綠色高里程全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)研發(fā)

呂 偉，劉永強(qiáng)，孫宗濤，王慎平，曲家玉，鞠 浩

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

隨著公路物流運(yùn)輸企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，伴隨國(guó)家對(duì)車(chē)輛超載治理的不斷深入，如何最大程度地降低運(yùn)輸成本成為各物流運(yùn)輸企業(yè)的終極追求。輪胎使用成本作為運(yùn)輸?shù)闹匾杀局?，?duì)物流公司及從業(yè)者有著重要影響。適應(yīng)公路物流運(yùn)輸新形勢(shì)的高里程、低生熱綠色產(chǎn)品，已成為全鋼載重子午線輪胎的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)調(diào)研表明，僅有較少輪胎企業(yè)的載重輪胎產(chǎn)品在實(shí)際使用中行駛里程達(dá)到40萬(wàn)km以上。為此我公司開(kāi)發(fā)了一款綠色、高里程全鋼載重子午線輪胎，現(xiàn)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 仿真技術(shù)

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段運(yùn)用我公司自主開(kāi)發(fā)的TDSS輪胎設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)評(píng)估產(chǎn)品性能，保證輪胎性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。主要仿真內(nèi)容如下。

（1）輪胎的接地印痕和壓力分布。通過(guò)對(duì)比不同方案，優(yōu)選方案使輪胎的接地壓力分布更均勻，從而提高產(chǎn)品的耐磨性能，并確保輪胎具有較高的行駛里程[1]。輪胎的接地印痕云圖如圖1所示。

圖1 輪胎的接地印痕云圖

（2）輪胎內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。通過(guò)仿真得到輪胎滾動(dòng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布情況（見(jiàn)圖2），優(yōu)選出生熱較低的方案，以保證輪胎具有優(yōu)異的耐久性能。

圖2 輪胎滾動(dòng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布

（3）輪胎花紋塊剛度。輪胎花紋塊剛度與耐磨性能相關(guān)度較高，通過(guò)有限元分析對(duì)比不同花紋塊剛度（見(jiàn)圖3），選擇高剛度花紋塊方案以提高輪胎的行駛里程。

圖3 輪胎花紋塊剛度仿真

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)要求

根據(jù)GB/T 2977—2016，確定輪胎技術(shù)參數(shù)為：測(cè)量輪輞 9.00，充氣外直徑（D′）1 085（1 068～1 100）mm，充氣斷面寬（B′）300（288～312）mm，負(fù)荷指數(shù) 152，速度級(jí)別149L，層級(jí) 18，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 830 kPa，單胎最大負(fù)荷 3 550 kg。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際使用條件，本次設(shè)計(jì)輪胎外直徑膨脹率[D′/D（外直徑）]為1.003，即D取1 082 mm，斷面寬膨脹率[B′/B（斷面寬）]為1.034，即B取290 mm。行駛面寬度（b）和弧度高（h）對(duì)輪胎的牽引性能和路面抓著力的影響較大，為保證輪胎的耐磨性能，本次設(shè)計(jì)b取240 mm，h取6.5 mm，h/H（斷面高）取0.025[1-4]。輪胎材料分布如圖4所示。

圖4 輪胎材料分布

2.3 花紋設(shè)計(jì)

為保證產(chǎn)品的耐磨性能，同時(shí)兼顧低生熱性能，花紋設(shè)計(jì)參數(shù)如下：花紋深度 17.5 mm，采用3種節(jié)距設(shè)計(jì)，節(jié)距總數(shù) 80，花紋節(jié)距比0.91∶1∶1.1，花紋飽和度 78.1%。

采用鉆石溝壁設(shè)計(jì)使花紋塊穩(wěn)定性和剛度達(dá)到最佳，減輕花紋塊受力時(shí)的變形蠕動(dòng)，從而提高輪胎的耐磨性能；采用2層臺(tái)設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)溝壁的傾斜角度，有利于防夾石和彈出石子，從而保護(hù)花紋溝底不受損傷。

增大邊塊比例設(shè)計(jì)，增加輪胎肩塊的體積，提高肩部剛性，從而改善花紋肩部偏磨和畸形磨損的情況[5-8]。

輪胎三維造型如圖5所示。

圖5 輪胎三維造型

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎冠

胎冠是輪胎與地面直接接觸的部分，因此要求其具有優(yōu)異的耐磨、抗刺扎、抗崩花掉塊等特點(diǎn)。運(yùn)用新型稀土順丁橡膠，高結(jié)構(gòu)、小粒徑超耐磨炭黑和新型加工助劑的合理配比，同時(shí)應(yīng)用補(bǔ)充母煉混煉工藝，實(shí)現(xiàn)膠料各組分的均勻分散和門(mén)尼粘度的穩(wěn)定。在提高胎冠膠料耐磨性能的同時(shí)使膠料具有更低的生熱和滾動(dòng)阻力，提高輪胎綜合性能。

為加快產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度，成品輪胎室內(nèi)耐磨性能試驗(yàn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，使用室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓磨耗試驗(yàn)機(jī)對(duì)成品輪胎（不同胎冠膠配方）進(jìn)行耐磨性能試驗(yàn)，通過(guò)模擬調(diào)整路面的摩擦因數(shù)、輪胎負(fù)荷、橫向力、縱向力和滑移角等參數(shù)，使測(cè)試條件更接近實(shí)際使用條件。

設(shè)競(jìng)品輪胎的耐磨指數(shù)為1，經(jīng)第1次室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓磨耗測(cè)試，方案1，2，3和基礎(chǔ)配方輪胎的耐磨指數(shù)分別為0.54，0.65，0.82和0.64，其中方案3最接近競(jìng)品輪胎。于是在方案3的基礎(chǔ)上對(duì)配方進(jìn)行了改善得到方案A和B并進(jìn)行了第2次室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓磨耗測(cè)試，2個(gè)試驗(yàn)方案輪胎的耐磨指數(shù)均有了進(jìn)一步的提高，分別達(dá)到了0.89和0.85。由于室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓磨耗無(wú)法完全與輪胎的實(shí)際裝車(chē)使用條件相符，使用方案A和B試制輪胎進(jìn)行實(shí)車(chē)對(duì)比路試。

選用前期試驗(yàn)?zāi)湍バ阅茏罴训奶ス谀z配方，工藝上采用定速、定量、穩(wěn)定的擠出方式，降低半成品氣孔率，從而保證膠料的密實(shí)度。

3.2 骨架材料

根據(jù)輪胎的市場(chǎng)定位及使用條件，本次設(shè)計(jì)胎體采用3＋9＋15×0.175＋0.15鋼絲簾線，安全倍數(shù)達(dá)到6.78，滿足設(shè)計(jì)的安全性能要求。制作工藝使用霍尼韋爾鋼絲壓延厚度自動(dòng)調(diào)整裝置，保證鋼絲簾布的厚度穩(wěn)定，并保證輪胎有足夠承載能力。

采用4層帶束層結(jié)構(gòu)，根據(jù)輪胎受力分析，2#和3#帶束層為主要受力層，均采用3＋8×0.33HT鋼絲簾線，1#帶束層采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線，4#帶束層采用5×0.35HI鋼絲簾線，1#—4#帶束層簾線角度依次為50°，18°，18°和18°，帶束層安全倍數(shù)達(dá)到6.3。

鋼絲圈排列結(jié)構(gòu)為8-9-10-11-10-9-8，胎圈鋼絲使用Φ1.65 mm的鍍青銅回火胎圈鋼絲，單根纏繞法生產(chǎn)，鋼絲圈安全倍數(shù)為6.4，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證胎圈具有足夠的強(qiáng)度和剛性。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)量，在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下，D′為1 085.4 mm，B′為300.4 mm，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4501—2016《載重汽車(chē)輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行輪胎強(qiáng)度性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 930 kPa，壓頭直徑 38 mm。成品輪胎的強(qiáng)度性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 成品輪胎的強(qiáng)度性能測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，成品輪胎的強(qiáng)度性能良好，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 耐久性能

成品輪胎的耐久性能按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 930 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷3 550 kg。成品輪胎的耐久性測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 成品輪胎的耐久性測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，成品輪胎耐久性測(cè)試的累計(jì)行駛時(shí)間為67 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎未損壞，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（累計(jì)行駛時(shí)間≥67 h）的要求。

4.4 高速性能

成品輪胎的高速性能按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 930 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷3 550 kg。成品輪胎高速性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 成品輪胎高速性能試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，成品輪胎的高速性能試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間為75 min，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎未損壞，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 路試情況

2019年5月，選取有代表性的北方、中原、南方多種作業(yè)環(huán)境，分別在山東榮成、山東聊城、廣東潮州和吉林4個(gè)地區(qū)設(shè)置了11部2-DD＋3型長(zhǎng)途標(biāo)準(zhǔn)載荷車(chē)輛并進(jìn)行同車(chē)對(duì)比路試，行駛路線覆蓋全國(guó)大部分地區(qū)。路試歷經(jīng)7—9月的高溫、高濕季節(jié)，在相同使用環(huán)境和車(chē)型條件下，試驗(yàn)輪胎A和B行駛里程均超出競(jìng)品1/3以上，輪胎的耐磨性能優(yōu)異，自潔性能、駕乘舒適性和性價(jià)比均優(yōu)于競(jìng)品。

5 結(jié)論

以該規(guī)格為代表的高行駛里程、綠色輪胎產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，在2019年8月通過(guò)了山東省橡膠行業(yè)協(xié)會(huì)專(zhuān)家組的科技成果評(píng)價(jià)，綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該產(chǎn)品將以高里程、極高性價(jià)比的特點(diǎn)在長(zhǎng)途公路運(yùn)輸物流市場(chǎng)取得一席之地。

該輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、耐久性能和高速性能均符合相應(yīng)國(guó)家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。高里程產(chǎn)品主要為長(zhǎng)途物流車(chē)輛設(shè)計(jì)，可大幅度帶動(dòng)中小型物流公司及個(gè)人車(chē)主使用。該規(guī)格輪胎經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證，性能良好，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的收益。