275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計

李明珊，張 超，楊 朔，王 浩

（八億橡膠有限責任公司，山東 棗莊 277800）

隨著城市建設(shè)和公共交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，智能公交專用輪胎的需求量劇增，根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果，目前我國公交公司采用的公交專用輪胎多為國際知名品牌，如普利司通、米其林、倍耐力和固特異等，基本無國產(chǎn)品牌輪胎。為占領(lǐng)國內(nèi)公交專用輪胎市場，同時提高公交專用輪胎的安全性，我公司決定開發(fā)275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎。智能公交專用輪胎主要是在輪胎中加入射頻識別（RFID）芯片，建立一個輪胎全周期追溯平臺。該款輪胎主要適用于新能源公交和城市快速公交汽車。

1 技術(shù)要求

依 據(jù)GB/T 2977—2016 和《歐 洲 輪 胎 輪輞技術(shù)組織標準手冊（ETRTO）2016》確定275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標準輪輞 8.25×22.5，充氣外直徑（D′） 972（952～976） mm，充氣斷面寬（B′） 280（265～287） mm，標準充氣壓力900 kPa，單胎負荷 3 550 kg，速度級別 F。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎的帶束層采用加強型鋼絲簾線，冠部剛性強、變形小，輪胎充氣后受帶束層的箍緊作用，D變化很小，本設(shè)計D取971 mm，D′/D取1.001 0。輪胎B因斷面輪廓、施工設(shè)計和胎體簾線選擇而變化。公交專用輪胎的胎體采用高強度鋼絲簾線，側(cè)部雖然很柔軟，但膨脹率小，輪胎充氣后受高強度低伸長鋼絲簾線的約束，B變化很小。本設(shè)計B取279 mm，B′/B取1.003 6。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h作為決定胎冠形狀的主要參數(shù)，其值的選取直接影響輪胎的耐磨性能、附著性能、牽引性能和滾動阻力等。為了提高公交專用輪胎的操控性能和行駛穩(wěn)定性，在設(shè)計b時，要比普通輪胎取值略大，本設(shè)計b取242 mm，比常規(guī)輪胎的b（225 mm）加寬17 mm。為了增大公交專用輪胎的接地面積，提高輪胎耐磨性能，本設(shè)計h取8.3 mm，胎冠弧線采用一段弧加切線設(shè)計，胎面曲線平滑過渡，接地壓力分布更加均勻。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d的取值應滿足輪胎裝卸方便和著合緊密的要求。胎圈與輪輞裝配過盈量過大時，輪胎裝卸困難，且影響胎圈安全性；過盈量過小時，輪胎不能與輪輞緊密配合，無內(nèi)胎輪胎會漏氣。裝于深槽輪輞的無內(nèi)胎載重子午線輪胎，d一般要小于輪輞的標定直徑，以滿足過盈配合的要求，使輪胎緊箍于輪輞上，提高牽引性能，避免磨胎圈現(xiàn)象。本設(shè)計d取569.2 mm，較輪輞相應部位直徑小2.3 mm。輪胎兩胎踵間的距離為C，其值根據(jù)設(shè)計輪輞寬度而定，一般無內(nèi)胎載重子午線輪胎C大于輪輞寬度12.7 mm左右，差值不大于25.4 mm。8.25×22.5標準輪輞寬度為209.55 mm，本設(shè)計C取222 mm。

2.4 斷面高（H）與斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于斷面最寬點，是輪胎充氣后法向應變最大的位置，也是子午線輪胎胎體最薄，變形最大的部位[1]。H1/H2取值過小，即斷面水平線位置偏低，接近下胎側(cè)，輪胎使用過程中，下胎側(cè)和胎圈部位應力和應變較集中，易造成胎圈斷裂或脫層；H1/H2取值過大，則斷面水平軸位置較高，應力和應變集中于胎肩部位，容易造成肩空或肩裂。本設(shè)計H＝（D-d）/2=（971-569.2）/2＝200.9 mm，H1＋H2＝H，本設(shè)計H1取101 mm，H2取99.9 mm，H1/H2為1.011，在相近規(guī)格輪胎H1/H2取值范圍內(nèi)。

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

275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎需適用城市公交路況，公交專用輪胎不同于傳統(tǒng)載重輪胎，要求輪胎制動性能好、耐磨系數(shù)高、可翻新次數(shù)大、滾動阻力低和抗?jié)窕阅軆?yōu)異。

由于公交專用輪胎在城市道路上行駛，路況較好，輪胎胎面花紋采用3道縱向折線的主花紋溝設(shè)計，為了確保輪胎具有較小的磨耗體積，花紋深度設(shè)計相對較大，取21 mm。主花紋溝采用1.5 mm平臺設(shè)計，增加美觀度，主花紋溝角度采用左右各14°對稱設(shè)計，避免因花紋溝角度設(shè)計不合理，造成溝底裂，主花紋溝溝底倒角采用全圓弧設(shè)計，避免夾石子。

公交車在城市道路上行駛，相鄰兩個站點之間的距離一般在500～800 m，通過前期的市場調(diào)研，公交車設(shè)計最大車速為69 km·h-1，但在實際行駛過程中，尤其是上下班高峰期，車速較為緩慢，且啟動和停止頻繁，考慮到公交車安全系數(shù)和輪胎制動性能要求高，需要增加橫向花紋的數(shù)量，但同時為了提高輪胎耐磨性能，設(shè)計時需要減小橫向花紋溝的寬度和數(shù)量，減少單個花紋塊行駛過程中產(chǎn)生的蠕動，因為花紋塊蠕動時會產(chǎn)生滑動摩擦，滑動摩擦對輪胎的磨耗影響更大。為解決這個問題，設(shè)計時引入了3D鋼片設(shè)計的理念，即花紋溝不是垂直于行駛面，而是具有多個方向的立體溝槽，即在模具上采用3D立體鋼片設(shè)計。這種設(shè)計會使輪胎在行駛過程中花紋塊與花紋塊之間的支撐作用增大，尤其是車輛啟動、停止、加速、減速過程中，輪胎花紋與地面的摩擦力引起的單個花紋塊的蠕動減小，降低輪胎的滾動阻力以及公交車輛的能源消耗?；y塊溝槽設(shè)計除了可以提高輪胎的制動性能及抓著力外，還可以使輪胎在積水路段高速行駛時劃破水膜，從而使車輛在積水路段平穩(wěn)通過。

為了減小行駛過程中的噪聲，采用變節(jié)距花紋設(shè)計，花紋周節(jié)數(shù)為60，使用2種節(jié)距寬度（短節(jié)距寬度為46.951 mm，長節(jié)距寬度為55.000 mm），花紋飽和度為79.6%。

胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

為使輪胎使用時接地壓力分布均勻、噪聲低和行駛舒適性高，采用有限元分析對輪廓設(shè)計、花紋設(shè)計和花紋節(jié)距排列進行了優(yōu)化[2-3]，得到最優(yōu)節(jié)距排列為21222-21122-22122-21112-21211-21121-11211-12112-11211-11211-21122-22122（1為短節(jié)距，2為長節(jié)距）。

胎面花紋立體效果如圖3所示。

圖3 胎面花紋立體效果

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

為滿足公交專用輪胎車輛對輪胎性能的要求，除了在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，還需要對胎面配方進行重新優(yōu)化設(shè)計，以滿足公交車輛特殊的需求。為此，我公司設(shè)計了專用Q602胎面配方，新胎面配方在原有胎面配方基礎(chǔ)上增加了煙膠片和卡博特的超耐磨炭黑，使公交專用輪胎的制動性能、耐磨性能和抗?jié)窕阅艿玫饺嫣嵘?/p>

為了降低胎面行駛過程中的生熱，胎面采用分層設(shè)計，包括胎面膠和基部膠（見圖4），以提高輪胎高速行駛過程中的散熱性能。

早晨起床，兩口子誰也不理誰。老婆在燃氣爐上炒好了兩碟菜，熥好了饅頭，然后把饅頭和兩碟菜都端到飯桌上，坐下便吃。楊力生賭著氣連看也不看她一眼，自己到碗柜里取出兩根香腸，一瓶啤酒，坐在寫字臺邊，用酒起子把瓶蓋一啟，一邊喝啤酒一邊吃香腸。待楊力生把一瓶啤酒喝完，香腸吃完，老婆也早已吃罷了飯。二人不聲不響地坐在那里。一會兒，楊力生罵道：

圖4 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 胎體

為保證輪胎的耐疲勞性能和高速性能，胎體骨架材料選擇3×0.24＋9×0.225CCHT鋼絲簾線。該簾線具有無外纏絲、同捻向、直徑小、強度高和耐疲勞性能優(yōu)異等特點。根據(jù)公交專用輪胎的設(shè)計定位，胎體簾布壓延密度為50根·dm-1，壓延厚度為2.0 mm，胎體安全倍數(shù)為10.5。

3.3 帶束層

帶束層設(shè)計主要包括簾布層數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、排列角度、簾線密度、帶束層寬度和長度，以及所采用的簾線結(jié)構(gòu)與類型等[4-7]。一般全鋼載重子午線輪胎的帶束層由3—4層鋼絲簾布組成，常用的結(jié)構(gòu)形式為層疊式。1#帶束層靠近胎體為過渡層，2#和3#帶束層為工作層即主要受力層，4#帶束層為保護層。本設(shè)計采用4層帶束層結(jié)構(gòu)。1#帶束層采用4＋6×0.30HT鋼絲簾線，簾線密度為45根·dm-1，簾線角度為55°，2#和3#帶束層采用3＋8×0.33ST鋼絲簾線，簾線密度為45根·dm-1，簾線角度為20°，4#帶束層采用5×0.35HI鋼絲簾線，簾線密度為40根·dm-1，簾線角度為20°。帶束層安全倍數(shù)為8.9。

3.4 胎圈

鋼絲圈選用直徑為1.65 mm的鍍鋅銅回火高強度胎圈鋼絲，鋼絲排列方式為8-9-10-11-10-9-8，共7層，65根，鋼絲圈形狀為斜六角形（見圖5），鋼絲圈直徑為573.79 mm，覆膠后鋼絲直徑為1.80 mm。胎圈安全倍數(shù)為10.7。

圖5 鋼絲圈形狀示意

3.5 成型

采用一次法三鼓成型機成型，壓合方式采用4組后壓輥壓合，1#，2#和4#輥滾壓胎面，3#輥滾壓胎側(cè)，滾壓過程中，根據(jù)胎面、胎側(cè)不同的位置進行高低壓切換。

3.6 硫化

輪胎硫化采用雙模硫化機、氮氣硫化工藝。該硫化過程中沒有氧氣，膠囊不容易氧化，可以延長膠囊的使用壽命，硫化效率高、可靠性好、成本低、無污染。經(jīng)過對發(fā)泡試驗數(shù)據(jù)的對比分析，確定最佳硫化溫度、時間和壓力等參數(shù)為：一次定型氮氣壓力 （0.005～0.006） MPa，二次定型壓力 （0.007～0.008） MPa，高壓蒸汽壓力（1.6±0.1） MPa，高壓氮氣壓力 （2.5±0.1）MPa，總硫化時間 48 min。

3.7 RFID智能芯片

在輪胎中植入RFID智能芯片（見圖6），給輪胎賦予一個全生命周期追溯平臺。該平臺具有雙通道信息載體功能，可實現(xiàn)輪胎的全生命周期追溯（使企業(yè)及消費者可追溯輪胎生產(chǎn)廠家、輪胎規(guī)格、輪胎類別、硫化機臺、成型機臺和技術(shù)方案等相關(guān)信息），同時實現(xiàn)使用車輛信息及過程更換調(diào)整信息的后寫入功能。后續(xù)配以輪胎管控功能軟件，可輕易實現(xiàn)公交公司對于輪胎使用的全流程管控，對輪胎使用成本的控制起到信息跟蹤的作用。

圖6 RFID智能芯片

RFID智能芯片在成型貼合時植入非常方便，只需將芯片貼合在胎側(cè)膠上，再用膠片壓合即可（見圖7），智能芯片不會影響輪胎的性能，智能芯片的使用溫度為（-40～85） ℃，即使在非?？量痰臈l件下也可以使用。

圖7 RFID智能芯片成型貼合

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

安裝在標準輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力下的外緣尺寸按照GB/T 521—2012進行測量，輪胎的D′和B′分別為976和280 mm，磨耗標志高度為2.6 mm，符合設(shè)計要求。

4.2 接地壓力分布

成品輪胎接地壓力分布按照GB/T 22038—2018進行測試，輪胎硫化后停放24 h后測試，結(jié)果如圖8所示。輪胎試驗充氣壓力為900 kPa，下沉量為34.8 mm。

圖8 成品輪胎接地壓力分布

4.3 強度性能

成品輪胎強度性能試驗按照GB/T 4501—2016進行，輪胎充氣壓力為900 kPa。結(jié)果表明，試驗結(jié)束時輪胎破壞能為6 007 J，為國家標準指標（≥2 203 J）的273%。成品輪胎強度性能達到國家標準要求。

4.4 耐久性能

成品輪胎耐久性試驗按照GB/T 4501—2016進行，輪胎充氣壓力為900 kPa，試驗負荷為2 178 kg，負荷率為65%，試驗速度為65 km·h-1，當輪胎行駛47 h后，每10 h試驗速度增大5 km·h-1、負荷增大10%繼續(xù)試驗，直至輪胎損壞。

結(jié)果表明，輪胎累計行駛時間為70.2 h，成品輪胎耐久性能到達國家標準要求。

4.5 充氣后應力分析

成品輪胎充氣后應力分布如圖9所示。

圖9 成品輪胎充氣后應力分布

4.6 路試

成品輪胎在山東棗莊公交有限公司進行路試，輪胎平均磨耗里程為21 542 km·mm-1。根據(jù)花紋深度為21 mm，按照剩余3 mm時更換新胎計算，預計試驗輪胎可行駛里程為38萬km。

5 結(jié)語

在全面市場調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，275/70R22.5 BY568智能公交專用全鋼載重子午線輪胎對胎側(cè)部位的膠料進行加厚設(shè)計，采用全新的立體花紋鋼片設(shè)計以及優(yōu)化的胎面配方，提高了輪胎的耐磨、制動和抗?jié)窕阅?，延長了輪胎的使用壽命。該產(chǎn)品的成功開發(fā)對國內(nèi)公交專用輪胎市場起到一定的推動作用，同時也提升了公司品牌形象，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。