12.00R20載重輪胎用圓形鋼絲圈的研究

張正偉，張紹鵬，劉曉芳，李洪汛，李 明，魏 勝，劉鳳珠

（1.山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400；2.招遠市89000民生服務中心，山東 招遠 265400）

我國輪胎工業發展迅猛，當前子午線輪胎已成為載重輪胎的主流品種，輪胎的早期三化（子午化、扁平化、無內胎化）已升級到以綠色生產為標志的新三化（安全化、節能化、智能化），輪胎越來越明顯地趨于安全、環保、舒適的方向發展[1-3]。

在國際市場中，各國為了規避進口輪胎沖擊本地市場，紛紛設置了輪胎貿易壁壘和技術壁壘。在此形勢下，安全性能和節能性能優良的高附加值輪胎日益受到重視。

目前胎圈鋼絲從較細規格、單一品種向粗規格、多品種發展，冷拉胎圈鋼絲逐步被淘汰，回火胎圈鋼絲逐步推廣，普通強度回火胎圈鋼絲逐漸被高強度甚至超高強度回火胎圈鋼絲替代，這對鋼絲的粘合力和覆膠量等性能指標提出了更高的要求[4-17]。圓形鋼絲圈是一種先進結構的鋼絲圈產品，國際輪胎巨頭廣泛將其用于輪胎制造中。為進一步提高輪胎用鋼絲圈的技術水平和產品附加值，我公司對12.00R20載重輪胎用圓形鋼絲圈進行研究。

1 圓形鋼絲圈與六角形鋼絲圈的結構對比

傳統的矩形鋼絲圈和六角形鋼絲圈是使用鋼絲圈纏繞設備將鋼絲覆膠后通過排纏或單根纏繞制成的，六角形鋼絲圈的斷面結構如圖1所示。

圓形鋼絲圈（見圖2）是一種螺旋復合鋼絲圈，采用纜型結構，中心為一根鋼絲芯線，外層由鋼絲螺旋形纏繞組成，鋼絲圈的斷面呈圓形，內徑為530 mm，外層鋼絲可以有1層，也可以有多層，各層鋼絲螺旋纏繞可以同向，也可以反向。用于不同規格輪胎的圓形鋼絲圈強度及纏繞方式可根據市場輪胎需求確定。

2 圓形鋼絲圈與六角形鋼絲圈的有限元分析

采用Abaqus 軟件對六角形鋼絲圈（7-8-9-10-11-12-11-10-9-8-7）輪胎和圓形鋼絲圈[1×5.5＋（10＋17＋23）×2.2]輪胎進行有限元對比分析。

2.1 模型介紹

充氣輪胎（充氣壓力為60 kPa）模型的六角形鋼絲圈和圓形鋼絲圈的受力狀態分別見圖3和4。

由圖3和4可知，六角形鋼絲圈內側受力大于外側受力，鋼絲圈受力不均勻，導致部分鋼絲未完全發揮自身的能力，且易產生內端點切割胎體的風險，而圓形鋼絲圈整體受力更均勻。

輪胎整體模型龐大，接觸對復雜，導致受力分析的計算效率低，收斂性差，因此提取其局部模型，并對局部模型進行拉-壓-彎-扭受力對比分析。從完整的鋼絲圈模型上截取一段18 mm長的局部模型（相當于整個鋼絲圈模型的1%），該局部模型近似為直線形模型，如圖5所示。

2.2 周向應力分析

2.2.1 周向拉應力

六角形鋼絲圈和圓形鋼絲圈的周向拉應力分析結果見圖6。

由圖6可知，六角形鋼絲圈主要靠中心鋼絲承受拉應力，圓形鋼絲圈每根鋼絲均勻承受拉應力，六角形鋼絲圈的Mises拉應力大于圓形鋼絲圈。

2.2.2 周向壓應力

六角形鋼絲圈和圓形鋼絲圈的周向壓應力分析結果見圖7。

由圖7可知，六角形鋼絲圈主要靠中心鋼絲承受壓應力，圓形鋼絲圈每根鋼絲均勻承受壓應力，六角形鋼絲圈的Mises壓應力小于圓形鋼絲圈，圓形鋼絲圈不適合受壓，受壓易產生鋼絲散股問題。

2.3 彎曲應力分析

2.3.1 繞x軸彎曲3°

六角形鋼絲圈和圓形鋼絲圈繞x軸彎曲3°的應力分析結果見圖8。

由圖8可知，圓形鋼絲圈對稱承受彎曲應力，六角形鋼絲圈的繞x軸Mises彎曲應力大于圓形鋼絲圈。

2.3.2 繞y軸彎曲3°

六角形鋼絲圈和圓形鋼絲圈繞y軸彎曲3°的應力分析結果見圖9。

由圖9可知，圓形鋼絲圈對稱承受彎曲應力，六角形鋼絲圈的繞y軸Mises彎曲應力大于圓形鋼絲圈。

2.4 旋轉應力分析

2.4.1 順時針旋轉3°

六角形鋼絲圈和圓形鋼絲圈順時針旋轉3°的應力分析結果見圖10。

由圖10可知，順時針旋轉時圓形鋼絲圈的鋼絲有拉直的趨勢，六角形鋼絲圈的順時針旋轉Mises應力大于圓形鋼絲圈。

2.4.2 逆時針旋轉3°

六角形鋼絲圈和圓形鋼絲圈逆時針旋轉3°的應力分析結果如圖11所示。

由圖11可知，逆時針旋轉時圓形鋼絲圈的鋼絲有收緊的趨勢，六角形鋼絲圈的逆時針旋轉Mises應力大于圓形鋼絲圈。

3 圓形鋼絲圈在輪胎中的應用

輪胎制造過程中所用圓形鋼絲圈如圖12所示，圓形鋼絲圈的胎圈如圖13所示。

圓形鋼絲圈可直接用于輪胎成型，可提高輪胎的成型工藝性能和產品性能。以12.00R20載重輪胎為例，采用圓形鋼絲圈替代六角形鋼絲圈，胎圈部位的三角膠做相應改變，將原來的六角形結構改為圓形結構，并且將原來的錦綸包布纏繞改為包膠模式。

首先，在輪胎硫化過程中，由于傳統方式纏繞的六角形鋼絲圈鋼絲表面覆膠發生流動，使鋼絲圈無法完全保持原設計斷面形狀，針對于此，改用圓形鋼絲圈，其鋼絲與鋼絲之間沒有可流動的膠料，使其設計斷面形狀在輪胎硫化過程得以保持。

其次，輪胎使用過程中圓形鋼絲圈的受力均勻，六角形鋼絲圈的層與層之間受力不均勻，在交變負荷的作用下，易變形，應力可通過壓縮膠由外層傳遞至內層，鋼絲圈的層與層之間有壓力降，易造成鋼絲圈的多根鋼絲斷裂而致使胎圈破壞。同時，六角形鋼絲圈的應力分布不均勻，兩側應力大于中部，且內側比外側應力大，因此其易變形，對于高充氣壓力或者大變形的載重輪胎來說，特別是全鋼載重子午線輪胎，六角形鋼絲圈會造成胎體簾線損傷，受到損傷的胎體簾線強度急劇下降。圓形鋼絲圈的鋼絲之間沒有可擠壓變形的膠料，因此在胎圈受力時每根鋼絲同時進入受力狀態，使得鋼絲圈對輪輞的箍緊力相當穩定，可最大程度地減小胎圈部位的疲勞應力，保證胎圈與輪輞良好的密封性，使輪胎的使用壽命延長。

4 成品輪胎性能

對12.00R20載重輪胎進行耐久性能測試。結果表明，耐久性試驗中六角形鋼絲圈輪胎的累計行駛時間為50.33 h，圓形鋼絲圈輪胎的累計行駛時間為59.82 h（耐久性能更好），兩種鋼絲圈輪胎均滿足客戶需求，試驗數據理想，符合輪胎企業嚴苛的標準要求。

5 結語

載重子午線輪胎采用圓形鋼絲圈[1×5.5＋（10＋17＋23）×2.2]替代六角形鋼絲圈（7-8-9-10-11-12-11-10-9-8-7），其優異的結構使鋼絲和鋼絲圈的性能得到充分發揮，能以較小的橫截面積達到同等的承載能力；圓形鋼絲圈的質量比拉伸強度相似的六角形鋼絲圈減小16%，圓形鋼絲圈有助于減小輪胎質量、降低滾動阻力，有利于節能降耗；圓形鋼絲圈解決了汽車行駛過程中輪胎鋼絲圈鋼絲受力不均勻及鋼絲圈對輪輞箍緊力不穩定的問題，提高了輪胎鋼絲圈部位的耐疲勞性能。