ST235/85R16全鋼拖車子午線輪胎的設(shè)計(jì)

黃孝鵬，王 雪，任世奪，王德志，周赟琪

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

現(xiàn)將ST235/85R16全鋼拖車子午線輪胎設(shè)計(jì)介紹如下。

1 技術(shù)要求

依據(jù)《美國輪胎輪輞協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)年鑒（TRA）2016》，公路型掛車用的特種拖車公制輪胎一般技術(shù)要求為：允許使用輪輞 61/2J，名義斷面寬235 mm，名義外直徑 806 mm。

根據(jù)北美拖車輪胎市場情況以及我公司代工產(chǎn)品信息，本次設(shè)計(jì)的輪胎設(shè)計(jì)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 2 000 kg（單胎）/1 750 kg（雙胎），充氣壓力760 kPa，速度級(jí)別 L。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

根據(jù)類似大小的輪胎充氣后的膨脹率推算，充氣尺寸通常比設(shè)計(jì)尺寸大0～5 mm[1]。通過對(duì)市場信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定D/充氣外直徑（D′）為0.995，B/充氣斷面寬（B′）為0.987 2。由此得出，D為802 mm，B為232 mm。這一設(shè)計(jì)旨在融入市場、減少不同品牌輪胎無法混合使用的問題。

2.2 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

當(dāng)輪胎和輪輞過盈配合時(shí)，其摩擦力更大，氣密性更好，在行駛過程中可以有效減少漏氣風(fēng)險(xiǎn)，增加行駛安全性，減少充氣次數(shù)，并提升客戶的使用體驗(yàn)。為此，本設(shè)計(jì)d取404 mm，C取178 mm。

2.3 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

輪胎類型、花紋樣式、行駛路況和承載量等因素會(huì)影響b和h的取值。由于本設(shè)計(jì)輪胎為拖車專用輪胎，無需提供驅(qū)動(dòng)力，因此b的取值不宜過大。本設(shè)計(jì)確定b與C相同，即b為178 mm?？紤]到輪胎在使用時(shí)承載量較大，為避免輪胎中間下陷的問題，本設(shè)計(jì)確定h為7 mm。

“一站式”司法確認(rèn)機(jī)制的運(yùn)行只有一年多的時(shí)間。目前，該機(jī)制運(yùn)行的范圍，僅限于房山區(qū)人民法院訴調(diào)對(duì)接中心與房山區(qū)矛盾糾紛多元調(diào)解中心、房山區(qū)司法局眾和人民調(diào)解委員會(huì)等調(diào)解組織之間。雖然，該機(jī)制自運(yùn)行以來，取得了良好的社會(huì)效果，但是，由于該機(jī)制運(yùn)行時(shí)間較短、運(yùn)行范圍狹小，若要大面積推廣，還將面臨以下現(xiàn)實(shí)問題：

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

當(dāng)汽車在行駛時(shí)，輪胎變形量最大的地方屈撓變形也最大，斷面水平軸向上至胎冠中心點(diǎn)的垂直距離為H2，向下至胎踵的垂直距離為H1，H1/H2的大小可以體現(xiàn)斷面水平軸的位置。子午線輪胎的H1/H2通常為0.9～1.1，既可以減小胎肩部位的應(yīng)力集中，同時(shí)使胎圈部位盡量遠(yuǎn)離屈撓區(qū)域，延長輪胎的整體使用壽命。本設(shè)計(jì)H1/H2取0.99，能夠使斷面水平軸位于離胎圈和胎肩均相對(duì)較遠(yuǎn)的位置，在減小胎圈變形、改善胎圈脫層和磨損的同時(shí)，盡可能降低胎肩應(yīng)力集中現(xiàn)象，減小胎肩出現(xiàn)脫層、裂口的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 各部位弧半徑

在子午線輪胎胎冠輪廓設(shè)計(jì)時(shí)可以采用兩段弧設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)可以在標(biāo)載狀態(tài)下增大輪胎接地面積，有效地解決偏磨等問題，從而延長輪胎的壽命。

輪胎的水平軸上下弧線對(duì)于輪胎的早期使用情況有影響。這些弧線的半徑會(huì)影響輪胎胎肩的厚度，而胎肩的厚度又會(huì)決定帶束層邊緣在使用前期是否有發(fā)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)。為了使水平軸與胎肩之間的過渡更加順滑，避免使用切線來設(shè)計(jì)過渡區(qū)域，常采用弧線相切的設(shè)計(jì)。為了對(duì)胎肩的厚度進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)選擇了反弧形連接方式。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.6 胎面花紋

輪胎花紋的樣式會(huì)對(duì)車輛的多方面性能產(chǎn)生影響，包括操控性能、制動(dòng)性能、舒適性、安全性能、噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性等。對(duì)于拖車輪胎而言，其主要作用是承受載荷，不需要提供導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)力，因此在本次胎面花紋設(shè)計(jì)中，耐磨性能和經(jīng)濟(jì)性是首要考慮因素。

輪胎縱溝的寬度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響最為顯著，而縱溝的深度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響次之，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系?？v向花紋的剛度最大，而剛度越大的輪胎滾動(dòng)阻力越小，這也意味著車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性越好[2-3]。因此，根據(jù)輪胎的使用條件，本次設(shè)計(jì)采用4條直線型縱溝，以提高輪胎的排水能力和縱向剛性，改善胎面的耐磨性能，并降低滾動(dòng)阻力，減少燃油消耗。此外，花紋溝底采用曲折設(shè)計(jì)，起到防止石子夾入的作用。縱溝的深度設(shè)計(jì)為10 mm，以提高輪胎的耐磨性能，使其行駛里程更長。在縱溝的邊緣還增加了細(xì)小的花紋鋼片，這在基本不影響滾動(dòng)阻力的情況下，可以增強(qiáng)胎面的散熱能力。

胎面花紋效果見圖2。

圖2 胎面花紋效果

2.7 有限元分析

通過有限元分析軟件對(duì)輪胎的充氣內(nèi)外輪廓進(jìn)行比較，以觀察接地印痕形狀，并分析胎肩部位的受力情況[4]。通過對(duì)不同方案的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，選擇最優(yōu)的外輪廓方案。有限元分析的輪胎靜態(tài)接地印痕形狀和胎肩受力情況分別如圖3和4所示。

圖3 輪胎靜態(tài)接地印痕形狀的有限元分析

圖4 輪胎胎肩受力的有限元分析

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面采用冠膠和基部膠兩層結(jié)構(gòu)，以滿足輪胎的高耐磨和低生熱要求，適應(yīng)長時(shí)間行駛。在胎面設(shè)計(jì)中，將預(yù)口型和口型設(shè)計(jì)相結(jié)合，確保擠出的基部膠和冠膠的尺寸符合設(shè)計(jì)要求。胎面的擠出總寬度設(shè)計(jì)為200 mm。

3.2 胎體

胎體骨架材料的選擇對(duì)輪胎的使用壽命和安全性具有重要影響，可以決定輪胎的承載負(fù)荷和變形情況。本設(shè)計(jì)胎體骨架材料選擇規(guī)格為3×0.24/9×0.225CCHT的鋼絲簾線[5]。

3.3 帶束層

帶束層為具有多角度的多層設(shè)計(jì)，可以牢固地箍住胎體，減少使用時(shí)的形變，增加胎體的穩(wěn)定性，承受來自胎體和地面等多方面的應(yīng)力，并防止地面異物對(duì)胎體造成傷害。帶束層的伸張系數(shù)直接影響胎坯成型后的外觀和使用性能，因此對(duì)車輛的行駛穩(wěn)定性和輪胎的行駛里程等都具有重要影響[6-7]。

在帶束層的整體設(shè)計(jì)中，需要考慮多方面因素，其中最重要的是選擇適當(dāng)規(guī)格的鋼絲簾線，此外，簾線的密度、角度和帶束層寬度也是重要因素。根據(jù)輪胎的使用路況，還需要選擇適當(dāng)?shù)膸鴮訉訑?shù)和結(jié)構(gòu)。

綜合考慮，本設(shè)計(jì)帶束層采用常規(guī)的3層結(jié)構(gòu)，并選擇0.37＋6×0.32ST鋼絲簾線。該鋼絲簾線具有高強(qiáng)度和輕量化的特點(diǎn)，可以有效減輕輪胎的質(zhì)量。

3.4 胎圈

子午線輪胎裝配到輪輞上后，內(nèi)部承受充氣壓力，外部承受輪輞的剛性力，并在行駛和制動(dòng)時(shí)受到多方面應(yīng)力的影響。胎體反包和加強(qiáng)層位于胎圈部位，在行駛過程中，胎圈部位會(huì)產(chǎn)生大量的熱和屈撓應(yīng)力。為了解決這個(gè)問題，胎圈結(jié)構(gòu)中可增加上下膠芯，并對(duì)胎圈部位進(jìn)行加厚補(bǔ)強(qiáng)。此外，在靠近鋼絲圈的胎體外側(cè)增加鋼絲加強(qiáng)層，用以保護(hù)胎體。通常，鋼絲加強(qiáng)層的外端點(diǎn)與胎體反包端點(diǎn)的距離在10 mm以上，以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，并提高胎圈的剛度和強(qiáng)度，以確保行駛安全。

對(duì)于位于拖車輪位的輪胎，其承載能力要求較高，承受的力也較大，因此需要提高胎圈的強(qiáng)度，可以使用較強(qiáng)的鋼絲結(jié)構(gòu)和增加纏繞的圈數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，采用正六邊形的鋼絲圈，以增加鋼絲圈的穩(wěn)定性，防止散圈的發(fā)生。通過外輪廓的胎圈弧線設(shè)計(jì)，使胎圈與輪輞緊密配合，從而減小相對(duì)滑動(dòng)的幅度。

3.5 成型和硫化

成型采用TRPO-S三鼓成型機(jī)。硫化采用1 651 mm（65英寸）雙模定型熱板式硫化機(jī)，硫化條件為：溫度 （147±2） ℃，壓力 （1.7±0.1）MPa，時(shí)間 34 min[8]。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

按照GB/T 521—2016測試輪胎充氣外緣尺寸，B′為234 mm，D′為805 mm。可以看出，成品輪胎的充氣外緣尺寸符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4501—2016測試輪胎的強(qiáng)度性能。第5點(diǎn)破壞能的平均值為3 581.6 J，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2 090 J，最大與最小破壞能之比的平均值為155.8%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 耐久性能

按照GB/T 4501—2016測試輪胎耐久性能，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 輪胎耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，輪胎的耐久性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 高速性能

輪胎高速性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 輪胎高速性能試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，輪胎的高速性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（≥90 min）。

5 結(jié)語

經(jīng)室內(nèi)性能測試，ST235/85R16全鋼拖車子午線輪胎的各方面性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，完全滿足美國市場拖車輪胎的使用要求。今后將繼續(xù)優(yōu)化輪胎的制造工藝，以進(jìn)一步提高輪胎的質(zhì)量，并滿足不斷變化的客戶需求，從而提高產(chǎn)品在市場上的競爭力。