)計(jì)H1/H2取0.795。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

胎面花紋對(duì)輪胎的通過(guò)性和耐久性能都有直接影響[5-7]。由于本設(shè)計(jì)輪胎主要用于市內(nèi)公交，路面一般為柏油路面，胎面花紋采用高飽和度公路花紋，設(shè)計(jì)花紋深度為19 mm，花紋飽和度為75%，花紋周節(jié)數(shù)為52，可以抵抗電動(dòng)汽車高扭矩對(duì)胎面的損傷，保證輪胎耐磨性能好且磨耗均勻。為提高胎面的附著性能，主花紋溝采用Z字形設(shè)計(jì)，并在冠中3條肋條增加Z字形深溝槽。同時(shí)，為提高輪胎的自清潔性，花紋溝底增加排石臺(tái)設(shè)計(jì)，使花紋溝底泥沙更易清除，石子更易排出。

胎面花紋展開(kāi)如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開(kāi)示意

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面半制品截面如圖3所示。根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境，胎面采用翼型結(jié)構(gòu)，采用3種配方：上半部分采用超耐磨配方以保證行駛里程；兩翼采用特殊的配方以減小肩部生熱；基部增加粘合性能優(yōu)異的膠片。

圖3 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 胎體

胎體采用低成本鋼絲簾線，鋼絲簾線規(guī)格為3＋9＋15×0.175＋0.15。鋼絲簾線應(yīng)力計(jì)算采用比德?tīng)柭?，?jì)算得到胎體安全倍數(shù)為7.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 帶束層

載重子午線輪胎冠部帶束層通常為2—4層，本設(shè)計(jì)冠部帶束層采用3層鋼絲簾布，靠近胎體的為1#帶束層，稱為過(guò)渡層，簾線角度呈24°；2#帶束層為工作層，簾線角度呈15°；3#帶束層為保護(hù)層，簾線角度呈15°[8]。根據(jù)多年設(shè)計(jì)及實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)胎肩位置0°帶束層起到明顯的箍緊效果，可減少胎肩損壞，所以本設(shè)計(jì)胎肩使用0°帶束層，1#和2#帶束層均采用3＋9＋15×0.22＋0.15鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.30HI鋼絲簾線，帶束層安全倍數(shù)為9.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 胎圈

胎圈鋼絲直徑為1.65 mm，鋼絲覆膠后直徑為1.80 mm，材質(zhì)選用鍍銅回火胎圈專用鋼絲。鋼絲圈呈平行四邊形排列，計(jì)算應(yīng)力安全倍數(shù)為9，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 成型和硫化

本設(shè)計(jì)采用一次法三鼓成型機(jī)成型。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主鼓直徑為530 mm，鋼絲圈扣圈寬度為636 mm，帶束層貼合鼓周長(zhǎng)為2 875 mm。成型中各半部件貼合密實(shí)，保證輪胎的動(dòng)平衡性能和均勻性。

硫化采用活絡(luò)模模具硫化，加熱方式選用蒸鍋式硫化，總硫化時(shí)間為52 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

新胎安裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞上，按照標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力要求[9]充氣至900 kPa，實(shí)測(cè)輪胎D′為999 mm，B′為302 mm，均符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)壓穿試驗(yàn)方法測(cè)試成品輪胎強(qiáng)度性能[8-11]，充氣壓力為900 kPa，壓頭直徑為38 mm。輪胎被壓穿時(shí)的破壞能為5 500.9 J（國(guó)家規(guī)定值為3 051 J），達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的180%。

4.3 胎圈耐久性能

將胎冠花紋打磨至磨耗標(biāo)志處，充氣壓力為950 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷為4 900 kg（標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的138%），行駛速度始終保持為20 km·h-1，成品輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為370 h，符合設(shè)計(jì)要求（公司控制要求不短于250 h）。

4.4 成品耐久性能

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)試成品耐久性能，充氣壓力為900 kPa，負(fù)荷為3 550 kg且保持恒定，試驗(yàn)過(guò)程保持恒定速度為65 km·h-1，持續(xù)行駛至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求（47 h）后，停機(jī)檢查輪胎并未發(fā)生損壞。按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（限值為57 h）繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)[12-13]，如表1所示，負(fù)荷增加10%持續(xù)行駛10 h后，持續(xù)增加負(fù)荷，直到輪胎損壞為止，最終累計(jì)行駛時(shí)間為69.4 h。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎花紋溝底部有裂口導(dǎo)致漏氣，成品輪胎耐久性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成品輪胎耐久性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

305/70R22.5全鋼載重子午線輪胎設(shè)計(jì)著重考慮了安全性和承載能力，體現(xiàn)電動(dòng)汽車輪胎的使用特點(diǎn)。成品輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能和耐久性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。輪胎投放市場(chǎng)后，其優(yōu)良的安全性和承載性能得到用戶的好評(píng)。