11R22.5無內(nèi)胎載重子午線輪胎的輕量化設(shè)計(jì)

王宗運(yùn)，張國棟，姬凱奇，李家棋

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著輪胎在全球范圍內(nèi)的高速發(fā)展，輪胎企業(yè)拓展海外業(yè)務(wù)以“精準(zhǔn)研發(fā)”為重點(diǎn)，為客戶提供貼合市場(chǎng)的產(chǎn)品。隨著對(duì)高速條件下無內(nèi)胎載重輪胎新的輕量化需求，各個(gè)輪胎廠家在原配輪胎市場(chǎng)上積極推廣使用輕量化產(chǎn)品。在優(yōu)質(zhì)高速道路和限載的情況下，與有內(nèi)胎載重子午線輪胎相比，無內(nèi)胎載重子午線輪胎在高速性能、長距離行駛、低滾動(dòng)阻力等方面具有很大的優(yōu)越性[1-2]。

為進(jìn)一步提升輪胎產(chǎn)品質(zhì)量、提高輪胎翻新次數(shù)，我公司對(duì)無內(nèi)胎載重子午線輪胎進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的普及和應(yīng)用，可通過射頻識(shí)別系統(tǒng)芯片對(duì)輪胎進(jìn)行全壽命周期管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控胎溫和胎壓，提示溫壓報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，避免使用不當(dāng)給客戶帶來經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)以11R22.5規(guī)格為例，介紹無內(nèi)胎載重子午線輪胎的輕量化設(shè)計(jì)。

1 試制方案

在原子午線輪胎材料分布圖模型的基礎(chǔ)上，優(yōu)化輪胎在胎冠區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)帶束層寬度和胎肩墊膠形狀，優(yōu)化胎冠部位的剛性，改善肩部散熱，提升產(chǎn)品耐久性能。

根據(jù)有限元模擬分析，改進(jìn)輪胎肩部材料的分布，輪胎模具分型面端點(diǎn)到1#帶束層外端點(diǎn)的距離（L）需大于15 mm，以避免因帶束層肩部材料生熱高而造成的早期損壞，帶束層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶束層結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)市場(chǎng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)向輪行駛面寬度要求的不同，為滿足車輛的行駛性能并考慮同一成型機(jī)量產(chǎn)的要求，調(diào)整1#帶束層與行駛面寬度的比值（R）及L，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 1#帶束層寬度設(shè)計(jì)

根據(jù)輪胎胎坯在硫化時(shí)1#和2#帶束層半部件膨脹后收縮比率不同以及帶束層端部差級(jí)確定2#帶束層的寬度。

根據(jù)花紋溝形式確定輪胎側(cè)部花紋溝位置，在保證1#，2#和0°帶束層端部差級(jí)的情況下，0°帶束層位置盡量避開花紋溝底，以避免因應(yīng)力集中而造成的早期花紋溝底裂。

為提高胎肩的散熱效率，在模具肩部花紋塊上增加一個(gè)寬度為2 mm、深度為2.5 mm的散熱槽，同時(shí)減小胎肩的厚度。具體改進(jìn)方案如下。

（1）減小胎肩厚度。在確?；y溝底的基部膠厚度情況下減小胎肩厚度，以防止輪胎在行駛過程中出現(xiàn)早期花紋溝底裂等非正常的失效模式。改進(jìn)前后的胎面如圖2所示。

圖2 胎面設(shè)計(jì)

（2）調(diào)整胎肩墊膠的尺寸。改進(jìn)前胎肩墊膠需墊平2#帶束層的端點(diǎn)；改進(jìn)后胎肩墊膠在使1#帶束層端點(diǎn)不上翹的情況下，需降低半成品部件的中心厚度。改進(jìn)前后的胎肩墊膠如圖3所示。

圖3 胎肩墊膠設(shè)計(jì)

（3）調(diào)整三角膠的尺寸。由單膠改為復(fù)合三角膠，在減小胎圈部位膠料厚度的同時(shí)，緩沖對(duì)負(fù)重的屈撓應(yīng)力及胎體簾線反包端點(diǎn)的應(yīng)力集中。改進(jìn)前后的三角膠如圖4所示。

圖4 三角膠設(shè)計(jì)

2 改進(jìn)效果

改進(jìn)前11R22.5無內(nèi)胎載重子午線輪胎技術(shù)參數(shù)：層級(jí) 16，充氣壓力 830 kPa，負(fù)荷能力3 000 kg，試驗(yàn)輪輞 8.25，外胎理論質(zhì)量 55 kg。

表2示出了半成品部件改進(jìn)前后的質(zhì)量對(duì)比。從表2可以看出，改進(jìn)后半成品質(zhì)量降低，并且成品輪胎總質(zhì)量減小了1.43 kg。

表2 半成品部件改進(jìn)前后的質(zhì)量 kg

改進(jìn)前后輪胎材料分布對(duì)比如圖5所示。從圖5可以看出，改進(jìn)前后輪胎胎肩厚度減小，胎冠剛性增加，胎圈部位的材料分布得到改進(jìn)，性能有所提升[3-5]。

圖5 輪胎材料分布對(duì)比

根據(jù)改進(jìn)方案進(jìn)行樣品試制，通過半成品部件掃描設(shè)備嚴(yán)格控制半成品部件尺寸，設(shè)定新的成型輥壓程序，進(jìn)行外觀與X光檢驗(yàn)。抽取1條合格成品輪胎，根據(jù)GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)度性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，成品輪胎強(qiáng)度性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

輪胎耐久性試驗(yàn)條件見表3。改進(jìn)前輪胎平均累計(jì)行駛時(shí)間為68 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)胎肩部位損壞，損壞形式均為熱損壞。改進(jìn)后2條成品輪胎耐久性試驗(yàn)的累計(jì)行駛時(shí)間分別為79和83 h，損壞部位均為胎肩，損壞形式均為熱損壞，排除試制過程的波動(dòng)影響，改進(jìn)后輪胎耐久性能比改進(jìn)前有較大提高。

表3 輪胎耐久性試驗(yàn)條件

輪胎高速性能試驗(yàn)條件見表4。改進(jìn)前輪胎平均累計(jì)行駛時(shí)間為35 h，處于速度為100 km·h-1階段，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)胎肩部位損壞，損壞形式為胎肩開裂。改進(jìn)后2條輪胎高速性能試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間分別為48和50 h，處于速度為105 km·h-1階段，損壞部位均為胎肩，且均為熱損壞，排除試制過程的波動(dòng)影響，改進(jìn)后輪胎高速性能比改進(jìn)前有較大提高。

表4 輪胎高速性能試驗(yàn)條件

3 結(jié)論

借助有限元分析手段對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)材料分布模型進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化半成品部件的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制工藝過程，使輪胎結(jié)構(gòu)更加合理。在保證輪胎安全性的前提下，減小了輪胎自身質(zhì)量，改善了輪胎胎肩部位散熱能力，提高其高速和耐久性能，輪胎的使用壽命延長，終端客戶滿意度提升，同時(shí)滿足主機(jī)廠對(duì)產(chǎn)品輕量化的需求。