高負(fù)荷工業(yè)車輛專用12.00R20全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)

高同舜，王秀梅，楊 萌，趙玉娜，李園園

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

隨著船舶工業(yè)的發(fā)展，船舶行業(yè)的運(yùn)輸顯得尤為重要，輪胎作為運(yùn)輸車輛的重要部件之一，對(duì)其負(fù)荷的要求越來越高。高負(fù)荷工業(yè)車輛專用全鋼載重子午線輪胎屬國(guó)內(nèi)空白產(chǎn)品，由于國(guó)外同類產(chǎn)品采購周期長(zhǎng)，船舶工廠對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品需求日益增大。我公司根據(jù)用戶需求，開發(fā)了高負(fù)荷工業(yè)車輛專用12.00R20全鋼載重子午線輪胎，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。現(xiàn)將其設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)歐洲ETRTO 2012標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過市場(chǎng)調(diào)研及與客戶溝通，確定高負(fù)荷工業(yè)車輛專用12.00R20全鋼載重子午線輪胎的主要技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 8.5，充氣外直徑（D′） 1 135（1 107～1 143） mm，充氣斷面寬（B′） 317（303～327） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 1 000 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 7 100 kg，最高行駛速度 25 km·h-1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

輪胎的充氣外緣尺寸關(guān)系到輪胎的使用性能，而模型尺寸決定了輪胎的充氣外緣尺寸。相比于多層纏繞錦綸簾布的斜交輪胎，全鋼載重子午線輪胎的結(jié)構(gòu)特性以及鋼絲簾布的高剛性使其周向尺寸具有充氣前后低增大率的特點(diǎn)。根據(jù)以往產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)過程的工藝情況，本次設(shè)計(jì)D取1 130 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.004 4。

輪胎充氣后斷面寬的影響因素較多，包括胎體鋼絲材料的選用、帶束層的結(jié)構(gòu)和角度等，綜合考慮，B取315 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.006 3。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b的取值決定了輪胎的使用性能，如高速性能、附著性能、牽引性能、耐久性能、耐磨性能和滾動(dòng)阻力等。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮輪胎的承載能力和使用壽命，適當(dāng)調(diào)整b以降低單位接地面積的壓力，改善輪胎冠部的受力分布[1-2]，提高產(chǎn)品的耐磨性能。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工業(yè)車輛專用輪胎性能要求，本次設(shè)計(jì)b取290 mm，b/B為0.921。

h取值對(duì)輪胎的接地性能有很大影響，h取值合理，輪胎的接地形狀近似于矩形，胎面磨損均勻；若h取值過小，會(huì)導(dǎo)致輪胎肩部較厚，生熱高，影響輪胎的使用壽命；若h取值過大，則影響輪胎接地性能，使接地面積減小，接地印痕呈橢圓形，胎面磨損多由中央部分承擔(dān)，出現(xiàn)磨胎冠現(xiàn)象。綜合考慮各種因素，h取9.6 mm，h/斷面高（H）為0.031。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

載重子午線輪胎除了要求與內(nèi)胎墊帶有良好的密封性外，胎圈與輪輞之間的配合也是影響輪胎氣密性的重要因素，d和C取值既應(yīng)該滿足輪胎與輪輞的配合，又要考慮輪胎的裝卸問題。如果輪輞與胎圈裝配的過盈量過大，不僅裝卸輪胎困難，對(duì)輪胎安全性能也會(huì)產(chǎn)生不良影響；如果過盈量過小，則輪輞與輪胎不能緊密結(jié)合。為避免出現(xiàn)以上問題，參考以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，d取511 mm。

對(duì)于有內(nèi)胎輪胎，C一般采用比輪輞寬度大12.7～25.4 mm（0.5～1英寸）設(shè)計(jì)。綜合考慮，C采取比輪輞寬度大24 mm設(shè)計(jì)，取240 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，是胎體最薄、變形最大的部位，在輪胎使用過程中該部位在斷面方向的彎曲變形及彎曲應(yīng)力較大，H1/H2取值對(duì)輪胎壽命和使用性能有很大的影響[3-5]。H1/H2取值偏小，會(huì)造成下胎側(cè)與胎圈部位的應(yīng)變?cè)龃螅瑪嗝鎯?nèi)剪切應(yīng)力增大，即胎圈部位應(yīng)力集中[4]，導(dǎo)致胎圈斷裂或脫層；H1/H2取值偏大，會(huì)造成胎肩及下胎側(cè)部位應(yīng)變?cè)龃螅瑪嗝鎯?nèi)骨架材料層間剪切應(yīng)力增大，即胎肩部位應(yīng)力集中，導(dǎo)致肩空或肩裂等早期損壞。根據(jù)該產(chǎn)品特殊的花紋形式和加深花紋溝設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.926。

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

工業(yè)車輛輪胎負(fù)荷大、充氣壓力高，胎冠接地變形后壓力分布的均勻性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)輪胎的耐磨性能、使用壽命以及車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性具有重要影響[5]。在對(duì)影響胎冠壓力分布的主要因素——帶束層材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)輪胎行駛速度和生熱低（采用低生熱膠料配方）的特點(diǎn)，胎面花紋主溝采用縱向花紋，超深的花紋溝設(shè)計(jì)增大了胎冠厚度和剛性，以保證胎冠接地后的壓力分布及輪胎性能[6-7]。胎肩使用開放式花紋設(shè)計(jì)，提供良好的散熱性能。根據(jù)目標(biāo)市場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況，該產(chǎn)品花紋深度為35 mm，花紋飽和度為76.15%，花紋周節(jié)數(shù)為48。

胎面花紋展開示意見圖2，胎面花紋立體效果見圖3。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 胎面花紋立體效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

為滿足35 mm深花紋溝的需求，胎面采用雙胎面復(fù)合設(shè)計(jì)，即胎面一采用單膠種擠出，以保證胎面硬度和耐磨性能，胎面二采用大基部膠擠出，低生熱膠料保證肩部的耐久性能。為增加雙胎面復(fù)合的粘合性能，胎面一和胎面二復(fù)合件的底部加貼緩沖膠片。

3.2 帶束層

帶束層作為子午線輪胎的主要受力部件，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響輪胎的使用性能，它需承受輪胎內(nèi)壓負(fù)荷的60%～75%，還起到防止異物刺穿胎體并緩和路面沖擊力的作用。本產(chǎn)品采用4層帶束層＋2層錦綸冠帶層的結(jié)構(gòu)，經(jīng)研究設(shè)計(jì)，3＋9＋15×0.22＋0.15鋼絲簾線應(yīng)用于1#，2#和3#帶束層，5×0.30HI鋼絲簾線應(yīng)用于4#帶束層，錦綸冠帶層使用1400dtex/2V2錦綸66簾線，除1#帶束層角度設(shè)計(jì)為55°以外，其他帶束層角度均設(shè)計(jì)為20°。帶束層安全倍數(shù)為6.56，達(dá)到客戶的使用要求。

3.3 胎體

在輪胎行駛過程中，胎體不僅需要承擔(dān)內(nèi)壓負(fù)荷，還承受輪胎負(fù)載所帶來的法向及橫向作用力。針對(duì)客戶提供的實(shí)際路況及車況，得出輪胎負(fù)荷、剛性及屈撓等性能的設(shè)計(jì)需求，將3＋9＋15×0.225HT高強(qiáng)度鋼絲簾線應(yīng)用于胎體，胎體安全倍數(shù)為9.3，可以達(dá)到客戶使用要求。

3.4 胎圈

鋼絲圈在胎圈部件中主要起到支撐作用，并提供一定的剛性。鋼絲圈使用直徑為1.55 mm的高碳鋼絲，截面呈正六角形，排列方式為8-9-10-11-12-11-10-9-8，共88根鋼絲，胎圈安全倍數(shù)為8.392，達(dá)到客戶的使用要求。

3.5 成型

成型機(jī)機(jī)頭直徑為493.5 mm，平面寬為758 mm，成型采用側(cè)包冠工藝。為保證輪胎質(zhì)量的穩(wěn)定性，各部件接頭要求按一定角度均勻分布，膠部件接頭要求刷汽油打毛后壓實(shí)，胎體簾布用電動(dòng)拉鏈?zhǔn)浇宇^機(jī)對(duì)接。

3.6 硫化

采用液氮熱板式硫化機(jī)硫化，采用RB12003硫化膠囊。硫化條件為：蒸汽溫度 （207±3） ℃，模套溫度 （160±2） ℃，熱板溫度 （152±2）℃，蒸汽壓力 （1.8±0.1） MPa，高壓氮?dú)鈮毫Γ?.6±0.15） MPa，總硫化時(shí)間 84.2 min，胎坯硫化完成后，成品輪胎外觀良好。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照客戶要求進(jìn)行測(cè)定，安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的輪胎在1 000 kPa的充氣壓力下，充氣外直徑為1 134 mm，充氣斷面寬為318 mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

強(qiáng)度性能采用客戶提供標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)充氣壓力為1 000 kPa，試驗(yàn)壓頭直徑為38 mm。檢測(cè)結(jié)果表明，第5點(diǎn)破壞能為7 304.5 J，為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值（3 061.1 J）的239.41%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 耐久性能

輪胎的耐久性能主要通過在規(guī)定的負(fù)荷和一定速度下的運(yùn)行距離來評(píng)價(jià)。耐久性能采用客戶要求的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)充氣壓力為1 000 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷為7 100 kg，行駛速度為20 km·h-1，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為47 h，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎未發(fā)生損壞，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

高負(fù)荷工業(yè)車輛專用12.00R20全鋼載重子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能和耐久性能達(dá)到設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其成功開發(fā)補(bǔ)充了公司的產(chǎn)品組合。該產(chǎn)品初步投入市場(chǎng)，達(dá)到了客戶的預(yù)期要求，為公司帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。