305/70R22.5全鋼載重子午線輪胎的輕量化設(shè)計

梁千頃，李 昭，馬向前，石亞玲

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著電動汽車的興起，相關(guān)高科技零配件的研發(fā)也備受關(guān)注。早在1993年9月，已有輪胎巨頭企業(yè)宣布開始研制電動汽車輪胎[1-2]。由于電動汽車能量輸出及電量儲存受限，電動汽車輪胎具有質(zhì)量減小的要求，同時由于電動汽車動力輸出響應(yīng)快，輪胎瞬間應(yīng)力較大，對胎圈有很大考驗，傳統(tǒng)設(shè)計方法易出現(xiàn)胎圈早期損壞。為滿足電動汽車的使用要求，我廠重新開發(fā)了305/70R22.5全鋼載重子午線輪胎。

1 技術(shù)要求

根據(jù)GB 2977—2016《載重汽車輪胎、尺寸、氣壓與負(fù)荷》[3-4]，確定全鋼子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度 228.6 mm（9.00英寸），允許使用輪輞寬度 209.55 mm（8.25英寸）；充氣外直徑（D′） 1 000（988～1 012） mm，充氣斷面寬（B′）305（293～317） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 3 550 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

胎冠設(shè)計結(jié)合以往經(jīng)驗，周向伸張極小，輪胎充氣后外直徑相對于模具外直徑變化不大。并且?guī)鴮咏Y(jié)構(gòu)及簾線配置直接影響到輪胎充氣后的性能，本設(shè)計繼續(xù)使用3層帶束層＋2層0°冠帶條結(jié)構(gòu)。依據(jù)我公司多年的開發(fā)經(jīng)驗，充氣后D一般在0～4 mm內(nèi)變化，因此本設(shè)計D取996 mm，B取303 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.004，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.006。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是影響輪胎接地形狀、耐磨性能和使用壽命的重要技術(shù)參數(shù)。為了獲得更好的輪胎接地形狀和耐磨性能，采用有限元分析方法優(yōu)化b和h。本設(shè)計b取260 mm，b/B為0.858，h取11.2 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d是決定輪輞裝配緊密性的關(guān)鍵，直接影響到輪胎的氣密性和使用安全性，同時也直接影響輪胎裝配的難易程度。一般過盈量取1～2 mm，本設(shè)計d取570.5 mm。

為保證順利充氣，本設(shè)計C比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度大0.5英寸，取241.3 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

胎冠和胎圈位置是輪胎承載受力的最大區(qū)域，一般斷面高度（H）被水平軸分為上下2個部分，下半部分為H1，上半部分為H2。因為電動汽車扭力響應(yīng)速度快，輪胎胎圈瞬間應(yīng)力大，胎圈位置易發(fā)生損壞。為加強胎圈位置剛性，本設(shè)計H1/H2取0.795。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

胎面花紋對輪胎的通過性和耐久性能都有直接影響[5-7]。由于本設(shè)計輪胎主要用于市內(nèi)公交，路面一般為柏油路面，胎面花紋采用高飽和度公路花紋，設(shè)計花紋深度為19 mm，花紋飽和度為75%，花紋周節(jié)數(shù)為52，可以抵抗電動汽車高扭矩對胎面的損傷，保證輪胎耐磨性能好且磨耗均勻。為提高胎面的附著性能，主花紋溝采用Z字形設(shè)計，并在冠中3條肋條增加Z字形深溝槽。同時，為提高輪胎的自清潔性，花紋溝底增加排石臺設(shè)計，使花紋溝底泥沙更易清除，石子更易排出。

胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面半制品截面如圖3所示。根據(jù)實際使用環(huán)境，胎面采用翼型結(jié)構(gòu)，采用3種配方：上半部分采用超耐磨配方以保證行駛里程；兩翼采用特殊的配方以減小肩部生熱；基部增加粘合性能優(yōu)異的膠片。

圖3 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 胎體

胎體采用低成本鋼絲簾線，鋼絲簾線規(guī)格為3＋9＋15×0.175＋0.15。鋼絲簾線應(yīng)力計算采用比德爾曼公式，計算得到胎體安全倍數(shù)為7.8，滿足設(shè)計要求。

3.3 帶束層

載重子午線輪胎冠部帶束層通常為2—4層，本設(shè)計冠部帶束層采用3層鋼絲簾布，靠近胎體的為1#帶束層，稱為過渡層，簾線角度呈24°；2#帶束層為工作層，簾線角度呈15°；3#帶束層為保護(hù)層，簾線角度呈15°[8]。根據(jù)多年設(shè)計及實際使用經(jīng)驗，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)胎肩位置0°帶束層起到明顯的箍緊效果，可減少胎肩損壞，所以本設(shè)計胎肩使用0°帶束層，1#和2#帶束層均采用3＋9＋15×0.22＋0.15鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.30HI鋼絲簾線，帶束層安全倍數(shù)為9.8，滿足設(shè)計要求。

3.4 胎圈

胎圈鋼絲直徑為1.65 mm，鋼絲覆膠后直徑為1.80 mm，材質(zhì)選用鍍銅回火胎圈專用鋼絲。鋼絲圈呈平行四邊形排列，計算應(yīng)力安全倍數(shù)為9，滿足設(shè)計要求。

3.5 成型和硫化

本設(shè)計采用一次法三鼓成型機成型。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計經(jīng)驗，主鼓直徑為530 mm，鋼絲圈扣圈寬度為636 mm，帶束層貼合鼓周長為2 875 mm。成型中各半部件貼合密實，保證輪胎的動平衡性能和均勻性。

硫化采用活絡(luò)模模具硫化，加熱方式選用蒸鍋式硫化，總硫化時間為52 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

新胎安裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞上，按照標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力要求[9]充氣至900 kPa，實測輪胎D′為999 mm，B′為302 mm，均符合設(shè)計要求。

4.2 強度性能

按照國家標(biāo)準(zhǔn)壓穿試驗方法測試成品輪胎強度性能[8-11]，充氣壓力為900 kPa，壓頭直徑為38 mm。輪胎被壓穿時的破壞能為5 500.9 J（國家規(guī)定值為3 051 J），達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的180%。

4.3 胎圈耐久性能

將胎冠花紋打磨至磨耗標(biāo)志處，充氣壓力為950 kPa，試驗負(fù)荷為4 900 kg（標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的138%），行駛速度始終保持為20 km·h-1，成品輪胎累計行駛時間為370 h，符合設(shè)計要求（公司控制要求不短于250 h）。

4.4 成品耐久性能

按照國家標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測試成品耐久性能，充氣壓力為900 kPa，負(fù)荷為3 550 kg且保持恒定，試驗過程保持恒定速度為65 km·h-1，持續(xù)行駛至國家標(biāo)準(zhǔn)強制要求（47 h）后，停機檢查輪胎并未發(fā)生損壞。按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（限值為57 h）繼續(xù)進(jìn)行試驗[12-13]，如表1所示，負(fù)荷增加10%持續(xù)行駛10 h后，持續(xù)增加負(fù)荷，直到輪胎損壞為止，最終累計行駛時間為69.4 h。試驗結(jié)束時輪胎花紋溝底部有裂口導(dǎo)致漏氣，成品輪胎耐久性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 成品輪胎耐久性能測試結(jié)果

5 結(jié)論

305/70R22.5全鋼載重子午線輪胎設(shè)計著重考慮了安全性和承載能力，體現(xiàn)電動汽車輪胎的使用特點。成品輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能和耐久性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。輪胎投放市場后，其優(yōu)良的安全性和承載性能得到用戶的好評。