295/60R22.5 HF81低扁平比全鋼載重子午線輪胎的設計

牛 飛，邱新新，胡 源，馬鵬之，晉 琦，高 明

（1.華勤橡膠工業集團，山東 濟寧 272100；2.山東華勤橡膠科技有限公司，山東 濟寧 272100；3.濟寧齊魯檢測技術有限公司，山東 濟寧 272000；4.通力輪胎有限公司，山東 濟寧 272100）

隨著國家對道路交通安全關注度的提高、相關法規的發布實施以及經濟的快速發展，能有效增大裝貨體積的低平板半掛車被市場廣泛接受，其采用的低扁平比輪胎的市場份額不斷增大。我公司為完善產品系列，提升產品競爭力，以及進一步開拓國內市場，完成了295/60R22.5 HF81規格低扁平比全鋼載重子午線輪胎的開發，現將具體情況進行介紹[1-5]。

1 產品定位與技術要求

產品的目標銷售區域為國內替換輪胎市場，用于標載長途運輸用低平板半掛車的拖車輪位，依據GB/T 2977—2016，確定295/60R22.5 HF81輪胎的技術參數為：標準輪輞 9.00×22.5，充氣外直徑（D′） 921 mm，充氣斷面寬（B′） 286 mm，層級 18，標準充氣壓力 900 kPa，標準負荷 3 350（單胎）/3 075（雙胎） kg，速度級別 L。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

由于低扁平比全鋼載重子午線輪胎帶束層剛性比普通輪胎大，充氣前后輪胎外直徑變化較小，D′與D相比通常膨脹1～3 mm，本次D′取標準中值，設計D取919 mm。

考慮到低扁平比輪胎的接地印痕較普通輪胎更容易表現為反弧形，通過提高輪胎實際的扁平比可以避免出現這種接地印痕，因此B′取下限，本設計B取290 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是胎面冠部輪廓設計的主要參數，對決定輪胎磨耗均勻程度的接地印痕形狀有著重要的影響，本設計產品優先考慮耐磨性能，接地印痕形狀的設計目標為矩形。一般斷面越低的輪胎系列，b和h越大。考慮到同時減小h和胎面肩部厚度可以得到矩形的接地印痕，從而提高輪胎的耐磨性能，降低胎肩部位溫度，并降低肩空發生比例，本設計b取245 mm，h取7.5 mm，胎肩部位與冠中厚度比取1.09。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

胎圈與輪輞一般采用過盈設計。若d值偏小，會導致裝胎困難，容易損傷胎圈；若d值太大，鋼絲圈無法起到箍緊固定的作用，輪胎與輪輞不能緊密結合，容易產生相對滑移，嚴重時會導致輪胎脫圈，造成嚴重的安全事故[6]。結合以往設計經驗，本次設計d取570.5 mm。

為保證無內胎輪胎充氣的便利性，C采取比輪輞寬半寸設計，取241 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，對輪胎肩部性能和承載能力有著重要影響。考慮到該產品主要用于標載運輸車輛，優先考慮肩部性能，采用非平衡輪廓理論進行水平軸計算，H1/H2取1.05。

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

該規格輪胎主要面對國內市場，用于拖車輪位，行駛路況以高速公路居多，故采用4條縱向曲折溝花紋；采用變節距設計，以減小噪聲，設計花紋深度為14.5 mm，周節數為73，花紋飽和度為79.2%，胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

3 施工設計

3.1 胎面

胎面采用胎面膠、基部膠和過渡層膠復合設計。胎面膠采用高耐磨配方，保證輪胎的耐磨性能；考慮到降低胎肩生熱可以有效降低輪胎肩空發生比例，因此基部膠采用低生熱配方，以降低胎肩部位溫度，提升胎肩部位性能；過渡層膠采用粘合性能優異的配方，避免出現貓眼氣泡等工藝問題。胎面結構如圖3所示。

圖3 胎面結構示意

3.2 帶束層和胎體

帶束層承擔子午線輪胎由充氣產生的60%～75%的應力，并且帶束層的剛性影響接地印痕的長度，進而影響輪胎的耐磨性能。而低扁平比輪胎充氣后，帶束層簾線的張力較普通輪胎大。通過綜合評估胎冠的拉伸剛度、彎曲剛度和剪切剛度并結合公司現有工藝條件，本設計輪胎胎體采用4層帶束層結構，其中1#帶束層為緩沖層，采用0.37＋6×0.32ST鋼絲簾線，簾線密度為40根·dm-1，裁斷角度為52°；2#和3#帶束層為工作層，采用4＋6×0.32ST鋼絲簾線，簾線密度為48根·dm-1，裁斷角度均為20°；4#帶束層為保護層，采用5×0.35HI高伸長鋼絲簾線，裁斷角度為20°，簾線密度為40根·dm-1，起緩沖、過渡和保護的 作用。

本設計輪胎胎體采用具有較高強度、良好柔軟性和耐屈撓性能的3×0.24＋9×0.225ST超高強度鋼絲簾線。

為保證輪胎的使用安全，骨架材料的強度必須滿足一定要求，基于非平衡輪廓中的壓力分擔率理論進行安全倍數計算。通過計算，胎體的安全倍數為11.1，帶束層的安全倍數為7.71，符合設計要求。

3.3 鋼絲圈

鋼絲圈采用Ф1.55 mm高強度胎圈鋼絲，呈15°斜六角形排列，排列方式為9-10-11-11-10-9，共60根，通過計算，鋼絲圈的安全倍數達到8.41，符合設計要求。

3.4 有限元優化

根據以上基本設計，完成材料分布圖，利用有限元仿真分析對施工設計方案進行優化[7-10]，結果如圖4所示。

圖4 不同施工設計方案輪胎接地印痕仿真結果

以胎肩部位接地長度與胎冠中部接地長度的比值作為評價指標，同時考慮到該產品用于拖車輪位，輪胎實際負荷較低，經綜合評估，選擇方案3進行產品開發。

3.5 成型及硫化

采用VMI四鼓一次法成型機成型，成型工藝質量穩定；采用熱板式硫化機硫化，硫化條件為：外部蒸汽壓力 （0.26±0.03） MPa，外部溫度 （145±2） ℃，過熱水壓力 （2.6±0.1） MPa，內部壓力 （0.8±0.05） MPa，總硫化時間 55 min。

4 成品輪胎性能

4.1 靜態性能

將外檢合格的成品輪胎安裝在測量輪輞上，在標準充氣壓力下，分別按照GB/T 521—2003和GB/T 4051—2016進行外緣尺寸和強度性能測試，輪胎的D′和B′分別為921和286 mm，輪胎最小破壞能為7 745 J，滿足法規要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 4501—2016進行耐久性能測試，行駛47 h后，每10 h負荷增大10%直至輪胎損壞，本設計成品輪胎及B品牌和C品牌競品輪胎的耐久性能累計行駛時間分別為82，59和78 h。結果表明，本設計成品輪胎室內耐久性能優于競品輪胎，從而驗證了產品設計思路正確，即降低胎肩部位厚度與冠中厚度的比值可以提高胎肩的耐久 性能。

4.3 胎圈耐久性能

按照企業標準，將輪胎打磨除去花紋，進行胎圈耐久性能試驗，試驗條件為：充氣壓力 1 100 kPa，負荷 6 750 kg，速度 50 km·h-1，本設計成品輪胎及B品牌和C品牌競品輪胎的累計行駛時間分別為118，42和60 h。結果表明，本設計成品輪胎的胎圈耐久性能滿足60 h的企業標準要求，且優于競品輪胎。

4.4 接地印痕

按照企業標準進行接地印痕測試，試驗條件為：充氣壓力 900 kPa，試驗負荷 3 350 kg。輪胎接地印痕測試結果如圖5所示。

圖5 輪胎接地印痕測試結果

從圖5可以看出，本設計成品輪胎的接地印痕呈矩形，與仿真接地印痕一致，壓力分布較均勻，印證了減小胎肩部位厚度和弧度高可以得到矩形的接地印痕的設計思路。

5 結論

295/60R22.5 HF81低扁平比全鋼載重子午線輪胎的成功開發，證明采用較小的行駛面弧度高和減小胎肩部位厚度的設計思路是正確的，在提高胎肩耐久性能的同時獲得了矩形接地印痕。本設計成品輪胎各項性能均滿足設計要求，各花紋塊磨耗均勻。產品投入市場兩年來性能優異，理賠率低，深受用戶歡迎，為公司帶來了可觀的經濟效益和社會效益。