錦綸胎圈包布增強結構13R22.5全鋼載重子午線輪胎的設計

韓 菁，李曉林，于國鴻

[1.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300；2.浦林成山（青島）工業研究設計有限公司，山東 青島 266000]

隨著國內超限超載治理力度加大，工程載重車輛的載質量整體減小，因各區域供需關系、地形地勢等差異，現階段各區域工程車輛的車型、載質量及使用輪胎規格都有所不同。工程車輛載重輪胎向無內胎方向轉變，標載車輛用輪胎向12R22.5規格轉化；重載車輛用輪胎向13R22.5規格轉化。工程車輛載重輪胎市場13R22.5規格正逐步普及，東北地區重載市場90%以上的工程車輛將原配輪胎由12.00R20規格更換為13R22.5規格。

重載市場輪胎主要病象為肩空和胎圈脫空，我公司輪胎產品耐磨性能優異，但承載能力不足，因此加強胎圈部位設計、提升輪胎整體承載能力迫在眉睫。為了搶占重載輪胎市場，提高產品的市場占有率，我公司開發了采用雙層錦綸包布增強胎圈設計的全鋼載重子午線輪胎，現將產品的設計情況介紹如下。

1 技術要求

按照GB 9744—2015《載重汽車輪胎》及

GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》，制定輪胎技術參數如下：標準輪輞9.75，充氣外直徑（D′） 1 124（1 107～1 140）mm，充氣斷面寬（B′） 320（307～332） mm，標準充氣壓力 900 kPa，標準負荷 4 000 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎以鋼絲簾線為骨架材料，輪胎充氣后外直徑膨脹很小[1-2]，根據我公司相似規格輪胎外直徑和斷面寬膨脹率，本設計D取1 132 mm，B取314 mm，計算外直徑膨脹率（D′/D）為1.001 9，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.023 6。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

耐磨性能是輪胎的重要性能指標之一，實際使用中輪胎會出現胎肩畸磨、偏磨等病象，為了減少這類病象的發生，減小輪胎胎肩部位的應力集中，b的設計需要考慮多方面因素，以達到輪胎各項性能最佳，b應與胎圈著合寬度（C）接近，本次設計b取242 mm。

h取值應該考慮寬斷面輪胎的變形，在輪胎充氣狀態下，胎冠中部常有起鼓現象，而實際行駛中輪胎接地又會出現胎冠中部內鼓現象，胎冠中部變形大易出現冠空現象，合理的h值可以抵消一部分胎冠變形，本次設計h取6.2 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和C

相比有內胎輪胎，無內胎輪胎的胎圈氣密性要求更高，除膠料配方調整外，輪胎的氣密性主要靠胎圈與輪輞的過盈配合來實現，因此，d取值非常關鍵。結合我公司同尺寸輪胎胎圈的設計經驗，本次設計d取571 mm，標準輪輞寬度為247.65 mm，C取值采用比輪輞寬度增大12.7 mm（0.5英寸）設計，取值為260.4 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位置是輪胎法向變形最大處，對全鋼子午線輪胎整體性能影響很大，H1/H2取值一般為1.0～1.2。H1/H2取值偏大，斷面水平軸位置偏上，采用三維力學分析，胎肩部位的受力增大，從而影響胎肩部位性能；H1/H2取值偏小，斷面水平軸位置偏下，同樣分析，胎圈部位的受力會增大，從而造成胎圈部位應力集中，易出現胎圈脫空、裂口等問題，本次設計規格為標準斷面產品，為使輪胎變形最大處在胎側最薄位置，本次設計H1/H2取1.000，輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 仿真分析

采用不同設計參數D、B、胎冠弧半徑（Rn）、h以及H1/H2進行輪胎接地印痕、接地壓力、胎肩耐久性能和胎圈耐久性能仿真分析[3]，各方案參數如表1所示。

表1 各方案輪胎參數設計

2.5.1 輪胎接地印痕

不同方案輪胎接地印痕仿真結果見圖2。

由圖2分析可以得出，方案3輪胎接地印痕的矩形率最大，胎冠表面整體受力較均勻。

圖2 不同方案輪胎接地印痕仿真結果

2.5.2 輪胎胎肩耐久性能

不同方案輪胎胎肩耐久性能仿真結果見圖3。以胎肩層間剪應變LE13來表征胎肩耐久性能，其值越小，耐久性能越好。方案1—8輪胎胎肩層間剪應變仿真幅值分別為0.043，0.041，0.039，0.045，0.042，0.054，0.046和0.044，可見方案3輪胎的胎肩層間剪應變幅值最小，即其2#帶束層端點受力最小，最不易損壞，性能較好。

圖3 不同方案輪胎胎肩耐久性能仿真結果

以胎圈應變能密度來表征胎圈耐久性能，其值越小，胎圈耐久性能越好。各方案輪胎胎圈耐久性能仿真結果見表2。由表2可見，從胎圈部位反包端點和加強層端點應變能密度來看，方案3輪胎綜合受力均勻性最佳，應力集中點應力最小，胎圈耐久性能最優。

表2 不同方案輪胎胎圈應變能密度仿真結果mJ·mm-3

綜合考慮輪胎力學有限元模擬結果及實際需求，確定方案3為最佳設計方案。

2.6 胎面花紋

13R22.5輪胎用于工程自卸車，路況大部分為鋪裝路，部分為不良路面，因此胎面采用橫溝為主的塊狀花紋，采用等節距設計，花紋深度為19 mm，花紋飽和度為67%，花紋周節數為50。花紋設計對輪胎的耐磨性能有著至關重要的影響，本次設計的T206＋花紋，通過對花紋細節的特殊處理加之超寬的行駛面，為輪胎提供了優良的耐磨性能和驅動性能。胎面花紋展開見圖4。

圖4 胎面花紋展開示意

3 施工設計

3.1 胎面

胎面采用三復合結構，包括冠部膠、基部膠和過渡層膠，冠部膠采用耐磨、抗切割及抗刺扎性能優異的膠料，基部膠采用低生熱膠料，過渡層膠采用粘合性能優良的膠料，從而賦予輪胎長里程、突出的抗刺扎、抗爆性能。胎面總寬度為293 mm，胎肩厚度為26 mm，中部厚度為24 mm，胎面半成品冠部寬度與成品行駛面寬度的比值為0.89，肩部厚度為胎冠中部厚度的1.09倍。

3.2 胎體

胎體主要為輪胎提供支撐，胎體安全倍數決定了輪胎的安全性能，13R22.5輪胎主要應用于重載市場，對其負荷能力有更高的要求。綜上考慮，胎體采用3＋9＋15×0.225HT鋼絲簾線，采用雙面覆膠S型四輥壓延機（意大利魯道夫公司產品）進行壓延，壓延簾布厚度為（2.9±0.1） mm，胎體安全倍數為15.10，保證了胎體強度。

3.3 帶束層

帶束層又稱支撐層、硬緩沖層或穩定層，是沿胎面中心線圓周方向箍緊胎體的材料層，除了起到箍緊胎體的作用外，還起到緩和沖擊的作用[4-6]。對于子午線輪胎，帶束層還是主要受力部件，其剛性對輪胎的使用性能有很大影響。輪胎的剛性大，可以防止胎體簾線在胎面冠部伸張，從而滿足均勻磨耗、行駛平穩的性能要求。因此帶束層應采用高強力、高模量和小角度排列的簾線作為增強材料，同時覆以高定伸應力、高硬度膠料。本設計帶束層采用3層帶束層加0°冠帶層結構，1#和2#帶束層為工作層，采用3＋9＋15×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，簾線角度分別為24°和15°；3#帶束層是保護層，采用高抗沖擊型5×0.35HI鋼絲簾線，簾線角度為15°；0°帶束層采用3×7×0.20HE鋼絲簾線，帶束層的安全倍數為12.25，滿足使用需求。

3.4 胎圈

3.4.1 錦綸胎圈包布

采用錦綸胎圈包布增強設計，以保護胎體和加強層外端點，增強胎圈部位強度，提升輪胎安全性能和使用性能，錦綸胎圈包布設計如圖5所示。

圖5 錦綸胎圈包布設計

3.4.2 鋼絲圈

為提高胎圈的安全性能，減少鋼絲圈接頭對輪胎均勻性的影響，鋼絲圈采用排壓法、六工位鋼絲纏繞生產線單根纏繞法生產，采用Φ1.65 mm電鍍低錫青銅回火胎圈鋼絲按8-9-10-11-12-11-10-9方式排列，共80根，鋼絲圈直徑為575.5 mm。三角膠采用自動熱貼，保證胎圈底部與輪輞接觸良好。按骨架材料安全倍數方式計算，鋼絲圈的安全倍數大于13.15，大幅度超出設計要求。

3.5 成型

在三鼓成型機上采用一次法膠囊成型，機頭直徑為460 mm，機頭寬度為850 mm。

3.6 硫化

采用1 651 mm（65英寸）液壓式硫化機膠囊硫化，采用充氮硫化的“保壓變溫”工藝，硫化工藝條件如下：飽和蒸汽壓力 （1.8±0.1） MPa，氮氣內壓 ≥2.7 MPa，上熱板溫度 （1 471±2） ℃，下熱板溫度 （151±2） ℃，模套溫度 （145±2） ℃，總硫化時間 56 min。

4 成品輪胎性能

4.1 外緣尺寸

在標準充氣壓力下，安裝在標準輪輞上的成品輪胎D′和B′分別為1 131和322 mm，滿足標準要求。

4.2 強度

按照GB/T 4501—2016及企業標準進行輪胎強度性能測試，試驗充氣壓力為900 kPa，壓頭直徑為38 mm。成品輪胎強度性能測試破壞能為4 782.8 J，為國家標準值的200.8%，符合設計要求。

4.3 耐久性能

輪胎耐久性能按照GB/T 4501—2008及企業標準進行測試，結果見表3。

表3 成品輪胎室內耐久性測試結果

由表3可見，成品輪胎耐久性試驗累計行駛時間為85.23 h，試驗結束時輪胎狀況為胎冠快速失壓，成品輪胎耐久性能良好，滿足國家標準（≥47 h）要求。

5 結語

設計的13R22.5工程機械專用全鋼載重子午線輪胎外觀花紋美觀，輪胎各項性能優良，滿足國家標準和歐盟標準的要求，達到了預期效果。目前該輪胎已在國內批量使用，成為我公司國內重載市場的有力競品，為公司創造了較好的經濟效益和社會效益。