445/45R19.5超低斷面寬基全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)

于國(guó)鴻，姜 娉，韓 菁，李曉林，孫宗濤

[1.浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266042；2.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界輪胎制造業(yè)生產(chǎn)基地，40，45和50系列低斷面寬基輪胎在歐洲和美國(guó)市場(chǎng)的銷售量逐年增大，同時(shí)隨著全球環(huán)保節(jié)能意識(shí)的普及，低滾動(dòng)阻力和燃油消耗輪胎的研發(fā)成為一種趨勢(shì)。寬基輪胎應(yīng)用子午化、扁平化和無(wú)內(nèi)胎化的技術(shù)，以單胎代替普通斷面的并裝輪胎，具有輪胎和輪輞總成質(zhì)量小、承載能力大、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，可以在整車不超載的前提下裝載更多貨物，且與雙胎并用相比，寬基輪胎維護(hù)保養(yǎng)便利、滾動(dòng)阻力低，可以有效減少油耗，降低用戶成本，同時(shí)也可解決雙胎并用容易出現(xiàn)的并胎和異常磨損等問(wèn)題。

為適應(yīng)當(dāng)前輪胎的發(fā)展趨勢(shì)，在國(guó)際輪胎市場(chǎng)擁有一席之地，提高產(chǎn)品的檔次和市場(chǎng)占有率，我公司開發(fā)了一系列高品質(zhì)超低斷面寬基全鋼載重子午線輪胎[1-5]，現(xiàn)將代表規(guī)格445/45R19.5輪胎的設(shè)計(jì)情況簡(jiǎn)介如下。

1 技術(shù)要求

輪胎產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)符合當(dāng)前的各種標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)要求，根據(jù)ETRTO《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》確定445/45R19.5輪胎的基本技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量輪輞 15.00，充氣外直徑（D′） 895（883～911） mm，充氣斷面寬（B′） 446（428～464） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷4 500 kg，負(fù)荷指數(shù) 160。

2 外輪廓設(shè)計(jì)

2.1 有限元仿真分析

隨著有限元仿真技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，仿真分析越來(lái)越多地應(yīng)用于輪胎新產(chǎn)品開發(fā)中，大大縮短了開發(fā)驗(yàn)證周期，提升了研發(fā)效率。本設(shè)計(jì)結(jié)合以往的產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)先設(shè)定一個(gè)初始輪廓作為基準(zhǔn)進(jìn)行有限元分析。根據(jù)初始的仿真分析結(jié)果，有針對(duì)性地調(diào)整設(shè)計(jì)外直徑（D）、斷面寬（B）、行駛面寬度（b）、胎冠弧半徑（Rn）、行駛面弧度高（h）及胎圈著合寬度（C）等參數(shù)，前后共進(jìn)行6個(gè)方案的仿真分析。方案1為對(duì)比方案，方案2調(diào)整Rn及h，方案3調(diào)整b及h，方案4調(diào)整Rn，D，B及h，方案5調(diào)整Rn，B及h，方案6調(diào)整Rn及C。有限元仿真分析結(jié)果如下。

2.1.1 充氣外緣尺寸

輪胎充氣外緣尺寸仿真結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎充氣外緣尺寸仿真結(jié)果 mm

從表1可以看出，6個(gè)方案輪胎的充氣外直徑和充氣斷面寬變化不大，且均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

2.1.2 接地印痕

各方案輪胎接地印痕形狀仿真結(jié)果如圖1所示，接地印痕短軸方向接地壓力分布仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 輪胎接地印痕形狀仿真結(jié)果

從圖1可以看出，6個(gè)方案輪胎的接地印痕形狀均可接受。

從圖2可以看出，方案4輪胎胎肩部位的接地壓力最小。

圖2 輪胎接地印痕短軸方向接地壓力分布仿真結(jié)果

2.1.3 胎肩受力

輪胎胎肩部位受力分布云圖仿真結(jié)果如圖3所示，方案1—6輪胎胎肩部位最大應(yīng)變能密度仿真結(jié)果分別為0.78，1.03，0.93，0.12，0.25和0.72 mJ·mm-3。

圖3 胎肩部位受力分布云圖仿真結(jié)果

由圖3可以看出，方案4輪胎胎肩部位受力最小，其最大應(yīng)變能密度明顯小于其他方案輪胎。

2.1.4 胎圈耐久性能

胎圈耐久性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為胎體反包端點(diǎn)和增強(qiáng)層反包端點(diǎn)的應(yīng)變能密度，取二者較大值，方案1—6輪胎胎圈部位最大應(yīng)變能密度仿真結(jié)果分別 為0.028，0.027，0.028，0.010，0.010和0.009 mJ·mm-3。

由此可見(jiàn)，方案4，5和6輪胎胎圈部位最大應(yīng)變能密度基本相同，且明顯較小。

我公司目前對(duì)輪胎充氣外輪廓仿真預(yù)測(cè)及接地印痕形狀和壓力分布分析與實(shí)測(cè)值的吻合度已分別達(dá)到93%和90%以上，結(jié)合胎肩及胎圈耐久性能預(yù)測(cè)，考慮到寬基輪胎使用過(guò)程中普遍存在磨胎肩問(wèn)題，優(yōu)選出方案4為本設(shè)計(jì)的外輪廓方案。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 D和B

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)D取902 mm，B取436 mm。

2.2.2 b和h

考慮輪胎的整體耐磨性能，防止使用過(guò)程中出現(xiàn)胎肩畸磨等缺陷，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮盡可能減小胎肩部位的應(yīng)力集中。根據(jù)平衡輪廓理論，b值應(yīng)與輪輞寬度接近，本設(shè)計(jì)b取392 mm?？紤]寬基輪胎的變形特點(diǎn)，尤其是寬基輪胎普遍存在的磨胎肩現(xiàn)象，除了采用較大Rn設(shè)計(jì)以外，合理的h也可抵消一部分變形，結(jié)合有限元分析結(jié)果，本設(shè)計(jì)h取13.8 mm。

2.2.3 胎圈著合直徑（d）和C

胎圈部位的設(shè)計(jì)主要考慮胎圈與輪輞的著合性能和氣密性，胎圈著合曲線主要根據(jù)輪輞曲線，按照公司的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)；d按照公司胎圈直徑為495 mm（19.5英寸）輪胎的設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，取493.5 mm，C值采用標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度380 mm。

2.2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

根據(jù)仿真結(jié)果，本設(shè)計(jì)H1/H2取0.94，輪胎斷面輪廓如圖4所示。

圖4 輪胎斷面輪廓示意

2.2.5 花紋設(shè)計(jì)

花紋設(shè)計(jì)直接關(guān)系輪胎的滾動(dòng)阻力、噪聲、耐磨性能、抗?jié)窕阅?、?cè)偏性能和散熱性能等。445/45R19.5輪胎主要出口歐洲和美洲市場(chǎng)，該市場(chǎng)的路面狀況相對(duì)較好，高速公路發(fā)達(dá)，對(duì)輪胎的使用要求較高。

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及競(jìng)品分析，確定胎面采用6條縱向花紋溝設(shè)計(jì)，兩側(cè)胎肩設(shè)置防護(hù)溝以應(yīng)對(duì)寬基輪胎普遍存在的胎肩異常磨損現(xiàn)象，花紋塊均設(shè)計(jì)橫向刀槽花紋，以增大輪胎的抓著能力和扭轉(zhuǎn)剛度；通過(guò)對(duì)花紋細(xì)節(jié)的特殊處理增大花紋筋條的穩(wěn)定性以提高輪胎使用中后期的耐磨性能；較淺的花紋溝及超寬的行駛面有利于降低滾動(dòng)阻力。

本設(shè)計(jì)的TH135花紋采用等節(jié)距設(shè)計(jì)，花紋深度為14 mm，花紋飽和度為81.25%，花紋周節(jié)數(shù)為52，胎面花紋平面展開如圖5所示。

圖5 胎面花紋平面展開示意

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

本設(shè)計(jì)胎面采用雙配方復(fù)合結(jié)構(gòu)，胎面膠應(yīng)用耐磨及低滾動(dòng)阻力配方，基部膠采用成熟的低生熱配方，即傳統(tǒng)意義上的兩方兩塊結(jié)構(gòu)。為保證胎面半成品的致密性和尺寸穩(wěn)定性，采用雙復(fù)合擠出機(jī)擠出，同時(shí)嚴(yán)格控制口型擠出溫度不高于120 ℃。胎面半成品冠部寬度與成品行駛面寬度的比值為0.92，肩部厚度為胎冠中部厚度的1.35倍，硫化后的斷面分析符合所選方案仿真分析時(shí)的材料分布圖。

3.2 帶束層及其纏繞技術(shù)

3.2.1 帶束層

輪胎使用過(guò)程中主要的承載受力部位是帶束層，帶束層的剛性對(duì)輪胎的使用性能有很大的影響，輪胎需具有足夠的剛性，以滿足均勻磨耗、平穩(wěn)行駛的性能要求。結(jié)合寬基輪胎苛刻的使用情況，在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的理論計(jì)算及仿真求證，最終本設(shè)計(jì)采用4層帶束層結(jié)構(gòu)。1#帶束層為過(guò)渡層，與胎體簾布間起到過(guò)渡和緩沖的作用，降低其剪切力，1#帶束層采用3＋8×0.33HT高強(qiáng)度鋼絲簾線，角度為43°；2#和3#帶束層為主要受力的工作層，其強(qiáng)度直接影響到輪胎的使用性能，角度不宜過(guò)大，同樣采用3＋8×0.33HT高強(qiáng)度鋼絲簾線，角度為16°；4#帶束層為保護(hù)層，緩沖路面給帶束層帶來(lái)的沖擊以及翻新輪胎打磨時(shí)對(duì)工作層起到保護(hù)作用，采用高伸長(zhǎng)、高抗沖擊全滲膠結(jié)構(gòu)的5×0.35HI鋼絲簾線，角度為16°。帶束層的安全倍數(shù)為10.25，滿足使用需求。

3.2.2 帶束層纏繞技術(shù)

在傳統(tǒng)4層帶束層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，同時(shí)進(jìn)行了帶束層無(wú)限纏繞技術(shù)的研究，采用先進(jìn)的無(wú)限帶束層纏繞技術(shù)，可均勻分散胎面接地應(yīng)力，提高輪胎耐偏磨性能以及優(yōu)化滾動(dòng)阻力，降低油耗，提高輪胎總行駛里程；同時(shí)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小工作層簾線之間的剪切應(yīng)變，提高輪胎耐久性能，降低帶束層脫層風(fēng)險(xiǎn)。帶束層平鋪方式如圖6所示。

圖6 帶束鼓部件鋪貼示意

3.3 胎體

考慮寬基輪胎使用條件比較苛刻，尤其需要具有足夠的安全性能，因此胎體設(shè)計(jì)尤為重要。胎體強(qiáng)度決定了輪胎的安全性能，本設(shè)計(jì)胎體采用3＋9＋15×0.20ST超高強(qiáng)度鋼絲簾線，其具有較高的性價(jià)比及較小的質(zhì)量指數(shù)，已在公司其他產(chǎn)品中推廣應(yīng)用。胎體安全倍數(shù)超過(guò)10，可以很好地保證胎體的強(qiáng)度。

3.4 胎圈

無(wú)內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎鋼絲圈的設(shè)計(jì)大多以斜六角形鋼絲圈為主，目前行業(yè)里大量使用的胎圈鋼絲有Φ1.55HT，Φ1.65NT及Φ1.83HT等型號(hào)，單根纏繞也是成熟的生產(chǎn)工藝。本設(shè)計(jì)選用Φ1.65 mm鍍錫青銅回火胎圈鋼絲，排列方式為9-10-11-12-11-10-9，共72根，鋼絲圈內(nèi)直徑為497.5 mm。三角膠的貼合采用自動(dòng)熱貼，可提升半成品部件質(zhì)量穩(wěn)定性，保證胎圈底部與輪輞接觸良好。與胎體選擇的考慮方向一致，胎圈安全倍數(shù)計(jì)算結(jié)果也高于常規(guī)普通斷面輪胎。

3.5 成型

由于寬基輪胎的特殊性，結(jié)合公司的設(shè)備現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)輪胎成型選擇一次法膠囊三鼓成型機(jī)。為提升設(shè)備利用率及減少設(shè)備一次性投入資金，對(duì)成型機(jī)進(jìn)行了改造，追加了胎體貼合鼓、帶束鼓工裝、傳遞環(huán)工裝及胎圈預(yù)置器等新工裝，對(duì)設(shè)備程序進(jìn)行了升級(jí)，將原先只能生產(chǎn)胎圈直徑為572 mm（22.5英寸）輪胎的成型機(jī)改造為既能生產(chǎn)572 mm寬基輪胎又能生產(chǎn)495 mm（19.5英寸）寬基輪胎。同樣，在胎面供料架上方進(jìn)行了冠帶條單根纏繞工藝改造，此項(xiàng)改造作為可選項(xiàng)，在有纏繞工藝需求時(shí)可選用。

3.6 硫化

硫化采用1 613 mm（63.5英寸）熱板液壓全自動(dòng)雙模輪胎定型硫化機(jī)，硫化膠囊根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)與外協(xié)廠家溝通，采用外購(gòu)定制膠囊。通過(guò)發(fā)泡點(diǎn)試驗(yàn)確定發(fā)泡點(diǎn)時(shí)間，發(fā)泡點(diǎn)時(shí)間與安全時(shí)間之和為對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的硫化時(shí)間。具體硫化條件為：一次蒸汽溫度 198 ℃，熱板及模套溫度 145℃，總硫化時(shí)間 55 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)量，D′為903 mm，B′為437 mm，測(cè)量結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)要求公差范圍內(nèi)。

4.2 強(qiáng)度性能

該輪胎設(shè)計(jì)的載荷能力是22層級(jí)，強(qiáng)度性能按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，選用壓頭直徑為38 mm，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)的最小破壞能為2 819 J。試驗(yàn)第5點(diǎn)以壓頭觸及輪輞為止，輪胎破壞能為5 227.4 J，為額定最小破壞能的185.4%，輪胎強(qiáng)度性能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，符合公司的內(nèi)控要求。

4.3 耐久性能和高速性能

耐久性能采用相對(duì)嚴(yán)苛的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，成品輪胎累計(jì)行駛時(shí)間達(dá)到企業(yè)內(nèi)控77 h（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)47 h）不壞的標(biāo)準(zhǔn)，耐久性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

輪胎高速性能按照企業(yè)內(nèi)控試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，輪胎高速性能試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間達(dá)到90 min以上（限值為75 min）。高速性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

445/45R19.5超低斷面寬基全鋼載重子午線輪胎的外觀花紋獨(dú)特，室內(nèi)各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前該產(chǎn)品已通過(guò)歐盟E4認(rèn)證及R117滾動(dòng)阻力、噪聲和抗?jié)窕阅苷J(rèn)證，成為公司出口歐美市場(chǎng)的有力競(jìng)品，可為公司創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。