9.00R20 144/142F 16PR加強(qiáng)型全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)開發(fā)

燕杰凱，張玉亮，王東曉，劉廣華

（山東華盛橡膠有限公司，山東 東營 257300）

根據(jù)市場需求，我公司設(shè)計(jì)開發(fā)了一種9.00R20加強(qiáng)型全鋼載重子午線輪胎。該輪胎滿足了南方山區(qū)重載運(yùn)輸市場對輪胎耐重載、抗刺扎性能的要求，同時(shí)為我公司帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益?，F(xiàn)將該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)情況簡介如下。

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》和山區(qū)特殊路況及使用條件，確定9.00R20 144/142F 16PR 加強(qiáng)型全鋼載重子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞7.0J，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa，充氣外直徑（D′）

1 030（1 014.43～1 045.57）mm，充氣斷面寬（B′）259（248.7～269.3）mm，單胎負(fù)荷2 800 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

子午線輪胎充氣后外緣尺寸變化較小[1]。為滿足南方山區(qū)重載及路況惡劣的特殊使用環(huán)境，同時(shí)為保證輪胎充氣外緣尺寸符合國家標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)D取1 025 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該規(guī)格產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下外直徑膨脹率（D′/D）取1.001 5，經(jīng)計(jì)算D′目標(biāo)值為1 027 mm，確定模具外直徑為1 026 mm。

B的取值既要確保輪胎充氣后尺寸在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，又要使輪胎充氣后不出現(xiàn)“大肚子”現(xiàn)象，以免輪胎在使用過程中被銳石刮傷胎側(cè)?？紤]實(shí)際使用中的重載條件，本設(shè)計(jì)B取260 mm，根據(jù)該規(guī)格輪胎以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下斷面寬膨脹率（B′/B）取1.015 2，本設(shè)計(jì)B′為264 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b值關(guān)乎輪胎的整體使用性能[2-3]。b過大，胎肩部位就會過厚，熱量難以散發(fā)，導(dǎo)致輪胎使用過程中容易出現(xiàn)肩空。b過小，輪胎充氣后會出現(xiàn)“大肚子”現(xiàn)象，在山區(qū)行駛過程中容易被銳石扎傷胎側(cè)。同時(shí)b過小，輪胎接地面積也會過小，從而導(dǎo)致胎面接地壓力增大，輪胎耐磨性能降低，胎面應(yīng)力過大易出現(xiàn)胎冠爆破。結(jié)合以上因素綜合考慮輪胎胎面的耐磨、耐重載以及抗刺扎特性，在設(shè)計(jì)過程中考慮減少輪胎在使用過程中的早期肩空問題，同時(shí)增大輪胎接地印痕面積以提高輪胎的耐磨性能及延長使用壽命，本設(shè)計(jì)b取215 mm，經(jīng)計(jì)算b/B值為0.826 9。

h的取值與輪胎使用過程中的負(fù)載量有關(guān)，同時(shí)該值的大小會影響輪胎的接地面積與接地形狀。在同等載荷情況下，h值過大會導(dǎo)致胎面出現(xiàn)偏磨中心，h值過小會導(dǎo)致出現(xiàn)偏磨兩肩。根據(jù)該規(guī)格輪胎設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及山區(qū)重載情況，本設(shè)計(jì)h值取7.5 mm。

2.3 胎圈著合寬度（C）和著合直徑（d）

胎圈尺寸依據(jù)輪輞曲線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮輪胎與輪輞配合有合理的間隙，同時(shí)還要考慮方便裝卸輪胎。結(jié)合以上兩個(gè)重要因素，本設(shè)計(jì)C取190 mm，經(jīng)計(jì)算C/B為0.731，d取511 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

眾所周知，H1/H2對輪胎的性能與使用壽命起著至關(guān)重要的作用。H1/H2越大，胎側(cè)屈撓變形區(qū)域越靠上，屈撓變形越容易致使胎肩部位生熱過高，從而過早出現(xiàn)肩空和肩裂等問題；H1/H2越小，胎側(cè)屈撓位置越靠近胎圈部位，相應(yīng)胎圈位置生熱越大，從而導(dǎo)致胎圈部位出現(xiàn)斷裂和胎圈空等問題?？紤]以上兩個(gè)重要因素，結(jié)合輪胎實(shí)際使用過程中行駛速度較低、胎肩生熱較少、負(fù)載量大的情況以及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)H1/H2取0.55。

輪胎斷面輪廓示意如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 花紋設(shè)計(jì)

根據(jù)市場調(diào)研，該輪胎主要用于南方山區(qū)重載低速運(yùn)輸，使用環(huán)境對輪胎的抗刺扎、載重能力與驅(qū)動性能都有很高的要求。

考慮路況與使用需求，為增強(qiáng)輪胎的驅(qū)動性能，本設(shè)計(jì)輪胎花紋采用階梯狀短直溝花紋，輪胎在泥濘路面的驅(qū)動性能較好，同時(shí)胎冠表面設(shè)有內(nèi)嵌式裝飾花紋，以提高輪胎的抗?jié)窕阅芎涂设b別性。花紋深度為24 mm，為增大輪胎的接地面積，花紋節(jié)距數(shù)為33，花紋飽和度為69.14%。階梯式花紋溝側(cè)壁設(shè)計(jì)能有效緩解花紋溝底部應(yīng)力過大導(dǎo)致的溝裂問題，同時(shí)可以提高輪胎的排石和排污性能，進(jìn)一步提高輪胎的行駛安全性能。胎面花紋中間設(shè)有散熱孔，可以很好地緩解輪胎行駛過程中胎冠溫度過高導(dǎo)致的胎冠脫空問題，并延長輪胎使用壽命，增加輪胎附加值。

花紋展開示意如圖2所示，花紋立體效果如圖3所示。

圖2 花紋展開示意

圖3 花紋立體效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面采用抗撕裂性能和耐磨性能良好的膠料，通過優(yōu)化膠料硫化體系，使膠料耐磨性能和抗撕裂性能得到優(yōu)化平衡，延長產(chǎn)品使用壽命。成品輪胎花紋溝底部基部膠厚度達(dá)到8 mm，大幅提高輪胎的抗刺扎和抗撕裂性能。胎面施工采用雙復(fù)合擠出工藝，因輪胎使用環(huán)境對胎面強(qiáng)度與抗撕裂性能要求苛刻，本設(shè)計(jì)胎面為小翼膠結(jié)構(gòu)。通過改善翼膠膠料配方，達(dá)到胎肩生熱低、與胎面膠粘性好的目的，在保證胎面強(qiáng)度要求的前提下減少輪胎早期出現(xiàn)的肩空問題。

3.2 帶束層

根據(jù)南方山區(qū)重載運(yùn)輸市場的需求，本設(shè)計(jì)對帶束層的強(qiáng)度和抗沖擊性能提出了很高要求，通過優(yōu)化調(diào)整帶束層膠料配方使鋼絲與膠料之間粘合性能以及膠料的抗撕裂性能提高，從而使輪胎的耐久性能提高。第1層和第2層帶束層采用4＋6×0.38HT高強(qiáng)度鋼絲簾線，以保證胎冠有足夠的強(qiáng)度，第3層帶束層采用5×0.38HEI高伸長、高抗沖擊鋼絲簾線以提高輪胎在惡劣路面上的抗沖擊性能，0°帶束層采用3×7×0.22HE高伸長鋼絲簾線。充氣壓力為1.5倍標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力時(shí)，輪胎接地印痕均為矩形，表明帶束層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

3.3 胎體

本設(shè)計(jì)根據(jù)TECO安全倍數(shù)計(jì)算公式計(jì)算單根鋼絲簾線的承受力來選取胎體簾線。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，重載類輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下胎體簾線的安全倍數(shù)應(yīng)大于8.5。該規(guī)格輪胎主要用于我國南方山區(qū)內(nèi)重載運(yùn)輸，存在超載現(xiàn)象。該輪胎胎體配方使用優(yōu)化粘合體系，使膠料與鋼絲的粘合性能進(jìn)一步提升，同時(shí)采用低結(jié)構(gòu)、高耐磨炭黑，使膠料的強(qiáng)度和耐屈撓性能更好地滿足使用要求。為滿足產(chǎn)品的安全性和提高負(fù)載能力，胎體采用0.25＋（6＋12）×0.225HT高強(qiáng)度鋼絲簾線，經(jīng)計(jì)算胎體安全倍數(shù)達(dá)到9.5。

3.4 胎側(cè)

該產(chǎn)品主要使用于山區(qū)重載運(yùn)輸，路況惡劣，為保證胎側(cè)有足夠強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)采用加厚胎側(cè)，特別是胎肩部位設(shè)有加寬、加厚的防擦墻，厚度達(dá)到9 mm，可有效緩解使用過程中硬物對胎側(cè)的損傷。

3.5 胎圈

為減少輪胎生產(chǎn)過程中人為因素和物料因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，本設(shè)計(jì)胎圈部位采用單層鋼絲護(hù)布結(jié)構(gòu)。該護(hù)布結(jié)構(gòu)為我公司實(shí)用新型專利技術(shù)，能有效緩解U型護(hù)布結(jié)構(gòu)胎圈內(nèi)裂的問題。同時(shí)為提高輪胎的胎圈強(qiáng)度和耐久性能，本設(shè)計(jì)膠芯基部膠設(shè)計(jì)為低高度、高寬度形狀。

鋼絲圈用傳統(tǒng)正六角形結(jié)構(gòu)，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下重載類輪胎鋼絲圈的安全倍數(shù)一般大于7.5。本設(shè)計(jì)采用Φ1.65 mm普通強(qiáng)度胎圈鋼絲，排列方式為5-6-7-8-9-8-7-6，8層共56根，經(jīng)計(jì)算鋼絲圈安全倍數(shù)達(dá)到8.7，保證了在山區(qū)重載運(yùn)輸環(huán)境中胎圈有足夠的強(qiáng)度和剛性。

3.6 成型和硫化

本設(shè)計(jì)輪胎采用LCZ-3RA80型一次法成型機(jī)成型，機(jī)頭直徑 485 mm，機(jī)頭寬度 638 mm。硫化采用熱板式硫化機(jī)，變溫硫化技術(shù)。硫化條件為：活絡(luò)模溫度（165±2）℃，熱板溫度（160±2）℃，內(nèi)壓（2.7±0.1）MPa，內(nèi)溫（170～180）℃，總硫化時(shí)間 56.4 min。

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

按照GB/T 521—2012進(jìn)行充氣外緣尺寸測試。在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下停放24 h后，D′為1 028 mm，B′為264 mm。輪胎充氣外緣尺寸符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行強(qiáng)度性能測試。試驗(yàn)條件為：標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為900 kPa，壓頭直徑為38 mm。第5點(diǎn)壓穿時(shí)破壞能達(dá)到4 996.06 J，為國家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的192.23%，強(qiáng)度性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求且達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.3 耐久性能

成品輪胎耐久性能測試的前47 h按照GB/T 4501—2016進(jìn)行。當(dāng)輪胎行駛47 h之后，試驗(yàn)速度保持不變，每2 h增加10%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)負(fù)荷增大至150%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷后保持不變，在此條件下持續(xù)試驗(yàn)直到輪胎損壞為止。試驗(yàn)77.2 h時(shí)，成品輪胎出現(xiàn)肩空。試驗(yàn)結(jié)果表明，該產(chǎn)品耐久性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（重載類輪胎耐久性試驗(yàn)時(shí)間不短于60 h）和設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.4 高速性能

山區(qū)運(yùn)輸車速較低，最高速度為40 km·h-1左右，此使用條件對輪胎的高速性能沒有較高要求，因此本設(shè)計(jì)對輪胎高速性能不做檢測。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)9.00R20 144/142F 16PR加強(qiáng)型全鋼載重子午線輪胎的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)且均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，很好地滿足了南方山區(qū)重載運(yùn)輸使用需求，同時(shí)提高了我公司產(chǎn)品的市場占有率。產(chǎn)品投放市場后，憑借出色的抗刺扎、耐重載性能以及美觀的花紋受到用戶的好評，為公司的高質(zhì)量發(fā)展助力。