355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計

姚斌

摘 要：355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎主要是為打開歐洲市場，后期完成試驗論證及市場測試后，將投產(chǎn)于歐洲市場，經(jīng)濟(jì)效益可觀。355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎開發(fā)設(shè)計主要是根據(jù)歐標(biāo)初步設(shè)計寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用有限元分析輪胎充氣輪廓及胎肩、胎圈位置受力情況，通過優(yōu)選確定最終輪胎輪廓及骨架材料等參數(shù)。完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，對本項目開發(fā)的輪胎進(jìn)行施工設(shè)計。最后對該輪胎進(jìn)行成品性能試驗，主要包括強(qiáng)度性能和耐久性能試驗。

關(guān)鍵詞：全鋼載重子午線輪胎 結(jié)構(gòu)設(shè)計 有限元分析 施工設(shè)計

Design of 355/50R22.5 Wide Base Low Profile All-steel Radial Truck Tire

Yao Bin

Abstract：The 355/50R22.5 wide-base and low-profile all-steel radial truck tire is mainly to open up the European market. After the completion of test demonstration and market testing in the later stage， it will be put into production in the European market with considerable economic benefits. The development and design of the 355/50R22.5 wide-base low-profile all-steel radial truck tire is mainly based on the preliminary design of the wide-base low-profile all-steel radial truck tire structure based on the European standard. According to different structural design schemes， the finite element analysis of the tire inflation profile and tire， the position of the shoulder and the bead force is determined by optimization to determine the final tire profile and frame material parameters. After the structural design is completed， the construction design of the tire developed in this project will be carried out. Finally， the finished product performance test of the tire mainly includes strength performance and durability performance test.

Key words：all-steel radial truck tire， structural design， finite element analysis， construction design

在目前的輪胎市場中，主要有斜交輪胎和子午線輪胎兩種主要的結(jié)構(gòu)類型，與斜交胎相比，子午線輪胎具有較好的操作穩(wěn)定性、滾動阻力小、耐疲勞性能好以及高速性能好等一系列顯著的優(yōu)點，因此在許多應(yīng)用領(lǐng)域，子午線輪胎都取得了非常明顯的市場優(yōu)勢。因未來的市場限高限載的趨勢，寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎越來越成為市場主流。為滿足市場需求，本論文設(shè)計開發(fā)的355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎，其帶束層均采用鋼絲簾線，主要用于載重及工程機(jī)械車輛上，在歐美國家市場銷量較大。

1 355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎設(shè)計技術(shù)要求

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎設(shè)計參考國標(biāo)及國際標(biāo)準(zhǔn)，歐洲ETRTO、ISO的相關(guān)輪胎標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，輪胎各項性能須符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4502-2016測試，性能指標(biāo)要求按照杭州朝陽橡膠有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QHZR A0512執(zhí)行，本企標(biāo)高于歐共體ECE及美國交通運(yùn)輸部DOT相關(guān)輪胎最新要求的標(biāo)準(zhǔn)，以保證產(chǎn)品穩(wěn)定及高的安全儲備，外緣尺寸符合企標(biāo)、國標(biāo)GB、ECE及FMVSS 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。具體確定355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：

2 355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎開發(fā)設(shè)計

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎開發(fā)設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工設(shè)計，其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)客戶需求及設(shè)計技術(shù)資料，確定355/50R22.5輪胎的技術(shù)性能，設(shè)計出符合性能要求的輪廓主要參數(shù)、胎面花紋，并由此得輪胎外輪廓總圖;施工設(shè)計是在結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，設(shè)計出輪胎生產(chǎn)制造的工藝核心方法。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

輪胎自然狀態(tài)下外緣尺寸與充氣后尺寸是有所區(qū)別，由于存在一定的膨脹率，輪胎充氣后一般其斷面輪廓會有一定的增大，即充氣后的外緣尺寸大于硫化模型中的外緣尺寸。本論文中的輪胎外輪廓尺寸設(shè)計，是基于充氣后外緣尺寸，及其他影響輪胎充氣膨脹率的因素而設(shè)計的。

2.1.1 外直徑D及斷面寬B設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)及選用骨架材料性能確定355/50R22.5輪胎的外直徑D及模型斷面寬B。輪胎采用寬鋼絲帶束層配合環(huán)形纏繞尼龍66，具有更好的高速穩(wěn)定性;高密度聚酯胎體設(shè)計，強(qiáng)化輪胎的剛度和性能;高硬度的三角膠設(shè)計，更好的轉(zhuǎn)向和操作應(yīng)答性;六邊形鋼絲圈設(shè)計，改善均勻性和輪胎裝配。由于全鋼載重子午線輪胎其骨架材料的箍緊效果好，充氣后外直徑膨脹很小，根據(jù)以往規(guī)格相近產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計經(jīng)驗，取外直徑D為1073mm。

全鋼載重子午線輪胎斷面寬的選擇與其冠部變形有直接的關(guān)系，合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進(jìn)而對輪胎的使用性能產(chǎn)生影響。因此，B值的選取應(yīng)綜合考慮，當(dāng)前斷面寬的選擇主要是根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，根據(jù)之前的設(shè)計經(jīng)驗，寬基底斷面輪胎尤其是55系列以下的輪胎，輪胎充氣后斷面寬會有所縮小，所以，考慮到充氣的斷面寬在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，本論文B值選擇390mm。

2.1.2 胎冠部位尺寸的確定

胎冠形狀由行駛面寬b和胎面弧度高h(yuǎn)等主要參數(shù)決定，其設(shè)計較直接影響到輪胎的使用性能。另外，胎冠尺寸設(shè)計還影響到輪胎的接地壓力分布情況，因此，在綜合考慮輪胎的牽引性、耐磨性、轉(zhuǎn)向性和安全性的情況下，適當(dāng)增大b，減小h。行駛面寬b 和胎面弧度高h(yuǎn)應(yīng)根據(jù)斷面B和寬斷面高H確定，b/B，h/H應(yīng)控制在一個范圍。根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，h值比較合適的值為10mm左右，因為這個取值會是的輪胎充氣后的接地壓力分布結(jié)果比較理想，所有本次設(shè)計取10.5mm，行駛面寬度取為252mm。外直徑為900mm底斷面輪胎充氣并且二者確定相關(guān)。

基于以上考慮，要增加輪胎綜合性能，減小胎面應(yīng)力集中，故設(shè)計取b為252mm、 h為10.5mm。

2.1.3 胎側(cè)部位尺寸的確定

輪胎負(fù)荷下法向變形最大的位置是斷面水平軸位于輪胎斷面最寬處，用H1/H2 表示。H1表示下胎側(cè)弧高度，H2表示上胎側(cè)弧高度，在實際設(shè)計過程中，H1/H2過大會引起斷面水平軸位置較高，則容易造成應(yīng)力集中向輪胎肩部靠近，容易造成使用過程中的肩空或肩裂;H1/H2過小則會造成斷面水平軸位置較低從而靠近輪胎子口部位，應(yīng)力集中偏向胎圈則易造成子口開裂。根據(jù)輪胎設(shè)計經(jīng)驗，H1/H2最佳取值范圍為 0.80-0.95。本論文設(shè)計H1取為 81.75mm，H2 取為 95.5mm，則 H1/H2為 0.856。H1和H2的值確定后，需要確定的值是輪胎胎側(cè)的上下兩端弧的半徑?？紤]到寬基底斷面輪胎尤其是50系列的輪胎，由于輪胎斷面高度較小，有限元分析結(jié)果顯示，輪胎充氣后的輪廓有斷面寬變小的趨勢，則上下胎側(cè)弧度在允許的范圍內(nèi)盡量取值大些。本設(shè)計取值為R1為262mm，R2的值為80mm。

2.1.4 胎圈部位

胎圈部位主要通過標(biāo)準(zhǔn)輪輞曲線來設(shè)計，胎圈與輪輞要盡可能不發(fā)生相對移動，氣密性要好，同時它們的配合需要一定的過盈量，但是為了易于裝卸，過盈量又不能太大。本輪胎屬于無內(nèi)胎輪胎，因此胎圈和輪輞之間應(yīng)采取過盈配合，以保證氣密性，本次設(shè)計d值取571.5mm。

根據(jù)子午線輪胎設(shè)計經(jīng)驗，并結(jié)合市場實際使用輪輞尺寸，為了便于輪胎充氣，著合寬度c的選取應(yīng)比市場中實際使用的輪輞尺寸略大，因歐洲市場中355/50R22.5規(guī)格輪胎的使用輪輞尺寸為11.75寸，所有本論文設(shè)計選擇c值為312mm，雖為等寬設(shè)計，但比市場中實際使用輪輞寬度略大半寸。

2.1.5 花紋設(shè)計

355/50R22.5產(chǎn)品的設(shè)計主要是針對歐洲市場，歐洲市場對輪胎的滾動阻力要求較高，一般在沒有特殊要求（雪地輪胎）的情況下，花紋均設(shè)計成若干直花紋溝的花紋，并在花紋條上設(shè)計不同的淺溝槽進(jìn)行裝飾，淺溝槽的實際在考慮美觀的前提下，要充分考慮降低噪音的要求。故采用條形花紋，可有效降低輪胎行駛過程中的滾動阻力和噪音。本論文設(shè)計355/50R22.5輪胎花紋溝深度為14 mm，花紋飽和度為76.9%，花紋飽和度高，可提升耐磨性能，但太高的話，影響胎冠不散熱，對輪胎的耐久性能不利。

2.1.6 有限元分析計算

本次的結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)是經(jīng)過優(yōu)選后的方案，對355/50R22.5輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行ABAQUS有限元分析計算，對其應(yīng)力-應(yīng)變、接地壓力分布、溫度場以及作用在輪胎上的力和力矩等性能進(jìn)行分析，優(yōu)化輪胎輪廓曲線，有效避免輪胎應(yīng)力-應(yīng)變的集中產(chǎn)生，保證各項功能優(yōu)異凸顯，充氣輪廓和設(shè)計輪廓對比如圖1所示。

圖1中，黑色線代表設(shè)計輪廓，紅色線代表充氣（氣壓為900Kpa）輪廓，從圖中可知，充氣后輪廓斷面寬變小，實際值為368.4mm，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且接地壓力印痕分布合理。

2.2 施工設(shè)計

施工設(shè)計是輪胎設(shè)集中非常重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到輪胎的充氣變形和使用情況，在進(jìn)行施工設(shè)計之前，需先設(shè)計輪胎的材料分布圖，在設(shè)計材料分布圖之前，需先確定輪胎的內(nèi)輪廓曲線，根據(jù)輪胎的GUTT（輪胎充氣最小變形理論）設(shè)計輪胎的內(nèi)輪廓，進(jìn)而設(shè)計輪胎的支配尺寸。

施工設(shè)計中帶束層的設(shè)計尤其是2#帶束層的設(shè)計寬度，是根據(jù)輪胎的花紋行駛面寬度來確定的，并同時確保2#帶束層外側(cè)端點到胎側(cè)的距離要超過20mm（設(shè)計經(jīng)驗），否則會容易出現(xiàn)因2#帶束層端點處往外延伸的肩裂損壞。

施工設(shè)計根據(jù)材料分布進(jìn)行，在半制品的設(shè)計中，胎冠、胎側(cè)、三角、墊膠的設(shè)計比較復(fù)雜，因為材料分布圖中所顯示的尺寸是復(fù)合延展后的尺寸，需根據(jù)復(fù)合延展后的尺寸設(shè)計原有的尺寸，但最終的結(jié)果就是成品輪胎的材料分布是上圖所示的尺寸。

3 355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎成品性能

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎成品進(jìn)行強(qiáng)度檢測與耐久性能試驗，依據(jù)Q/HCR A05202-001-2016標(biāo)準(zhǔn)，該試驗標(biāo)準(zhǔn)高于國標(biāo)，室內(nèi)機(jī)床耐久試驗機(jī)器為德國進(jìn)口機(jī)床設(shè)備，室內(nèi)檢測溫度控制在33.5℃—37.6℃之間，輪胎的檢測氣壓根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)充900kpa氣壓，輪胎充氣后停放24小時候進(jìn)行測試。輪胎的耐久測試試驗是破壞性試驗，即輪胎要跑壞為止，并記錄所用時間。經(jīng)試驗檢測，355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合設(shè)計預(yù)期。

4 結(jié)語

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎充氣外緣符合設(shè)計要求，其強(qiáng)度性能、耐久性能達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。該輪胎研發(fā)基本能滿足用戶的使用要求，投產(chǎn)后將打開歐洲市場，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

基金項目：2020 年浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院科研項目“355/50R22.5 寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計研發(fā)”（KY202017）

參考文獻(xiàn)：

[1]俞淇，丁劍平.子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]張明.全鋼載重子午線輪胎花紋溝底裂影響因素研究[J].輪胎工業(yè)，2018，10（10）：583-587.

[3]呂勇軍，喬光梅，張?zhí)旄?全鋼載重子午線輪胎花紋溝底裂影響因素研究[J].輪胎工業(yè)，2020，5（10）：278-282.