8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)

徐 劍，許美華

（山東領(lǐng)航輪胎研究院，山東 青島 264000）

雖然我國輪胎產(chǎn)業(yè)工業(yè)化起步相對(duì)較晚，但隨著經(jīng)濟(jì)飛躍式的發(fā)展，我國輪胎工業(yè)進(jìn)入了發(fā)展的快車道，逐漸成為世界輪胎生產(chǎn)大國。我國輪胎的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售服務(wù)水平不斷提升，部分國產(chǎn)輪胎品質(zhì)已經(jīng)對(duì)齊國際一線品牌產(chǎn)品，深受國內(nèi)外客戶的青睞。

我公司在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、匹配產(chǎn)品使用場(chǎng)景、用途細(xì)分、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和持續(xù)滿足客戶需求等方面不斷努力。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，結(jié)合我公司發(fā)展實(shí)際，采用有限元仿真分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎，現(xiàn)將其設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)GB/T 2977－2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》和《美國輪胎輪輞協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)年鑒（TRA）2018》，確定8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 6.5，充氣外直徑（D′） 847（833.14～860.86） mm，充氣斷面寬（B′） 236（226.56～245.44） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 825 kPa，最大負(fù)荷 1 850（單胎）/1 750（雙胎） kg，負(fù)荷指數(shù) 129（單胎）/127（雙胎），最大速度 110 km·h-1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的胎冠是由帶束層、胎體及冠部膠組成，其冠部剛性較大。結(jié)合我公司相近規(guī)格輪胎的D′，D及外直徑膨脹率（D′/D）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（見表1）可得，輪胎的周向和徑向變形較小，充氣后D一般增大0～4 mm，即D′/D為1.000～1.003。本設(shè)計(jì)D為836 mm，D′取838 mm，D′/D為1.002 4。

表1 相近規(guī)格輪胎的D′/D統(tǒng)計(jì)表

B與輪胎的輪廓設(shè)計(jì)、花紋設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)有一定關(guān)聯(lián)。結(jié)合我公司相近規(guī)格輪胎的B′，B及B′/B數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（見表2）可得，充氣后B變化一般在－5～5 mm，變化較小。本設(shè)計(jì)B取235 mm，B′取233 mm，B′/B為0.991 5。

表2 相近規(guī)格輪胎的B′/B統(tǒng)計(jì)表

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b的取值需綜合考慮胎面的耐磨性能、花紋的抓著性能及滾動(dòng)阻力等多方面因素，既要保證輪胎在行駛過程中胎面接地受力均勻，又要通過增大冠部剛性從而減小輪胎冠部變形誘發(fā)的熱量積累。合理的b和弧度半徑設(shè)計(jì)可以有效地改善輪胎的接地印痕形狀和接地壓力分布，有效地避免肩磨、冠磨等畸形磨損病象的發(fā)生，從而改善輪胎的耐磨性能，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。本次設(shè)計(jì)根據(jù)我公司現(xiàn)有較成熟產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，最終確定b取168 mm，采用兩段相切弧設(shè)計(jì)，肩部采用漸開線圓角的方式處理。

h的取值影響著輪胎的接地印痕形狀和胎冠壓力分布偏度值[1-4]。8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎初始設(shè)計(jì)的h為7.5 mm，將h作為設(shè)計(jì)變量，通過有限元分析方法研究h對(duì)輪胎耐磨性能和抓著性能的影響。

通過Abaqus有限元分析軟件分析可得：當(dāng)h分別取5.5，6.5和7.5 mm時(shí)，在額定充氣壓力下輪胎的D′和B′基本上沒有變化；在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下，輪胎的徑向剛度曲線隨著h的減小呈增大的趨勢(shì)；在額定充氣壓力、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下輪胎以60 km·h-1的速度進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)時(shí)，自由滾動(dòng)半徑隨著h的增大呈減小的趨勢(shì)，而相應(yīng)的自由滾動(dòng)角速度呈增大的趨勢(shì)。

自由滾動(dòng)工況下8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的接地印痕、接地面積和接地壓力偏度值及沿長(zhǎng)軸方向接地壓力分布的仿真結(jié)果分別如圖1、表3和圖2所示。

從圖1可以看出，輪胎的接地印痕矩形率隨著h的減小而增大。

圖1 自由滾動(dòng)工況下輪胎的接地印痕仿真結(jié)果

從表3可以看出，h為5.5 mm時(shí)，輪胎的接地面積和接地壓力偏度值都最大，因此適當(dāng)減小h有利于提高輪胎的抓著性能，但是不利于輪胎的耐磨性能。

表3 自由滾動(dòng)工況下輪胎的接地面積與接地壓力偏度值

從圖2可以看出，h增大1 mm對(duì)于沿長(zhǎng)軸方向的接地壓力分布影響比較明顯，其中胎冠中心區(qū)域3條花紋的接地壓力隨著h的增大而增大，胎肩邊緣及胎肩到胎冠的過渡區(qū)域的接地壓力隨著h的增大而減小，因此適當(dāng)減小h可以優(yōu)化胎肩到胎冠接地壓力的分布。綜上所述，本次設(shè)計(jì)h取6.5 mm。

圖2 輪胎沿長(zhǎng)軸方向的接地壓力分布

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

8.25R15TR輪胎的標(biāo)定輪輞直徑為385 mm（15.156英寸）或387 mm（15.250英寸），標(biāo)定

輪輞直徑為385 mm時(shí)，查輪輞標(biāo)準(zhǔn)得知此輪輞為FB-Ⅱ型5°平底輪輞；標(biāo)定輪輞直徑為387 mm時(shí)，查輪輞標(biāo)準(zhǔn)得知此輪輞為FB-Ⅰ型5°平底輪輞。本規(guī)格輪胎有內(nèi)胎，其充氣壓力由內(nèi)胎保證，同時(shí)考慮胎圈與輪輞著合的緊密性和人工裝卸方便，本次設(shè)計(jì)d取388 mm。

本規(guī)格輪胎標(biāo)準(zhǔn)輪輞為6.5，考慮到胎圈的受力以及輪胎與輪輞間的裝配情況，結(jié)合我公司以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，C的取值在原來基礎(chǔ)上增大12.7 mm（0.5英寸），本次設(shè)計(jì)C取177.8 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

全鋼載重子午線輪胎斷面水平軸位置是輪胎最薄、變形最大的位置，也是影響輪胎受力性能的關(guān)鍵位置之一，由于受到施工設(shè)計(jì)的影響，實(shí)際斷面水平軸的位置可能會(huì)在一定范圍內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)實(shí)際斷面水平軸的位置靠上時(shí)，容易引起肩部應(yīng)變能增大，導(dǎo)致肩部出現(xiàn)早期失效；同理，當(dāng)實(shí)際斷面水平軸的位置靠下時(shí)，容易造成胎圈出現(xiàn)早期的失效。綜合考慮本規(guī)格輪胎的承載和速度情況，結(jié)合我公司以往的成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)H1/H2取1.036。

2.5 胎面花紋

根據(jù)客戶需求、輪胎使用場(chǎng)景和競(jìng)品分析比較，我公司設(shè)計(jì)開發(fā)了以4條縱向花紋溝配合橫向?qū)Р鄣腦RA08花紋，花紋深度為13 mm，花紋飽和度為76.83%。胎面花紋展開和三維效果分別如圖3和4所示。

圖3 胎面花紋展開示意

圖4 胎面花紋三維效果

XRA08花紋通過Abaqus分析了輪胎的接地印痕和壓力分布，優(yōu)化了花紋塊的受力分布，提高了輪胎的抓著性能和耐磨性能；采用封閉形式胎肩設(shè)計(jì)，在提高胎肩部位剛性和支撐性能的同時(shí)，有效提高了輪胎的耐偏磨和抗撕裂性能；縱向花紋溝溝底增設(shè)彈石塊裝置，有效降低了夾石頭的概率并保證輪胎的自潔性能；花紋總周節(jié)數(shù)為54，采用長(zhǎng)、中、短3種節(jié)距組合的變節(jié)距設(shè)計(jì)，在保證輪胎具有良好的乘坐舒適性的同時(shí)，提高了產(chǎn)品的均勻性和動(dòng)平衡水平。

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面膠由采用天然橡膠和超耐磨炭黑配方的胎冠膠、低生熱配方的全分層基部膠和粘合膠片3部分組成，該設(shè)計(jì)可以保證輪胎接地胎冠區(qū)域的耐磨、抗刺扎和抓著力滿足要求，同時(shí)可以有效地降低輪胎冠部因變形而導(dǎo)致的熱量積累，粘合膠片可以實(shí)現(xiàn)從胎面到冠帶層的膠料粘性過渡[5-6]。

輪胎材料分布如圖5所示。

圖5 輪胎材料分布

3.2 帶束層

輪胎冠部采用3層帶束層+2層0°冠帶層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1#帶束層主要是承擔(dān)胎體和冠部的受力過渡作用，采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線；2#帶束層是工作層，采用強(qiáng)度更高的3＋8×0.33HT鋼絲簾線；3#帶束層主要是為了實(shí)現(xiàn)骨架材料與胎面之間的緩沖，使用5×0.30HI高緩沖鋼絲簾線；為了平衡肩部伸張，在2#帶束層上方纏繞兩層0°冠帶層，0°冠帶層選用13根3×7×0.20HE鋼絲簾線。根據(jù)有限元正交設(shè)計(jì)仿真計(jì)算，1#，2#和3#帶束層的角度分別取24°，15°和15°時(shí)綜合效果較佳，方向分別為正向、負(fù)向和正向；帶束層邊部采用包邊膠片，可以有效地隔離空氣，同時(shí)應(yīng)對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變效果較好，若條件允許2#帶束層可采用大包的工藝設(shè)計(jì)，其輪胎性能會(huì)更佳[7]。

胎冠是輪胎接地和受力的主要區(qū)域，而帶束層作為主要的受力部件之一，經(jīng)核算其安全倍數(shù)為6.5。

3.3 胎體

根據(jù)市場(chǎng)走訪調(diào)研并結(jié)合競(jìng)品分析，在胎體設(shè)計(jì)方面，本設(shè)計(jì)主要考慮輪胎的承載性能和翻新性能，因此對(duì)所使用鋼絲簾線的破斷力、耐屈撓性能和耐疲勞性能都有嚴(yán)格的要求。本設(shè)計(jì)中的胎體采用我公司目前應(yīng)用較為成熟的3×0.24/9×0.225CCST鋼絲簾線，胎體邊部采用包邊工藝，對(duì)應(yīng)肩部和鋼絲圈位置均采用冷貼膠片加厚工藝，保證簾線平直度的同時(shí)提高輪胎的工藝和性能通過性。胎體安全倍數(shù)計(jì)算結(jié)果為9.3。

3.4 胎圈

胎圈設(shè)計(jì)合理與否關(guān)系胎圈部位的故障率及翻新性能。考慮到市場(chǎng)使用翻新輪胎的需求，本設(shè)計(jì)采用覆膠直徑為1.8 mm、單絲破斷力不小于3.9 kN且排布更為合理的34根纏繞直徑為401.2 mm的5-6-7-8-7排布結(jié)構(gòu)，外纏繞1層厚度為1.0 mm的粘合膠片＋2層錦綸包布。采用60°跳線一次的工藝?yán)p繞，以應(yīng)對(duì)因胎體與鋼絲圈纏繞尖點(diǎn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生的早期失效問題，有效地降低了輪胎抽絲或斷絲的病象發(fā)生率。胎圈安全倍數(shù)計(jì)算結(jié)果為7.6。

3.5 成型

成型采用兩鼓一次法膠囊反包成型機(jī)，主鼓貼合直徑為373 mm，輔鼓貼合直徑為773 mm。根據(jù)我公司對(duì)輪胎動(dòng)平衡和均勻性的控制標(biāo)準(zhǔn)要求，采用現(xiàn)有成熟的接頭分散方案生產(chǎn)，膠部件接頭按照對(duì)齊、壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)坡接，鋼絲部件按照對(duì)齊、壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，接頭部位輥壓平實(shí)，設(shè)備精度定期校驗(yàn)，保證膠部件壓合及傳遞精度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.6 硫化

采用1 397 mm（55英寸）蒸鍋式雙模硫化機(jī)等效變溫硫化，在保證硫化受熱均勻的同時(shí)對(duì)于工廠的節(jié)能降耗作用明顯。具體硫化條件為：外壓蒸汽壓力 （0.36±0.01） MPa，外壓蒸汽溫度 （147±2） ℃，內(nèi)壓蒸汽壓力 （0.8±0.1）MPa，內(nèi)壓蒸汽溫度 （175±3） ℃，硫化時(shí)間39 min。

4 成品輪胎性能

4.1 充氣外緣尺寸

根據(jù)GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》對(duì)輪胎的充氣外緣尺寸進(jìn)行測(cè)量，在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下成品輪胎的D′為838 mm，B′為233 mm，磨耗高度為2.3 mm，均符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 成品內(nèi)控

根據(jù)公司的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)成品輪胎進(jìn)行X光、動(dòng)平衡、均勻性、氣泡、接地印痕和滾動(dòng)阻力等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)性能均符合公司檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 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》對(duì)輪胎的強(qiáng)度性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為：充氣壓力 825 MPa，壓頭直徑 38 mm。第5點(diǎn)破壞能為3 491.5 J，為標(biāo)準(zhǔn)值（2 282 J）的153%。

4.4 耐久性能

按照GB/T 4501—2016和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輪胎的耐久性能測(cè)試，試驗(yàn)條件如表4所示。耐久性測(cè)試輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為85 h，結(jié)束試驗(yàn)時(shí)輪胎外觀完好，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 輪胎耐久性測(cè)試條件

5 結(jié)論

8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能和耐久性能均符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的成功研發(fā)，完善了我公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了我公司此類產(chǎn)品的空白。自投放市場(chǎng)以來，產(chǎn)品認(rèn)可程度高，耐磨性能好且具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，得到海外用戶的廣泛認(rèn)可，提升了我公司產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。