215/85R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎設(shè)計(jì)及三角膠高度優(yōu)化

孫佳佳，孫寶余，王曉東

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

隨著汽車工業(yè)和高速公路的發(fā)展及綠色輪胎發(fā)展理念的深入人心[1]，近年來全球市場(chǎng)對(duì)輕量化無內(nèi)胎全鋼輕型載重子午線輪胎的需求不斷增長(zhǎng)。為更好地滿足市場(chǎng)需求、提高市場(chǎng)占有率，我公司設(shè)計(jì)開發(fā)了215/85R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎。

作為輪胎受力的主要緩沖區(qū)域，胎側(cè)屈撓變形最大區(qū)域的位置是輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分，對(duì)輪胎的綜合使用性能和駕乘舒適性有很大的影響[2]。全鋼輕型載重子午線輪胎采用單鋼絲圈及單層胎體結(jié)構(gòu)，胎側(cè)厚度較小，輪胎側(cè)向穩(wěn)定性較差，屈撓變形最大區(qū)域及整個(gè)胎側(cè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響輪胎的負(fù)荷、驅(qū)動(dòng)及緩沖等性能。屈撓變形最大區(qū)域上移，胎肩部位受力加大，易造成肩空、肩裂等病象；屈撓變形最大區(qū)域下移，易造成胎圈部位應(yīng)力集中，出現(xiàn)圈空、圈裂等問題。而三角膠高度的設(shè)計(jì)對(duì)屈撓變形最大區(qū)域的位置有直接影響。為了優(yōu)化胎側(cè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、探索三角膠高度對(duì)215/85R16LT輪胎性能的影響，本工作設(shè)計(jì)了2種不同高度的三角膠[3-4]，并對(duì)成品輪胎室內(nèi)性能進(jìn)行對(duì)比。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼子午線輪胎胎冠部位采用多層小角度帶束層對(duì)胎體進(jìn)行周向纏繞，輪胎充氣穩(wěn)定性強(qiáng)，充氣后的外直徑膨脹率很小。采用有限元模擬分析方法并結(jié)合公司類似輪胎產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)D取767 mm，B取217 mm。

1.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎冠部充氣形狀的主要參數(shù)，與產(chǎn)品的綜合使用性能密切相關(guān)[5]。為進(jìn)一步優(yōu)化胎冠部位的接地壓力分布，提升產(chǎn)品耐磨性能，減少偏磨、畸磨等病象，提高產(chǎn)品行駛里程，平衡考慮[6-8]，本次設(shè)計(jì)b取168 mm，h取6.42 mm。

1.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d的設(shè)計(jì)影響輪胎的氣密性和裝卸方便性，d取值大，輪胎裝卸容易但氣密性差，反之，氣密性好，但裝卸困難。綜合考慮輪胎的裝卸方便性及使用過程中對(duì)氣密性的要求，本次胎圈設(shè)計(jì)采用與輪輞過盈配合的方式，提升胎圈的附著強(qiáng)度。結(jié)合我公司406 mm（16英寸）規(guī)格輪胎圈口的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)d取404 mm，C取165.1 mm。

1.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸是輪胎變形和屈撓最大的位置，對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尤其是對(duì)全鋼子午線輪胎。H1/H2過大，會(huì)造成輪胎肩部生熱大而易產(chǎn)生早期損壞；H1/H2過小，斷面水平軸下移導(dǎo)致胎圈部位應(yīng)力集中，易出現(xiàn)胎圈脫空及胎圈裂等問題。H1/H2設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證上下胎側(cè)彎曲剛度的平衡[1]，根據(jù)同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)H1/H2取1.062 5。

1.5 胎面花紋

花紋設(shè)計(jì)對(duì)輪胎產(chǎn)品的磨耗、噪聲及滾動(dòng)阻力等性能有著至關(guān)重要的作用，本次設(shè)計(jì)的TRA02花紋為全輪位輪胎條型花紋。通過調(diào)整肩部與中間花紋條的比例進(jìn)一步優(yōu)化了接地壓力分布[9]?；y深度為11 mm，花紋飽和度為78.56%，花紋周節(jié)數(shù)為65。TRA02花紋展開如圖1所示。

圖1 TRA02花紋展開示意

2 施工設(shè)計(jì)

2.1 胎面

采用單胎面設(shè)計(jì)（單配方單片擠出胎面）。胎面總寬度為198 mm，胎肩厚度為16.5 mm，中部厚度為11.5 mm，胎面斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 胎面斷面結(jié)構(gòu)示意

2.2 三角膠

三角膠采用單膠芯設(shè)計(jì)，方案一和方案二輪胎三角膠高度分別為75和65 mm。除三角膠高度外，其他施工條件及半成品尺寸等均相同，三角膠結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。

圖3 三角膠結(jié)構(gòu)和尺寸示意

2.3 胎體和帶束層

參考以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本產(chǎn)品胎體采用3＋9×0.22＋0.15鋼絲簾線，經(jīng)計(jì)算胎體安全倍數(shù)為11.7，滿足設(shè)計(jì)要求。參考類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際使用條件，帶束層采用3層結(jié)構(gòu)，1#和2#帶束層采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.30HI/HT鋼絲簾線[10]，帶束層安全倍數(shù)為9.19，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 胎圈

鋼絲圈采用Φ1.65 mm胎圈鋼絲，鋼絲排列方式為5-6-7-6-5，共29根，胎圈安全倍數(shù)大于7，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 成型和硫化工藝

成型采用一次法兩鼓膠囊成型機(jī)，硫化采用1 651 mm（65英寸）雙模定型熱板式硫化機(jī)、氮?dú)饬蚧?。硫化條件為：溫度 （147±2） ℃，壓力（1.7±0.1） MPa，時(shí)間 37 min。

3 成品性能

3.1 充氣外緣尺寸和強(qiáng)度

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行成品輪胎充氣外緣尺寸測(cè)量。按照FMVSS119及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成品輪胎強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試條件為：充氣壓力 650 kPa，壓頭直徑 19 mm。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 成品輪胎充氣外緣尺寸及強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

全鋼子午線輪胎的帶束層為多層不同角度的鋼絲簾布交錯(cuò)排列，伸張率和變形較小，對(duì)胎冠部位起箍緊作用，因此輪胎的充氣外直徑膨脹率很小，由表1可見，三角膠高度對(duì)輪胎的充氣外緣尺寸及強(qiáng)度無影響，且均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 充氣膨脹性能

三角膠高度對(duì)胎側(cè)屈撓區(qū)域有較大的影響，因此對(duì)胎冠充氣膨脹形狀有一定的影響，分別對(duì)方案一和方案二輪胎在100和650 kPa充氣壓力下的輪廓進(jìn)行掃描測(cè)試和對(duì)比，如圖4所示。輪胎充氣壓力從100 kPa增大至650 kPa胎冠各部位充氣膨脹量對(duì)比如圖5所示。

圖4 輪胎充氣膨脹輪廓對(duì)比

圖5 胎冠各部位充氣膨脹量對(duì)比

從圖4和5可以看出：方案二輪胎胎冠各部位的膨脹均勻性優(yōu)于方案一輪胎，且整體膨脹量大于方案一輪胎，而標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力（650 kPa）下兩方案輪胎的充氣外直徑是相同的，這是由于充氣壓力較小時(shí)，胎體受力膨脹對(duì)輪廓充氣形狀起主要作用，隨著充氣壓力的增大，帶束層的束縛力增大，對(duì)充氣輪廓形狀的影響增強(qiáng)，因?yàn)榉桨敢缓头桨付喬ネ廨喞嗤页悄z高度外，其余施工條件和半成品尺寸等也都相同，因此標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的外緣尺寸不變；方案二三角膠高度降低，則胎圈部位的曲率半徑相對(duì)減小，充氣后胎圈變形相對(duì)較大。根據(jù)非自然平衡輪廓理論，隨著充氣壓力的增大，胎圈部位簾布張力增大帶動(dòng)帶束層部位簾布張力增大。由于提高了關(guān)鍵部位的張力，因此方案二輪胎充氣壓力從100 kPa增至650 kPa的充氣膨脹更均勻，且整體膨脹量大于方案一輪胎。

3.3 耐久性能

按照GB/T 4501—2016及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成品輪胎耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表2所示。方案一試驗(yàn)100 h輪胎未壞，方案二試驗(yàn)110 h輪胎未壞，可見方案二輪胎的耐久性能較高。

表2 成品輪胎耐久性試驗(yàn)條件

3.4 高速性能

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行成品輪胎高速性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表3所示。結(jié)果表明，方案一和方案二輪胎的高速性能均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 輪胎高速性能試驗(yàn)條件

3.5 滾動(dòng)阻力

按照ISO 28580：2018進(jìn)行成品輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試，方案一和方案二輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)分別為6.143和6.412 N·kN-1，均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)（≤6.5 N·kN-1）。

4 結(jié)語

根據(jù)成品輪胎室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，本次設(shè)計(jì)開發(fā)的215/85R16LT全鋼輕型載重子午線輪胎三角膠高度選用方案二（65 mm），產(chǎn)品的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度、耐久性能和高速性能均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)要求。

新產(chǎn)品投產(chǎn)后生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，客戶使用和市場(chǎng)營(yíng)銷反饋良好，為公司創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。