起重機(jī)用385/95R25無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的輕量化設(shè)計(jì)

陳 宇，李曉明，劉 濤，周亞兵，婁召陽(yáng)，崔志武

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

近年來，隨著市場(chǎng)對(duì)起重機(jī)需求的不斷增加，我國(guó)起重機(jī)的出口量也日益增大，但是與國(guó)外起重機(jī)相比，國(guó)內(nèi)起重機(jī)在質(zhì)量上仍有一定的差距。此外，由于碳中和和碳達(dá)峰政策的實(shí)行以及國(guó)家法規(guī)的最新要求，整車輕量化已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠的發(fā)展目標(biāo)。輪胎作為汽車起重機(jī)的主要配件之一，它的輕量化勢(shì)必成為一種趨勢(shì)。輪胎的輕量化對(duì)于減少膠料使用、降低生產(chǎn)成本、減少碳排放、保護(hù)環(huán)境、推進(jìn)綠色制造起到重要作用[1-4]。

我公司針對(duì)起重機(jī)用385/95R25無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎，在原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上調(diào)整帶束層和胎圈結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)輪胎的輕量化以及產(chǎn)品性能的提高，現(xiàn)將輪胎的輕量化設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

起重機(jī)用385/95R25無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：星級(jí) 3星，推薦輪輞10.00/1.5-25，充氣外直徑 1 347～1 392 mm，充氣斷面寬 365～414 mm，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 6 000 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa。

2 輕量化設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)整帶束層結(jié)構(gòu)

通過進(jìn)行有限元模擬分析，調(diào)整鋼絲簾線類型和帶束層寬度，以期減小胎肩部位的應(yīng)力和應(yīng)變，降低肩部生熱，提高輪胎的耐久性能和高速性能。

（1）調(diào)整鋼絲簾線類型。在保證帶束層安全倍數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下（防止輪胎在使用過程中出現(xiàn)胎冠爆等問題），通過使用厚度、線密度和單位質(zhì)量小的鋼絲簾線來減小帶束層質(zhì)量，即1#—3#帶束層由使用3＋9＋15×0.225鋼絲簾線調(diào)整為使用3＋9＋15×0.22＋0.15鋼絲簾線，使鋼絲簾布質(zhì)量減小了730 g·m-2。利用彼德爾曼公式計(jì)算得到采用3＋9＋15×0.22＋0.15鋼絲簾線的帶束層的安全倍數(shù)為6，滿足設(shè)計(jì)要求[5]。

（2）調(diào)整帶束層寬度。在保證輪胎接地性能不降低、帶束層端部差級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，根據(jù)硫化前后帶束層的收縮率，采取減小帶束層寬度的方式來減小帶束層質(zhì)量。調(diào)整前后帶束層寬度如表1所示。

表1 調(diào)整前后帶束層寬度 mm

2.2 調(diào)整胎圈結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的胎圈設(shè)計(jì)過于冗余，強(qiáng)度過高，胎圈厚度較大，不僅造成資源浪費(fèi)，還會(huì)給產(chǎn)品本身帶來負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致胎圈生熱高，進(jìn)而造成胎圈鼓包問題[6]。依據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，適當(dāng)減小胎圈厚度，可以提升產(chǎn)品性能。結(jié)合有限元模擬分析，采取調(diào)整鋼絲圈結(jié)構(gòu)和膠部件尺寸等措施來減小胎圈厚度。

（1）調(diào)整鋼絲圈結(jié)構(gòu)。在保證鋼絲圈安全倍數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下（防止輪胎在使用過程中出現(xiàn)胎圈抽絲爆等問題），使用“瘦高”式鋼絲排列替代“扁平”式鋼絲排列，達(dá)到減小胎圈厚度和膠料用量的目的。調(diào)整前鋼絲圈鋼絲排列形式為9-13-9，調(diào)整后為7-12-8，鋼絲圈結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)整后鋼絲圈安全倍數(shù)為2.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 調(diào)整前后的鋼絲圈結(jié)構(gòu)

（2）減小耐磨膠尺寸。胎圈厚度減小后，對(duì)應(yīng)胎趾和胎踵部位的膠料需要適當(dāng)減少，使得胎圈部位的內(nèi)輪廓可以平滑過渡。此外，減小防水線位置處的耐磨膠厚度，從而減小胎圈部位的生熱。調(diào)整前后的耐磨膠尺寸如圖2所示。

圖2 調(diào)整前后的耐磨膠尺寸

（3）調(diào)整三角膠尺寸。鋼絲圈結(jié)構(gòu)調(diào)整后，對(duì)應(yīng)的三角膠底寬也需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，此外，通過減小三角膠整體厚度的方式調(diào)整胎體走勢(shì)，可以避免負(fù)荷狀態(tài)下胎體承受壓縮力，避免胎圈鼓包。調(diào)整前后的三角膠尺寸如圖3所示。

圖3 調(diào)整前后的三角膠尺寸

調(diào)整胎圈結(jié)構(gòu)前后輪胎材料分布見圖4。

圖4 調(diào)整胎圈結(jié)構(gòu)前后輪胎材料分布

3 成品輪胎性能

3.1 有限元分析結(jié)果

3.1.1 力學(xué)性能

利用有限元分析技術(shù)分別對(duì)輕量化輪胎和正常輪胎進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，分析模型采用軸對(duì)稱模型，模擬充氣壓力為900 kPa，負(fù)荷為6 000 kg，速度為35 km·h-1，部分模擬結(jié)果如表2所示。

表2 輕量化輪胎與正常輪胎的?應(yīng)變能密度指數(shù)對(duì)比

從表2可以看出，與正常輪胎相比，輕量化輪胎在負(fù)荷狀態(tài)下各部位的應(yīng)變能密度均有所降低，即帶束層端點(diǎn)、胎體簾布反包端點(diǎn)和胎圈包布內(nèi)端點(diǎn)的應(yīng)變能密度指數(shù)分別下降了8.60，14.40和2.01，由此推斷輪胎在行駛過程中因變形導(dǎo)致的生熱相應(yīng)有所降低[7-9]。

3.1.2 生熱性能

在上述穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合生熱技術(shù)模塊，對(duì)輕量化輪胎和正常輪胎在行駛過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如表3所示。

表3 輕量化輪胎與正常輪胎的溫度對(duì)比 ℃

從表3可以看出，與正常輪胎相比，輕量化輪胎在行駛過程中整體生熱降低，即胎冠、胎肩和胎圈的溫度分別下降了4.20，6.27和9.80 ℃，此模擬結(jié)果與穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的推論一致。輪胎內(nèi)部生熱降低有利于提高其耐久性能和高速性能[9-12]。

3.2 室內(nèi)測(cè)試結(jié)果

3.2.1 質(zhì)量

表4示出了輕量化輪胎與正常輪胎的半成品部件質(zhì)量對(duì)比。從表4可以看出，與正常輪胎相比，輕量化輪胎的半成品部件質(zhì)量均有所降低，即帶束層、胎圈、耐磨膠和三角膠的質(zhì)量分別減小了3.90，1.96，3.15和1.66kg，輪胎總質(zhì)量減小了10.67 kg。

表4 輕量化輪胎與正常輪胎的半成品部件質(zhì)量對(duì)比 kg

3.2.2 強(qiáng)度性能

抽取1條外觀質(zhì)量和X光檢測(cè)合格的輕量化輪胎，按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行強(qiáng)度性能測(cè)試。結(jié)果表明，輪胎的破壞能為3 976～4 987 J，滿足客戶要求（最小破壞能不小于3 970 J）。

3.2.3 耐久性能

分別抽取1條質(zhì)量合格的輕量化輪胎和正常輪胎進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：正常輪胎的耐久性能試驗(yàn)達(dá)到了第11階段，累計(jì)行駛時(shí)間為127 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎胎肩鼓包，失效模式為熱損壞；輕量化輪胎的耐久性能試驗(yàn)同樣達(dá)到了第11階段，累計(jì)行駛時(shí)間為147 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎同樣出現(xiàn)胎肩鼓包，失效模式為熱損壞，輕量化輪胎的耐久性能比正常輪胎提升了15.7%。

表5 輪胎的耐久性能試驗(yàn)條件

3.2.4 高速性能

分別抽取1條質(zhì)量合格的輕量化輪胎和正常輪胎進(jìn)行高速性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：正常輪胎的高速性能試驗(yàn)達(dá)到了第4階段，累計(jì)行駛時(shí)間為295 min，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎胎冠鼓包，失效模式為熱損壞；輕量化輪胎的高速性能試驗(yàn)同樣達(dá)到了第4階段，累計(jì)行駛時(shí)間為609 min，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎同樣出現(xiàn)胎冠鼓包，失效模式為熱損壞，輕量化輪胎的高速性能比正常輪胎提高了106.4%。

表6 輪胎的高速性能試驗(yàn)條件

4 結(jié)論

輪胎產(chǎn)品輕量化在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量最小化的同時(shí)，更需要考慮產(chǎn)品自身的可靠性和使用壽命。起重機(jī)用385/95R25無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎輕量化設(shè)計(jì)過程中，在安全性能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，結(jié)合有限元分析技術(shù)，對(duì)帶束層和胎圈結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了優(yōu)化，在減小輪胎質(zhì)量的同時(shí)，輪胎的強(qiáng)度、耐久和高速性能均有一定程度的提升，使用壽命延長(zhǎng)，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。