輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的設(shè)計(jì)

武玉建，宋萌萌，楊萬龍

（山東金宇輪胎有限公司 青島分公司，山東 青島 266100）

隨著我國(guó)道路狀況的改善以及GB 1589—2016《道路車輛外輪廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的實(shí)施，整車輕量化成為國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠的發(fā)展目標(biāo)之一[1-3]。為滿足主機(jī)廠對(duì)整車輕量化的需求，我公司成功開發(fā)了輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎，現(xiàn)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

參照GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，確定輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 9.00，充氣外直徑（D′） 1 077（1 068～1 100） mm，充氣斷面寬（B′） 295（288～312） mm，標(biāo)準(zhǔn)單胎負(fù)荷3 550 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 930 kPa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎帶束層的特點(diǎn)是剛性強(qiáng)且不易周向伸張[4-5]。帶束層主要對(duì)輪胎冠部起到箍緊作用，由于12R22.5無內(nèi)胎輪胎的帶束層伸張和變形都較小，因此輪胎的外直徑膨脹率（D′/D）較小，根據(jù)我公司現(xiàn)有普通12R22.5輪胎的D′與模型尺寸的關(guān)系，本次設(shè)計(jì)D′/D取1.004，D取1 073 mm。

B′變化的影響因素較多，本次設(shè)計(jì)參考現(xiàn)有普通12R22.5輪胎的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，斷面寬度膨脹率（B′/B）取1.01，B取292 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎胎冠形狀的主要參數(shù)，b同時(shí)是輪胎行駛里程的主要影響因素之一，本次設(shè)計(jì)參考市場(chǎng)主流輕量化輪胎產(chǎn)品的參數(shù)設(shè)計(jì)，b取215 mm，同時(shí)還要保證輪胎的接地印痕形狀趨于矩形以及接地壓力分布均勻。當(dāng)b確定后，h增大則輪胎的接地印痕趨近于圓形，圓形印痕可以降低輪胎的滾動(dòng)阻力，但是控制不當(dāng)可能會(huì)引發(fā)輪胎偏磨問題的出現(xiàn)；h減小，輪胎的接地印痕趨于矩形，矩形印痕可以減少輪胎偏磨的發(fā)生，但控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致肩部厚度過大，從而增大輪胎使用時(shí)肩空、U形爆等問題出現(xiàn)的幾率。參考現(xiàn)有普通12R22.5輪胎的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)h取5.5 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

胎圈與輪輞之間的配合影響輪胎的氣密性及裝配性能。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為保證無內(nèi)胎輪胎的氣密性，要求胎圈與輪輞之間的裝配必須有適當(dāng)?shù)倪^盈量。結(jié)合我公司普通12R22.5輪胎的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)d取569.5 mm。該規(guī)格輪胎的標(biāo)準(zhǔn)輪輞為9.00，本次設(shè)計(jì)C采取比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度大12.7 mm（0.5英寸）設(shè)計(jì)，即C取240 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎的斷面水平軸位于其輪廓的最寬處，輪胎滾動(dòng)過程中此位置變形最大。由于全鋼子午線輪胎采用1層胎體簾布層結(jié)構(gòu)和單鋼絲圈設(shè)計(jì)，若H1/H2取值偏大，則會(huì)使斷面水平軸太高而導(dǎo)致胎肩部位帶束層端點(diǎn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致輪胎出現(xiàn)肩空等異常損壞；H1/H2取值偏小，則會(huì)使斷面水平軸太低而造成胎圈部位應(yīng)力集中，使輪胎出現(xiàn)胎圈空等質(zhì)量問題。結(jié)合我公司設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.98。

輪胎的斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎的斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋樣式主要由產(chǎn)品定位決定，本次設(shè)計(jì)的輕量化12R22.5無內(nèi)胎輪胎主要用于中長(zhǎng)途牽引車的導(dǎo)向輪和拖車輪位，因此采用4條縱向花紋，為使花紋更加新穎美觀，花紋采用S形設(shè)計(jì)；胎肩封閉設(shè)計(jì)以增加肩部花紋剛性，從而減少胎肩偏磨，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命；采用花紋細(xì)鋼片設(shè)計(jì)，以提高輪胎的抓著性能，同時(shí)有助于散發(fā)熱量；采用變節(jié)距設(shè)計(jì)，以降低輪胎的噪聲[6]。此外，花紋深度設(shè)計(jì)為15.5 mm，花紋飽和度設(shè)計(jì)為74.6%，花紋周節(jié)數(shù)設(shè)計(jì)為57。

胎面花紋展開如圖2所示，輪胎的花紋立體效果如圖3所示。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 輪胎的花紋立體效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面分為胎冠膠和基部膠兩部分，兩部分的膠料配方不同，胎冠膠主要保證耐磨性能，基部膠主要實(shí)現(xiàn)降低生熱。使用雙復(fù)合擠出機(jī)進(jìn)行胎面擠出，胎面總寬度為280 mm，胎面最厚處厚度為23 mm，胎面中間厚度為15.5 mm。

胎面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 帶束層和胎體

帶束層是輪胎的主要受力部件[7-8]，本次設(shè)計(jì)采用3層帶束層外加兩肩用0°帶束層進(jìn)行束縛的結(jié)構(gòu)，其中1#和2#帶束層采用0.37＋6×0.32ST鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.30HI鋼絲簾線，0°帶束層采用3×7×0.20HE鋼絲簾線。1#和2#帶束層是工作層，帶束層簾線角度分別為24°和15°，3#帶束層是輪胎的保護(hù)層，帶束層簾線角度為15°，帶束層安全倍數(shù)為5.8。

胎體采用3×0.24/9×0.225ST超高強(qiáng)度鋼絲簾線[9-10]，采用超高強(qiáng)度鋼絲簾線可使輪胎的強(qiáng)度在滿足輪胎使用要求的前提下減小簾布?jí)貉雍穸?，從而減小胎體簾布的質(zhì)量。胎體安全倍數(shù)為6.7。

3.3 胎圈

采用傳統(tǒng)的傾斜15°六角形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，使用直徑為1.65 mm胎圈鋼絲，鋼絲圈排列方式為8-9-10-11-10-9，共57根鋼絲，安全倍數(shù)為5.5，此設(shè)計(jì)可確保胎圈部位的強(qiáng)度能滿足使用要求。三角膠采用復(fù)合膠芯以實(shí)現(xiàn)胎圈部位向變形區(qū)剛性的平穩(wěn)過渡；胎圈部位用鋼絲簾布對(duì)鋼絲圈進(jìn)行U形包裹，不僅能提高胎圈的支撐性，也可以減少胎體簾布在負(fù)荷下發(fā)生移動(dòng)，胎圈包布采用3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線。

3.4 成型和硫化

為保證胎坯成型質(zhì)量，在一次法膠囊成型機(jī)上成型，機(jī)頭直徑為532 mm，鋼絲圈定位尺寸為690 mm。

采用蒸鍋式硫化機(jī)進(jìn)行硫化。硫化條件為：外壓壓力 （0.37±0.01） MPa，外壓溫度（145±3） ℃，蒸汽壓力 （0.9±0.1） MPa，蒸汽溫度 （175±3） ℃，總硫化時(shí)間 52 min。

4 成品輪胎的性能

4.1 外緣尺寸和質(zhì)量

將經(jīng)過外觀、X光等檢查合格的輪胎安裝在9.00輪輞上，在930 kPa標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》進(jìn)行輪胎的外緣尺寸測(cè)量。輪胎的D′為1 076 mm，B′為294 mm，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求和設(shè)計(jì)要求。

實(shí)際稱量輪胎的平均質(zhì)量為54.35 kg，滿足輕量化12R22.5無內(nèi)胎輪胎對(duì)自身質(zhì)量的要求（≤55 kg）。

4.2 強(qiáng)度性能

輪胎的強(qiáng)度性能按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為：充氣壓力 930 kPa，壓頭直徑 38 mm。結(jié)果表明，第1—第5測(cè)試點(diǎn)的破壞能分別為2 206.3，2 206.9，2 206.4，2 205.8和4 021.3 J。第5測(cè)試點(diǎn)破壞能為4 021.3 J時(shí)輪胎未壓穿，該值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（2 203 J)的182.5%，即輪胎的強(qiáng)度性能較好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求。

4.3 胎冠耐久性能

輪胎的胎冠耐久性能按照我公司研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)條件如表1所示。結(jié)果表明，輪胎在累計(jì)行駛91 h后出現(xiàn)胎冠脫層，輪胎的耐久性能達(dá)到企業(yè)研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)要求（達(dá)到70 h)。

表1 輪胎的胎冠耐久性能試驗(yàn)條件

5 結(jié)語

輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的外緣尺寸、強(qiáng)度性能和耐久性能均滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，輪胎的質(zhì)量小于主要競(jìng)品。該規(guī)格輪胎花紋設(shè)計(jì)新穎，已申請(qǐng)花紋外觀專利，自產(chǎn)品上市以來花紋無偏磨和掉塊等問題，輪胎的行駛里程和燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到客戶預(yù)期，目前已與中國(guó)幾大主要牽引車主機(jī)廠開展配套合作，公司在配套市場(chǎng)的知名度提高。