12.00R24全新混合型全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計

韓 菁，于國鴻，曲家玉，李曉林，任世奪，呂 偉，王 雪

[1.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300；2.浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計有限公司，山東 青島 266000]

隨著輪胎工業(yè)的快速發(fā)展，我國輪胎行業(yè)面臨嚴(yán)峻的市場挑戰(zhàn)，輪胎產(chǎn)品更新的步伐越來越快，產(chǎn)品細(xì)分、緊跟市場迫在眉睫。針對市場的特殊需求，開發(fā)適銷對路的產(chǎn)品是占有市場的關(guān)鍵；中東地區(qū)石油資源十分豐富，在汽車銷量日趨增長的形勢下，整個中東地區(qū)輪胎市場被看好。中東地區(qū)屬于沙漠熱帶氣候，常年氣溫較高，路面溫度可達70 ℃，因此所使用的輪胎要耐高溫且不易老化。輪胎設(shè)計一方面要滿足市場需求，另一方面也要適當(dāng)降低成本，使其在性價比上具有一定競爭優(yōu)勢。鑒于此，我公司開發(fā)出12.00R24全新混合型全鋼載重子午線輪胎。現(xiàn)將輪胎設(shè)計情況介紹如下。

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GB 9744—2015《載重汽車輪胎》，確定12.00R24全新混合型全鋼載重子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 8.50，充氣外直徑（D′）1 226（1 208～1 245）mm，充氣斷面寬（B′） 315（302～328）mm，單胎標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa，單胎標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 4 500 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

在設(shè)計規(guī)范內(nèi)，相較于模型寬度和高度的取值，成品輪胎充氣后可能增大，也可能減小，實際使用時必須保證充氣后輪胎的尺寸控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；全鋼載重子午線輪胎的骨架材料均為鋼絲簾線，伸張、變形率較小，輪胎的外直徑膨脹率（D′/D）很小，參考輪胎設(shè)計經(jīng)驗及三維有限元分析結(jié)果，本次設(shè)計D取1 216 mm，B取310 mm，D′/D為1.004，斷面寬度膨脹率（B′/B）為1.009 6。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定胎冠形狀的主要參數(shù)，對輪胎的耐磨性能、牽引性能、抓著性能和滾動阻力有直接影響，中東市場輪胎的使用環(huán)境溫度較高，因此設(shè)計時應(yīng)盡可能減少因輪胎形變而產(chǎn)生的熱量。b應(yīng)根據(jù)B確定，b/B應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，b過大，胎肩厚度增大，生熱增加，散熱困難，易造成胎肩早期損壞；b過小，胎面接地面積減小，單位壓力增大，易造成輪胎早期磨損。一般情況下，b以不超過胎側(cè)下弧度曲線與輪輞點的間距為準(zhǔn)。h一般根據(jù)輪胎的斷面高（H）來決定，用h/H控制，h過大即胎冠曲率過大，胎面接地面積減小，耐磨性能變差；h過小，耐磨性能和抓著性能提高，但肩部會變厚，影響散熱。普通花紋的輪胎一般要求b/B為0.75～0.80，同時b/B小則h/H取值宜小，b/B大則h/H取值宜大。結(jié)合中東市場環(huán)境及客戶要求，參考三維有限元分析結(jié)果及設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計b取240 mm，h取7 mm，b/B為0.774，h/H為0.023。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

根據(jù)GB/T 31961—2015《載貨汽車和客車輪輞規(guī)格系列》，保證輪胎抓著強度，胎圈與輪輞采用過盈配合，結(jié)合我公司609.6 mm（24英寸）圈口的設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計d取613.5 mm，C較輪輞寬度增大14 mm（約1/2英寸），C取230 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面最寬處，是輪胎在負(fù)荷下法向變形最大的位置。全鋼子午線輪胎一般采用單鋼絲圈和1層胎體結(jié)構(gòu)，H1/H2過大，應(yīng)力和應(yīng)變會集中在胎肩部位，易造成肩空或肩裂；H1/H2過小，易出現(xiàn)圈空、圈裂、胎側(cè)折斷等，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計H1/H2取1.08，輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎冠弧高和半徑

胎冠弧高直接影響輪胎胎面的耐磨性能，胎冠弧半徑影響輪胎的接地印痕，設(shè)計時針對不同胎冠弧高、胎冠弧半徑下的花紋進行力學(xué)三維有限元模擬分析，綜合考慮模擬情況及實際需求等，確定最優(yōu)設(shè)計方案為：胎冠弧高 7 mm，胎冠弧半徑 870 mm。

2.6 胎面花紋

花紋設(shè)計應(yīng)考慮車型、輪位和使用環(huán)境情況。本設(shè)計輪胎主要出口中東地區(qū)，用于卡車、油罐車、工程自卸車，為長途專用全輪位產(chǎn)品。因此選擇折線型花紋設(shè)計（見圖2），花紋深度為15 mm，花紋周節(jié)數(shù)為63，花紋飽和度為76.8%。三道折線型花紋溝設(shè)計提供優(yōu)異的抗?jié)窕阅芎头榔ツ芰Γ缓侠淼幕y條塊比例有助于降低生熱；寬大肩部花紋條設(shè)計提高肩部剛性，防止輪胎偏磨；獨特的胎肩凹槽設(shè)計（見圖3）使輪胎散熱性能更好；封閉胎肩設(shè)計可防止輪胎異常磨損。

圖2 折線型花紋設(shè)計

圖3 胎肩凹槽設(shè)計

3 配方設(shè)計

胎面膠采用針對中東市場輪胎專用胎面膠配方，具體組分和用量為：天然橡膠 85，順丁橡膠15，炭黑N234 48，白炭黑 15，氧化鋅 3，硬脂酸 2，硫黃 1.6，促進劑 1.1，其他 15。

膠料采用2段混煉工藝，門尼焦燒時間（127℃）為31.28 min，硫化特性（150 ℃）為：FL11.01 dN·m，F(xiàn)max46.71 dN·m，t107.08 min，t9014.65 min。胎面膠的加工性能良好。

胎面膠的物理性能見表1。從表1可以看出，胎面膠具有較好的物理性能。

表1 胎面膠的物理性能

4 施工設(shè)計

4.1 胎面

胎面采用胎冠膠和基部膠兩方兩塊結(jié)構(gòu)，采用雙復(fù)合擠出機擠出，胎面總寬度為284 mm，胎肩厚度為22 mm，中間厚度為15.5 mm。為提高輪胎行駛里程，胎冠膠采用高耐磨、抗撕裂膠料配方，基部膠采用低生熱膠料配方，降低肩部生熱，延長輪胎使用壽命。胎面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 胎面結(jié)構(gòu)示意

4.2 胎體

胎體鋼絲簾線主要承受輪胎內(nèi)部氣體的壓力，為輪胎提供支撐，需要有足夠的強度和彈性，承受強烈的震動和沖擊以及在行駛過程中作用于外胎的徑向、側(cè)向、周向力所引起的多次變形，保障輪胎使用安全性。

本次設(shè)計胎體采用3×0.24/9×0.225緊密型高強度CCHT鋼絲簾線，安全倍數(shù)為9.85，滿足設(shè)計要求。

4.3 帶束層

帶束層是輪胎的主要受力部件，既要承受輪胎內(nèi)部的壓力，又要抵抗外部的沖擊力和應(yīng)力，因此帶束層材料的選擇至關(guān)重要。根據(jù)以往同類型產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗并結(jié)合實際使用情況，本設(shè)計采用4層帶束層結(jié)構(gòu)，其中1#，2#，3#帶束層采用0.37＋6×0.32ST超高強度鋼絲簾線，4#帶束層采用5×0.35HI高抗沖擊鋼絲簾線，安全倍數(shù)為8.5，1#—4#帶束層角度分別為50°，18°，18°和18°。

4.4 鋼絲圈

鋼絲圈采用直徑為1.83 mm的胎圈鋼絲，總根數(shù)為51，排列方式為6-7-8-9-8-7-6，胎圈直徑為630 mm，計算安全倍數(shù)大于11.02，符合設(shè)計要求。

4.5 成型

成型采用膠囊三鼓一次法成型機，機頭直徑為590 mm，機頭寬度為652 mm。

4.6 硫化

硫化采用1 651 mm（65英寸）熱板充氮全自動液壓硫化機，外購12.00R24輪胎專用硫化膠囊，硫化膠囊的徑向伸張為1.22，斷面伸張為1.14，伸張值滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

硫化工藝為：內(nèi)溫（210±2）℃，飽和蒸汽壓力（1.78±0.1）MPa，氮氣內(nèi)壓 ≥2.7 MPa，上、下熱板溫度（151±2）℃，模套溫度（145±2）℃，硫化模式 充氮變溫硫化，總硫化時間 55 min。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的成品輪胎按照GB/T 4501—2016進行外緣尺寸測量，測得D′為1 221 mm，B′為313 mm，符合設(shè)計要求。

5.2 強度性能

根據(jù)GB/T 4501—2016及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在充氣壓力為900 kPa、壓頭直徑為38 mm的條件下進行輪胎強度性能試驗，測得輪胎壓穿點破壞能為5 765.7 J，為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的188.01%，說明強度性能優(yōu)良，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.3 耐久性能

根據(jù)GB/T 4501—2016及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行輪胎耐久性測試，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，輪胎累計行駛時間為110.53h（國家標(biāo)準(zhǔn)為47 h），輪胎損壞形式為胎冠脫層，輪胎耐久性能優(yōu)良，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 輪胎耐久性試驗結(jié)果

5.4 高速性能

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行輪胎高速性能試驗，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，輪胎累計行駛時間為150 min（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為90 min），試驗結(jié)束時行駛速度為140 km·h-1，輪胎損壞形式為胎冠脫層，耐久性能優(yōu)良，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 輪胎高速性能試驗結(jié)果

6 結(jié)語

12.00 R24全新混合型全鋼載重子午線輪胎的外緣尺寸、強度性能、耐久性能和高速性能均符合國家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。輪胎的花紋獨特，生熱低，耐磨性能好，行駛里程長，深受中東地區(qū)客戶認(rèn)可，對我公司進軍中東市場具有戰(zhàn)略性意義，也為我公司創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。