420/85R30拖拉機驅(qū)動輪農(nóng)業(yè)子午線輪胎胎面花紋的設(shè)計

張楨浩，曲 建，李 強

（青島橡建工業(yè)工程有限公司，山東 青島 266000）

農(nóng)業(yè)拖拉機主要用于田間作業(yè)，因此牽引性能是衡量其驅(qū)動輪輪胎使用性能的主要指標(biāo)之一，而胎面花紋則是影響輪胎牽引性能的重要因素[1-3]。胎面花紋設(shè)計包括花紋塊的寬度、深度、周節(jié)數(shù)、排列角度以及花紋塊飽和度。合理的胎面花紋能保證輪胎優(yōu)異的牽引性能、耐磨性能及自潔性能。

本工作進行420/85R30拖拉機驅(qū)動輪農(nóng)業(yè)子午線輪胎胎面花紋的設(shè)計。

1 花紋設(shè)計

1.1 花紋塊寬度

農(nóng)業(yè)拖拉機主要用于田間，兼做運輸工具，因此其驅(qū)動輪輪胎的花紋塊寬度設(shè)計在考慮輪胎的耐磨性能、牽引性能和自潔性能的同時還需考慮單位面積壓力等。一般農(nóng)業(yè)機械驅(qū)動輪輪胎花紋飽和度為20%～25%，結(jié)合輪胎的實際使用環(huán)境，本設(shè)計花紋飽和度取23.6%。為提高胎冠耐磨性能，結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，胎面冠部花紋塊寬度大于胎肩花紋塊寬度。胎面花紋立體效果如圖1所示。

圖1 胎面花紋立體效果

1.2 花紋塊數(shù)量

根據(jù)農(nóng)業(yè)拖拉機耕運兩用的特點，輪胎花紋塊數(shù)量與使用條件相關(guān)，如果主要用于田間耕作，輪胎花紋塊數(shù)量相對較少，花紋塊較窄；如果主要用于短途運輸，輪胎花紋塊數(shù)相對多些，花紋塊寬些。結(jié)合以往經(jīng)驗，本次設(shè)計花紋周節(jié)數(shù)取20。

1.3 花紋深度

花紋深度的確定取決于輪胎的使用條件，如果用于旱田操作及短途運輸，輪胎花紋深度相對較??；如果用于濕度大的土壤田間或較泥濘的田間甚至水田間作業(yè)時，輪胎花紋深度相對較大。根據(jù)GB/T 2979—2017，并結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計花紋深度取45 mm。

1.4 花紋塊排列角度

1.4.1 花紋角度

輪胎花紋塊排列角度對輪胎的牽引性能和耐磨性能有重要影響，本次設(shè)計的農(nóng)業(yè)拖拉機驅(qū)動輪胎花紋是左右成對錯開排列的，左右花紋塊排列成人字形，整個胎面花紋具有一定的方向。拖拉機的牽引力是由于輪胎與地面或土壤接觸后產(chǎn)生的剪切力而產(chǎn)生，剪切力增大，則牽引力增大。

為方便區(qū)分，將輪胎的整個行駛面劃分為接地區(qū)和驅(qū)動區(qū)。接地區(qū)為胎冠中心部位最先接觸土壤的區(qū)域，約占整個行駛面寬度的1/3，驅(qū)動區(qū)在接地區(qū)左右兩側(cè)對稱分布。

1.4.1.1 接地區(qū)花紋角度

農(nóng)業(yè)拖拉機在田間作業(yè)過程中，輪胎胎冠中部首先接觸土壤，胎冠中部的接觸角（與徑向之間的夾角）越小，平順性越好，行駛阻力越小，能耗越低，舒適性越好，但是牽引力??；如果胎冠中部接觸角增大，行駛阻力和牽引力增大，但是拖拉機兼做運輸工具時，在硬路面行駛的平穩(wěn)性會受到影響，且能耗大，綜合農(nóng)業(yè)拖拉機驅(qū)動輪輪胎是耕運兩用的輪胎，采用輪胎花紋與徑向成40°～45°的變角度（圖2中的α角）花紋設(shè)計，花紋塊轉(zhuǎn)折處采用弧線連接，提高輪胎的自潔性能、抗刺扎性能和抗撕裂性能。

圖2 胎面花紋塊及花紋夾角示意

1.4.1.2 驅(qū)動區(qū)花紋角度

根據(jù)輪胎的使用條件，驅(qū)動區(qū)花紋與徑向之間的夾角（圖2中的β角）明顯大于α角，β角一般采用50°～69°的變角度設(shè)計。從α角到β角，隨著角度的不斷增大，行駛阻力不斷增大，從而逐步提高了輪胎的牽引力。由于土壤與路面的硬度不同，輪胎花紋塊在不同角度的綜合作用下，使輪胎既具有一定的導(dǎo)向性能，又具有良好的牽引性能。另外接地區(qū)與驅(qū)動區(qū)花紋塊之間采用圓弧過渡，可使花紋塊轉(zhuǎn)彎處光滑，有利于提高輪胎的自潔性能。

1.4.2 前后支撐角度

胎面中部花紋塊的前后支撐角度越小，花紋塊越易切入土壤中，但是前后支撐角度過小，容易引起花紋塊根部裂口，花紋塊穩(wěn)定性降低，花紋塊移動大，導(dǎo)致輪胎的耐磨性能及抗撕裂性能差，使用壽命短。結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，胎面中部花紋塊前支撐角度一般設(shè)計為15°，其位置從花紋塊表面到花紋塊1/4高度處，后支撐角度設(shè)計取值一般是18°～20°，同時增大花紋塊根部的連接弧半徑，使花紋塊根部橡膠厚度增大。這樣既可以保證花紋塊有良好的切入性能，同時又可以使輪胎在行駛過程中有足夠的支撐性能和自潔性能。

此外胎面肩部的花紋塊前后支撐角度需要綜合考慮各種因素，一方面肩部花紋塊要有足夠的支撐力，同時要有良好的散熱性能及自潔性能。結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，肩部花紋塊前支撐角度取18°，其位置從花紋塊表面到花紋塊1/4高度處，后支撐角度取25°。

胎面花紋前后支撐剖面如圖3所示。

圖3 胎面花紋前后支撐剖面示意

1.5 花紋溝底弧度及其他

根據(jù)輪胎的使用條件，花紋溝底弧度影響輪胎的使用壽命。如果花紋溝底過渡弧半徑過小，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，導(dǎo)致溝底裂口，造成輪胎早期損壞。結(jié)合輪胎的使用條件，一般前支撐弧度半徑在15～20 mm之間，后支撐弧度半徑比前支撐弧度半徑大5～10 mm。

為確保農(nóng)業(yè)拖拉機驅(qū)動輪輪胎適用多種路面，具有良好的牽引性能和自潔性能，胎肩花紋溝與胎冠花紋溝之間采用圓弧過渡。另外，花紋溝底部設(shè)有曲線形凸起和規(guī)格文字凸起，相互交替排列分布，凸起高度為2 mm，起到增大散熱面積、支撐花紋塊、保護胎冠的作用，同時增強了輪胎的立體感和美感。輪胎斷面輪廓如圖4所示。

圖4 輪胎斷面輪廓示意

2 成品輪胎性能

2.1 充氣外緣尺寸

輪胎充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2012測量，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為160 kPa，輪胎充氣外直徑和充氣斷面寬分別為1 088和281 mm，符合設(shè)計要求。

2.2 物理性能

成品輪胎物理性能按照GB/T 1192—2017測試，結(jié)果見表1。

表1 成品輪胎物理性能測試結(jié)果

由表1可見，成品輪胎胎面膠物理性能和各部位粘合強度符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語

本花紋設(shè)計的420/85R30拖拉機驅(qū)動輪農(nóng)業(yè)子午線輪胎的充氣外緣尺寸和物理性能符合設(shè)計要求，受到國內(nèi)外客戶歡迎。后續(xù)將開發(fā)此花紋的不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，為公司和社會進一步創(chuàng)造效益。