掛膠鋼絲簾線直接纏繞的新結構全鋼載重子午線輪胎設計與分析

李志華，劉飛鵬，李 勇，張 奪，李昭帝

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

子午線輪胎胎體簾布層簾線與胎面中心線呈90°排列，帶束層簾線與胎面中心線呈0°或很小角度斜向交叉排列。子午線輪胎具有行駛里程高，節約燃料、減震性能好、胎面耐穿刺、抓著性能好、越野性能高、行駛溫度低及散熱快等特點。

子午線輪胎的出現是輪胎工業的一次重大技術革命，是輪胎更新換代的產品，其優越性能取決于柔軟的胎體和堅固的帶束層。子午線輪胎的力學性能[1]與胎體和帶束層的關系比較復雜，其中帶束層起決定性的作用。帶束層的堅固性影響子午線輪胎的操縱性能、側向力、高速性能和耐磨性能等，而胎體會影響到車輛的乘坐舒適性和牽引性能等。

通過分析不難發現，目前常用的全鋼載重子午線輪胎在制造或使用過程中容易出現諸如胎體簾線彎曲、胎體簾線辟縫、胎體簾線稀線、胎體簾線重迭交叉、胎體簾線斷頭[2]、胎體簾布反包過高或過低、接頭錯邊以及帶束層中心偏歪、帶束層簾線重迭或裂開、帶束層接頭錯邊等質量缺陷。同時，與更高的負荷能力、緩沖性能、牽引力、剎車能力、轉彎能力、方向穩定性能、耐磨性能、耐久性能、安全性及滾動阻力性能[3]等要求還有較大 差距。

目前的全鋼載重子午線輪胎結構及制造工藝難以克服上述缺陷和滿足上述要求，因而有必要提出并設計一種全新結構的全鋼載重子午線輪胎，以簡化輪胎制造工藝，解決輪胎制造過程中可能出現的輪胎精度難以保證問題，從而大幅提升輪胎的自動化制造水平、承載能力和使用壽命等 指標。

1 新結構全鋼載重子午線輪胎的提出

全鋼載重子午線輪胎的關鍵部件是胎體簾布層和帶束層。鋼絲簾線是子午線輪胎的主要骨架材料，它使子午線輪胎的胎體和帶束層具有強力大、伸長小的特點。胎體簾布層和帶束層對全鋼載重子午線輪胎的力學性能尤為重要。

傳統的胎體簾布層[4]普遍使用鋼絲與膠條壓延成型、裁斷和粘接而成的鋼絲簾布，帶束層同樣采用鋼絲與膠條壓延、小角度裁斷和粘接而成。在胎體簾布層和帶束層制造過程中，胎體簾布層和帶束層在輪胎的貼合成型過程中出現了太多的鋼絲斷頭，這些鋼絲斷頭直接或間接地造成了輪胎的各種質量缺陷。

新型全鋼載重子午線輪胎就是拋棄傳統輪胎胎體簾布和帶束層的壓延（或擠出）、裁斷制造工藝，消除鋼絲接頭，采用1根掛膠鋼絲簾線纏繞的方法直接在輪胎成型設備上分別制成胎體簾布層和多層帶束層，整體斷面結構如圖1所示。

圖1 新型全鋼載重子午線輪胎斷面結構示意

2 新結構全鋼載重子午線輪胎的設計

2.1 胎體簾布層和帶束層

全鋼載重子午線輪胎的胎體簾布層自始至終采用1根掛膠鋼絲簾線直接在兩個胎圈之間有序纏繞形成筒狀，如圖2所示。

圖2 胎體簾布層示意

簾布層寬度、鋼絲間距可調可控，纏繞完畢后只有一個鋼絲接頭，大大減小了鋼絲接頭數量，鋼絲間距均勻性、鋼絲受力一致性易保證。

帶束層是使用1根掛膠鋼絲簾線直接在充氣隆起的胎體筒上纏繞，分別用1根鋼絲纏到底，形成獨立的1#，2#和3#帶束層或0°帶束層，如圖3 所示。

圖3 帶束層鋼絲簾線纏繞示意

簾布層寬度、鋼絲間距可調可控。每層無鋼絲接頭，避免了鋼絲接頭，鋼絲間距均勻性、鋼絲受力一致性易保證。

2.2 工藝設計

首先，在2個胎圈（三角膠膠條粘貼在鋼絲圈的側面）之間使用1根掛膠鋼絲簾線按照設定的間距和拉力繞著兩個胎圈有序纏繞1周，形成鋼絲筒，將鋼絲筒套到已經貼上內襯層膠片、胎側膠片以及胎圈包布等部件的成型鼓上，在鋼絲筒外側貼上一層膠片，形成胎體簾布筒。成型鼓充氣、隆起并反包后制成定型尺寸的胎體，如圖4所示。

然后，使用一根掛膠鋼絲簾線沿著定型尺寸的胎體周向有序地按照設定的間距和拉力纏繞到設定寬度，接著貼上一層包膠，形成1#帶束層。以此類推，使用同樣的纏繞方法分別形成2#和3#帶束層或0°帶束層，如圖5所示。

最后，再貼上胎面等部件，即制成胎坯，如圖6所示。

該工藝不需要傳統的鋼絲壓延機、簾布裁斷機及貼合設備，無需輪胎成型機的簾布導開、輸送、定長裁斷、反包搭接等裝置，簡化了設備。

2.3 幾個關鍵性問題

（1）簾線材料。新型全鋼載重子午線輪胎簾線材料仍使用鋼絲，要求伸張小、強度高。

（2）簾線結構。新型輪胎只設1層胎體簾布，胎體簾線要求柔軟性好、剛度較低，以提高汽車行駛的舒適性，具體可按不同規格輪胎胎體簾線所需強度選擇鋼絲簾線。

新型輪胎帶束層所用鋼絲簾線結構比較復雜，如帶束層由2層甚至3層或4層鋼絲簾布組成，受力較復雜，在設計上要采用2種或3種甚至4種鋼絲簾線。帶束層簾線要求剛度較大，因此單絲直徑須有一定的要求，單根鋼絲簾線直徑的選擇也要根據輪胎的規格和層級而定。

（3）簾線間距。簾線間距的選擇取決于輪胎的耐磨耗性能和承載能力，應根據簾線結構和強度來選擇密度。

（4）簾布層寬度。帶束層寬度的選擇不僅影響輪胎的質量，也影響汽車的性能。帶束層過窄易引起胎肩早期磨損，過寬會引起胎肩早期脫層，帶束層寬度對轉彎因數和滾動阻力因數也有很大影響，因此選擇帶束層寬度時必須綜合考慮。

圖4 胎體簾布筒制造工藝流程

圖5 帶束層制造工藝流程

圖6 胎坯斷面效果

2.4 輪胎結構及性能分析

（1）全新結構的全鋼載重子午線輪胎的胎體徹底顛覆了人們對輪胎的傳統制造工藝過程的理解，以1根掛膠鋼絲簾線纏繞，整個胎體簾線僅1個接頭。輪胎的胎圈部位也不同于傳統結構，該部位受力更加均勻。

（2）全新結構的全鋼載重子午線輪胎每層帶束層都由1根掛膠鋼絲簾線纏繞，無接頭，帶束層簾線與胎冠中心線成0°周向排列，帶束層簾線和胎體子午線方向排列的簾線形成真正意義的90°，無“剪切”效應，無變形，使帶束層在承載時幾乎不變形，剛性更大、強度更高。

（3）全新的特殊結構帶來的在輪胎整體上相輔相成作用的結果是，在內壓、負荷和外力作用下的輪胎側向變形、輪胎法向變形、胎冠周向變形、胎冠周期滾動變形、高速運行旋轉下的輪胎變形普遍得到了優化，滿足了輪胎苛刻的使用要求，有利于提高輪胎的承載能力，延長輪胎的使用 壽命。

（4）全新結構的全鋼載重子午線輪胎的制造工藝大大簡化，不僅省去了壓延機和裁斷機等重型設備，也取消了輪胎成型機上的部分附屬裝置，不僅容易提升制造輪胎的精度，也有利于提高輪胎成型設備的自動化控制水平。

3 結論

輪胎的胎體簾布和每層帶束層分別用1根掛膠鋼絲簾線直接纏繞完成是全新結構的全鋼載重子午線輪胎的明顯特征。新型輪胎的結構只有胎體簾布層有1個鋼絲接頭，其制造工藝也不同于傳統工藝，簡化了輪胎制造工藝流程，成型周期短，生產效率高，克服了傳統輪胎存在的質量缺陷，既保證了制造精度，提高了輪胎的承載能力，又提升了輪胎質量，并且容易實現真正意義上的輪胎自動化流水作業。