275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎的設計

李明珊，張 超，楊 朔，王 浩

（八億橡膠有限責任公司，山東 棗莊 277800）

隨著城市建設和公共交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，智能公交專用輪胎的需求量劇增，根據(jù)市場調(diào)研結果，目前我國公交公司采用的公交專用輪胎多為國際知名品牌，如普利司通、米其林、倍耐力和固特異等，基本無國產(chǎn)品牌輪胎。為占領國內(nèi)公交專用輪胎市場，同時提高公交專用輪胎的安全性，我公司決定開發(fā)275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎。智能公交專用輪胎主要是在輪胎中加入射頻識別（RFID）芯片，建立一個輪胎全周期追溯平臺。該款輪胎主要適用于新能源公交和城市快速公交汽車。

1 技術要求

依 據(jù)GB/T 2977—2016 和《歐 洲 輪 胎 輪輞技術組織標準手冊（ETRTO）2016》確定275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎的技術參數(shù)如下：標準輪輞 8.25×22.5，充氣外直徑（D′） 972（952～976） mm，充氣斷面寬（B′） 280（265～287） mm，標準充氣壓力900 kPa，單胎負荷 3 550 kg，速度級別 F。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎的帶束層采用加強型鋼絲簾線，冠部剛性強、變形小，輪胎充氣后受帶束層的箍緊作用，D變化很小，本設計D取971 mm，D′/D取1.001 0。輪胎B因斷面輪廓、施工設計和胎體簾線選擇而變化。公交專用輪胎的胎體采用高強度鋼絲簾線，側部雖然很柔軟，但膨脹率小，輪胎充氣后受高強度低伸長鋼絲簾線的約束，B變化很小。本設計B取279 mm，B′/B取1.003 6。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h作為決定胎冠形狀的主要參數(shù)，其值的選取直接影響輪胎的耐磨性能、附著性能、牽引性能和滾動阻力等。為了提高公交專用輪胎的操控性能和行駛穩(wěn)定性，在設計b時，要比普通輪胎取值略大，本設計b取242 mm，比常規(guī)輪胎的b（225 mm）加寬17 mm。為了增大公交專用輪胎的接地面積，提高輪胎耐磨性能，本設計h取8.3 mm，胎冠弧線采用一段弧加切線設計，胎面曲線平滑過渡，接地壓力分布更加均勻。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d的取值應滿足輪胎裝卸方便和著合緊密的要求。胎圈與輪輞裝配過盈量過大時，輪胎裝卸困難，且影響胎圈安全性；過盈量過小時，輪胎不能與輪輞緊密配合，無內(nèi)胎輪胎會漏氣。裝于深槽輪輞的無內(nèi)胎載重子午線輪胎，d一般要小于輪輞的標定直徑，以滿足過盈配合的要求，使輪胎緊箍于輪輞上，提高牽引性能，避免磨胎圈現(xiàn)象。本設計d取569.2 mm，較輪輞相應部位直徑小2.3 mm。輪胎兩胎踵間的距離為C，其值根據(jù)設計輪輞寬度而定，一般無內(nèi)胎載重子午線輪胎C大于輪輞寬度12.7 mm左右，差值不大于25.4 mm。8.25×22.5標準輪輞寬度為209.55 mm，本設計C取222 mm。

2.4 斷面高（H）與斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于斷面最寬點，是輪胎充氣后法向應變最大的位置，也是子午線輪胎胎體最薄，變形最大的部位[1]。H1/H2取值過小，即斷面水平線位置偏低，接近下胎側，輪胎使用過程中，下胎側和胎圈部位應力和應變較集中，易造成胎圈斷裂或脫層；H1/H2取值過大，則斷面水平軸位置較高，應力和應變集中于胎肩部位，容易造成肩空或肩裂。本設計H＝（D-d）/2=（971-569.2）/2＝200.9 mm，H1＋H2＝H，本設計H1取101 mm，H2取99.9 mm，H1/H2為1.011，在相近規(guī)格輪胎H1/H2取值范圍內(nèi)。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎需適用城市公交路況，公交專用輪胎不同于傳統(tǒng)載重輪胎，要求輪胎制動性能好、耐磨系數(shù)高、可翻新次數(shù)大、滾動阻力低和抗?jié)窕阅軆?yōu)異。

由于公交專用輪胎在城市道路上行駛，路況較好，輪胎胎面花紋采用3道縱向折線的主花紋溝設計，為了確保輪胎具有較小的磨耗體積，花紋深度設計相對較大，取21 mm。主花紋溝采用1.5 mm平臺設計，增加美觀度，主花紋溝角度采用左右各14°對稱設計，避免因花紋溝角度設計不合理，造成溝底裂，主花紋溝溝底倒角采用全圓弧設計，避免夾石子。

公交車在城市道路上行駛，相鄰兩個站點之間的距離一般在500～800 m，通過前期的市場調(diào)研，公交車設計最大車速為69 km·h-1，但在實際行駛過程中，尤其是上下班高峰期，車速較為緩慢，且啟動和停止頻繁，考慮到公交車安全系數(shù)和輪胎制動性能要求高，需要增加橫向花紋的數(shù)量，但同時為了提高輪胎耐磨性能，設計時需要減小橫向花紋溝的寬度和數(shù)量，減少單個花紋塊行駛過程中產(chǎn)生的蠕動，因為花紋塊蠕動時會產(chǎn)生滑動摩擦，滑動摩擦對輪胎的磨耗影響更大。為解決這個問題，設計時引入了3D鋼片設計的理念，即花紋溝不是垂直于行駛面，而是具有多個方向的立體溝槽，即在模具上采用3D立體鋼片設計。這種設計會使輪胎在行駛過程中花紋塊與花紋塊之間的支撐作用增大，尤其是車輛啟動、停止、加速、減速過程中，輪胎花紋與地面的摩擦力引起的單個花紋塊的蠕動減小，降低輪胎的滾動阻力以及公交車輛的能源消耗。花紋塊溝槽設計除了可以提高輪胎的制動性能及抓著力外，還可以使輪胎在積水路段高速行駛時劃破水膜，從而使車輛在積水路段平穩(wěn)通過。

為了減小行駛過程中的噪聲，采用變節(jié)距花紋設計，花紋周節(jié)數(shù)為60，使用2種節(jié)距寬度（短節(jié)距寬度為46.951 mm，長節(jié)距寬度為55.000 mm），花紋飽和度為79.6%。

胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

為使輪胎使用時接地壓力分布均勻、噪聲低和行駛舒適性高，采用有限元分析對輪廓設計、花紋設計和花紋節(jié)距排列進行了優(yōu)化[2-3]，得到最優(yōu)節(jié)距排列為21222-21122-22122-21112-21211-21121-11211-12112-11211-11211-21122-22122（1為短節(jié)距，2為長節(jié)距）。

胎面花紋立體效果如圖3所示。

圖3 胎面花紋立體效果

3 施工設計

3.1 胎面

為滿足公交專用輪胎車輛對輪胎性能的要求，除了在結構上進行優(yōu)化，還需要對胎面配方進行重新優(yōu)化設計，以滿足公交車輛特殊的需求。為此，我公司設計了專用Q602胎面配方，新胎面配方在原有胎面配方基礎上增加了煙膠片和卡博特的超耐磨炭黑，使公交專用輪胎的制動性能、耐磨性能和抗?jié)窕阅艿玫饺嫣嵘?/p>

為了降低胎面行駛過程中的生熱，胎面采用分層設計，包括胎面膠和基部膠（見圖4），以提高輪胎高速行駛過程中的散熱性能。

早晨起床，兩口子誰也不理誰。老婆在燃氣爐上炒好了兩碟菜，熥好了饅頭，然后把饅頭和兩碟菜都端到飯桌上，坐下便吃。楊力生賭著氣連看也不看她一眼，自己到碗柜里取出兩根香腸，一瓶啤酒，坐在寫字臺邊，用酒起子把瓶蓋一啟，一邊喝啤酒一邊吃香腸。待楊力生把一瓶啤酒喝完，香腸吃完，老婆也早已吃罷了飯。二人不聲不響地坐在那里。一會兒，楊力生罵道：

圖4 胎面結構示意

3.2 胎體

為保證輪胎的耐疲勞性能和高速性能，胎體骨架材料選擇3×0.24＋9×0.225CCHT鋼絲簾線。該簾線具有無外纏絲、同捻向、直徑小、強度高和耐疲勞性能優(yōu)異等特點。根據(jù)公交專用輪胎的設計定位，胎體簾布壓延密度為50根·dm-1，壓延厚度為2.0 mm，胎體安全倍數(shù)為10.5。

3.3 帶束層

帶束層設計主要包括簾布層數(shù)、結構形式、排列角度、簾線密度、帶束層寬度和長度，以及所采用的簾線結構與類型等[4-7]。一般全鋼載重子午線輪胎的帶束層由3—4層鋼絲簾布組成，常用的結構形式為層疊式。1#帶束層靠近胎體為過渡層，2#和3#帶束層為工作層即主要受力層，4#帶束層為保護層。本設計采用4層帶束層結構。1#帶束層采用4＋6×0.30HT鋼絲簾線，簾線密度為45根·dm-1，簾線角度為55°，2#和3#帶束層采用3＋8×0.33ST鋼絲簾線，簾線密度為45根·dm-1，簾線角度為20°，4#帶束層采用5×0.35HI鋼絲簾線，簾線密度為40根·dm-1，簾線角度為20°。帶束層安全倍數(shù)為8.9。

3.4 胎圈

鋼絲圈選用直徑為1.65 mm的鍍鋅銅回火高強度胎圈鋼絲，鋼絲排列方式為8-9-10-11-10-9-8，共7層，65根，鋼絲圈形狀為斜六角形（見圖5），鋼絲圈直徑為573.79 mm，覆膠后鋼絲直徑為1.80 mm。胎圈安全倍數(shù)為10.7。

圖5 鋼絲圈形狀示意

3.5 成型

采用一次法三鼓成型機成型，壓合方式采用4組后壓輥壓合，1#，2#和4#輥滾壓胎面，3#輥滾壓胎側，滾壓過程中，根據(jù)胎面、胎側不同的位置進行高低壓切換。

3.6 硫化

輪胎硫化采用雙模硫化機、氮氣硫化工藝。該硫化過程中沒有氧氣，膠囊不容易氧化，可以延長膠囊的使用壽命，硫化效率高、可靠性好、成本低、無污染。經(jīng)過對發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)的對比分析，確定最佳硫化溫度、時間和壓力等參數(shù)為：一次定型氮氣壓力 （0.005～0.006） MPa，二次定型壓力 （0.007～0.008） MPa，高壓蒸汽壓力（1.6±0.1） MPa，高壓氮氣壓力 （2.5±0.1）MPa，總硫化時間 48 min。

3.7 RFID智能芯片

在輪胎中植入RFID智能芯片（見圖6），給輪胎賦予一個全生命周期追溯平臺。該平臺具有雙通道信息載體功能，可實現(xiàn)輪胎的全生命周期追溯（使企業(yè)及消費者可追溯輪胎生產(chǎn)廠家、輪胎規(guī)格、輪胎類別、硫化機臺、成型機臺和技術方案等相關信息），同時實現(xiàn)使用車輛信息及過程更換調(diào)整信息的后寫入功能。后續(xù)配以輪胎管控功能軟件，可輕易實現(xiàn)公交公司對于輪胎使用的全流程管控，對輪胎使用成本的控制起到信息跟蹤的作用。

圖6 RFID智能芯片

RFID智能芯片在成型貼合時植入非常方便，只需將芯片貼合在胎側膠上，再用膠片壓合即可（見圖7），智能芯片不會影響輪胎的性能，智能芯片的使用溫度為（-40～85） ℃，即使在非?？量痰臈l件下也可以使用。

圖7 RFID智能芯片成型貼合

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

安裝在標準輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力下的外緣尺寸按照GB/T 521—2012進行測量，輪胎的D′和B′分別為976和280 mm，磨耗標志高度為2.6 mm，符合設計要求。

4.2 接地壓力分布

成品輪胎接地壓力分布按照GB/T 22038—2018進行測試，輪胎硫化后停放24 h后測試，結果如圖8所示。輪胎試驗充氣壓力為900 kPa，下沉量為34.8 mm。

圖8 成品輪胎接地壓力分布

4.3 強度性能

成品輪胎強度性能試驗按照GB/T 4501—2016進行，輪胎充氣壓力為900 kPa。結果表明，試驗結束時輪胎破壞能為6 007 J，為國家標準指標（≥2 203 J）的273%。成品輪胎強度性能達到國家標準要求。

4.4 耐久性能

成品輪胎耐久性試驗按照GB/T 4501—2016進行，輪胎充氣壓力為900 kPa，試驗負荷為2 178 kg，負荷率為65%，試驗速度為65 km·h-1，當輪胎行駛47 h后，每10 h試驗速度增大5 km·h-1、負荷增大10%繼續(xù)試驗，直至輪胎損壞。

結果表明，輪胎累計行駛時間為70.2 h，成品輪胎耐久性能到達國家標準要求。

4.5 充氣后應力分析

成品輪胎充氣后應力分布如圖9所示。

圖9 成品輪胎充氣后應力分布

4.6 路試

成品輪胎在山東棗莊公交有限公司進行路試，輪胎平均磨耗里程為21 542 km·mm-1。根據(jù)花紋深度為21 mm，按照剩余3 mm時更換新胎計算，預計試驗輪胎可行駛里程為38萬km。

5 結語

在全面市場調(diào)研分析的基礎上，275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎對胎側部位的膠料進行加厚設計，采用全新的立體花紋鋼片設計以及優(yōu)化的胎面配方，提高了輪胎的耐磨、制動和抗?jié)窕阅?，延長了輪胎的使用壽命。該產(chǎn)品的成功開發(fā)對國內(nèi)公交專用輪胎市場起到一定的推動作用，同時也提升了公司品牌形象，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。