12R22.5 18PR GX58無內胎全鋼載重子午線輪胎的設計

趙海斌，鄔素華

（1.天津科技大學 材料科學與化學工程學院，天津 300457；2.銀川佳通輪胎有限公司，寧夏 銀川 750021）

隨著輪胎工業技術的發展，全鋼載重子午線輪胎向無內胎化發展。與有內胎全鋼載重子午線輪胎相比，無內胎全鋼載重子午線輪胎具有耐磨性能、高速性能和安全性能好，散熱快，油耗量小，故障率低等特點。目前，國內商用無內胎全鋼載重子午線輪胎正在迅速普及，但由于重載、路況較差導致的無內胎全鋼載重子午線輪胎胎圈鼓包現象較嚴重。為解決這一問題，我公司開發了12R22.5 18PR GX58無內胎全鋼載重子午線輪胎，現將其設計情況介紹如下。

1 技術要求

根據客戶要求，參照《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO）2014》，確定12R22.5 18PR GX58無內胎全鋼載重子午線輪胎的主要技術參數為：標準輪輞規格 22.5×9.00，充氣斷面寬度（B′）298（288～312） mm，充氣外直徑（D′） 1 096（1 069～1 114） mm，標準充氣壓力 930 kPa，額定負荷 3 550 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬度（B）

全鋼載重子午線輪胎充氣后周向受鋼絲簾線帶束層的箍緊作用，D′變化很小，一般僅為2～6 mm，即D與D′相差很小。本次設計外徑膨脹率（D′/D）取1.002 0，則D為1 094。

全鋼載重子午線輪胎B的設計應考慮胎體鋼絲簾線的伸張性能、輪胎斷面輪廓、帶束層角度和長度等因素。本次設計斷面寬膨脹率（B′/B）取1.012，則B為295 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

全鋼載重子午線輪胎的b主要與扁平率和帶束層剛性有關，同時對輪胎的抓著性能、操縱性能、耐磨性能和滾動阻力有影響。具有多層鋼絲簾線帶束層的輪胎應取較大h，如果h較小會減小接地面積，從而使胎冠中部磨損較快，對輪胎抓著性能有很大的不良影響。

為保證輪胎有適當的接地面積，本次設計h/斷面高度（H）取0.034，H為260.1 mm，則h為8.8 mm；b/B取0.84，則b為250 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

由于是無內胎輪胎，為防止漏氣，輪胎與輪輞采用過盈配合。為保證輪胎與輪輞緊密配合，同時兼顧輪胎裝卸方便，根據輪輞直徑為571.5 mm，d比輪輞直徑小1～3 mm，本次設計d確定為569.5 mm。

C/B一般為0.7～0.8，同時C大于輪輞寬度時可以提高輪胎耐磨性能和胎側剛性。根據輪輞寬度為228.5 mm，本次設計C取254 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面最寬處，是輪胎法向變形最大部位，也是胎側最薄處。子午線輪胎胎體簾線呈徑向排布，胎圈承受的應力比斜交輪胎大，當H1/H2較大時，胎圈部位應力減小。本次設計輪胎用于重載、中短途運輸車輛，對胎圈耐久性能要求相對較高。為了提高胎圈耐久性能，斷面水平軸可適當向胎冠部位移動，使輪胎受力區域向胎冠部位移動，適當增大胎冠和肩部部位受力，使最大變形區域靠近胎冠，從而提高輪胎承載性能，有效降低胎圈部位生熱，避免或減少胎圈部位脫層。借鑒以往的經驗，本次設計H1/H2取0.838。

輪胎斷面如圖1所示。

圖1 輪胎斷面示意

2.5 胎面花紋

由于輪胎用于重載、中短途運輸車輛，對其胎面花紋要求較為苛刻，既要耐磨、抗刺扎和防掉塊，又要兼具良好的通過性能和自潔性能。為此，本次設計采用型號為GX58的中心對稱塊狀花紋，胎肩部位增設10 mm寬的加強筋，以有效減少胎肩崩花、掉塊現象。結合花紋類型、胎體強度、使用條件及行駛速度等因素，確定花紋深度和花紋飽和度分別為22 mm和72.68%。胎肩花紋采用溝槽結構，以利于散熱。

胎面花紋展開如圖2所示，成品輪胎胎面照片如圖3所示。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 成品輪胎胎面照片

3 施工設計

3.1 胎面

22R22.5 18PR GX58無內胎全鋼載重子午線輪胎主要用于在國道和工礦混合路面上行駛的車輛，行駛速度不超過80 km·h-1，要求胎面具有良好的耐磨性和抗撕裂性，為此我公司設計了專用胎面膠配方（主體材料為天然橡膠/丁苯橡膠并用膠，補強體系為炭黑N115/白炭黑并用體系，硫化體系為平衡硫化體系）。

胎面采用兩方兩塊結構，雙復合擠出工藝，肩部厚度為28 mm，肩部寬度為230 mm，中部厚度為20 mm，中部寬度為320 mm，基部膠厚度為3 mm。這樣的結構有利于胎冠部位散熱。

胎面結構如圖4所示。

圖4 胎面結構示意

3.2 胎體和帶束層

胎體骨架材料對輪胎的承載性能和操縱性能影響很大，同時對斷面寬度、牽引性能和制動性能等有一定的影響。根據同類輪胎的設計經驗，本次設計胎體采用1層0.25＋6＋12×0.225HT鋼絲簾線，胎體安全倍數達到8.1。由于該鋼絲簾線直徑較小，因此胎側剛性低，有利于提高輪胎的承載性能。

子午線輪胎的帶束層對輪胎性能起決定性的作用。本次設計采用3層帶束層加0°帶束層結構，這種結構有利于提高輪胎的承載性能。靠近胎體的1#和2#帶束層采用3＋8×0.33HT鋼絲簾線，簾線角度為20°～30°，密度為5根·cm-1，帶束層角度為24°；3#帶束層采用5×0.35HI鋼絲簾線，簾線角度為15°～24°，密度為5根·cm-1，帶束層角度為18°；0°帶束層采用為3×7×0.20HE鋼絲簾線。帶束層安全倍數為6.3。

當帶束層寬度（Bw）/b小于1.05時，對提高輪胎耐久性能有利；當Bw/b小于0.9時，可防止胎肩異部位常磨損。兼顧上述兩種情況，Bw/b取小于0.94。帶束層層間寬度級差從外到內均為10～15 mm，最外層保護層寬度為最內層最寬帶束層的50%以上。

3.3 胎圈

胎圈承受輪胎行駛過程中的內壓制動力矩、離心力以及輪輞過盈力。子午線輪胎胎圈是易受力損壞的薄弱環節。本次設計胎圈鋼絲為直徑1.65 mm的回火鋼絲，覆膠后鋼絲直徑為1.85 mm；胎圈鋼絲排列方式為8-9-10-11-10-9-8-7，鋼絲圈截面呈六角形。胎圈安全倍數為9.7。另外，為進一步提高胎圈的耐久性能，胎圈部位不但采用鋼絲包布，還在胎體反包端點處貼合一層錦綸66簾布，以增強胎圈部位。

3.4 成型工藝

成型采用三鼓一次法成型機，機頭直徑為540 mm，機頭寬度為720 mm。為提高輪胎的均勻性和動平衡性能，采用側包冠成型工藝及半成品接頭定點分布技術。

3.5 硫化工藝

硫化采用1 615 mm（65英寸）B型雙模定型硫化機，硫化條件為：外壓蒸汽壓力 0.39 MPa，外壓蒸汽溫度 151 ℃；過熱水壓力 2.6 MPa，過熱水溫度 173 ℃；總硫化時間 58 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

安裝在標準輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力（930 kPa）下的D′為1 097 mm，B′為299 mm，花紋深度為24.2 mm。成品輪胎充氣外緣尺寸達到設計要求。

4.2 強度性能

按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行成品輪胎強度性能試驗，試驗條件為：標準充氣壓力 930 kPa，壓頭直徑 38 mm。試驗輪胎的破壞能為4 502.6 J，為國家標準值的204.38%。成品輪胎強度性能達到國家標準要求。

4.3 耐久性能

按照GB/T 4501—2016進行成品輪胎耐久性試驗，試驗條件為：標準充氣壓力 930 kPa，額定負荷 3 550 kg，行駛速度 50 km·h-1，按標準程序試驗47 h后，以每10 h負荷率增大10%繼續試驗，直至輪胎損壞。試驗結束時成品輪胎累計行駛時間為102.3 h，胎肩起鼓。成品輪胎耐久性能符合國家標準要求。

4.4 高速性能

按照GB/T 4501—2016進行成品輪胎高速性能試驗，試驗條件為：標準充氣壓力 930 kPa，額定負荷 3 550 kg，初始速度 60 km·h-1，試驗2 h后速度增至80 km·h-1，之后每行駛2 h速度提高10 km·h-1，直至輪胎損壞。成品輪胎最終行駛速度為130 km·h-1，累計行駛時間為18.1 h。成品輪胎高速性能符合國家標準要求。

4.5 胎圈耐久性能

按照企業標準進行成品輪胎胎圈耐久性能試驗，試驗條件為：標準充氣壓力 930 kPa，額定負荷 3 550 kg，試驗速度 50 km·h-1，單胎最大負荷率 200%。試驗結束時成品輪胎累計行駛時間為380.5 h。成品輪胎胎圈耐久性能符合企業標準要求。

5 結語

本次設計12R22.5 18PR GX58全鋼載重子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能、耐久性能和高速性能達到設計或國家標準要求。目前，該輪胎已經投入市場，使用性能良好。