8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的設計

徐 劍，許美華

（山東領航輪胎研究院，山東 青島 264000）

雖然我國輪胎產(chǎn)業(yè)工業(yè)化起步相對較晚，但隨著經(jīng)濟飛躍式的發(fā)展，我國輪胎工業(yè)進入了發(fā)展的快車道，逐漸成為世界輪胎生產(chǎn)大國。我國輪胎的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售服務水平不斷提升，部分國產(chǎn)輪胎品質(zhì)已經(jīng)對齊國際一線品牌產(chǎn)品，深受國內(nèi)外客戶的青睞。

我公司在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、匹配產(chǎn)品使用場景、用途細分、提升產(chǎn)品競爭力和持續(xù)滿足客戶需求等方面不斷努力。為適應市場需求，結(jié)合我公司發(fā)展實際，采用有限元仿真分析技術(shù)，設計了8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎，現(xiàn)將其設計情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)GB/T 2977－2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負荷》和《美國輪胎輪輞協(xié)會標準年鑒（TRA）2018》，確定8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標準輪輞 6.5，充氣外直徑（D′） 847（833.14～860.86） mm，充氣斷面寬（B′） 236（226.56～245.44） mm，標準充氣壓力 825 kPa，最大負荷 1 850（單胎）/1 750（雙胎） kg，負荷指數(shù) 129（單胎）/127（雙胎），最大速度 110 km·h-1。

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的胎冠是由帶束層、胎體及冠部膠組成，其冠部剛性較大。結(jié)合我公司相近規(guī)格輪胎的D′，D及外直徑膨脹率（D′/D）數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（見表1）可得，輪胎的周向和徑向變形較小，充氣后D一般增大0～4 mm，即D′/D為1.000～1.003。本設計D為836 mm，D′取838 mm，D′/D為1.002 4。

表1 相近規(guī)格輪胎的D′/D統(tǒng)計表

B與輪胎的輪廓設計、花紋設計及施工設計有一定關聯(lián)。結(jié)合我公司相近規(guī)格輪胎的B′，B及B′/B數(shù)據(jù)統(tǒng)計表（見表2）可得，充氣后B變化一般在－5～5 mm，變化較小。本設計B取235 mm，B′取233 mm，B′/B為0.991 5。

表2 相近規(guī)格輪胎的B′/B統(tǒng)計表

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b的取值需綜合考慮胎面的耐磨性能、花紋的抓著性能及滾動阻力等多方面因素，既要保證輪胎在行駛過程中胎面接地受力均勻，又要通過增大冠部剛性從而減小輪胎冠部變形誘發(fā)的熱量積累。合理的b和弧度半徑設計可以有效地改善輪胎的接地印痕形狀和接地壓力分布，有效地避免肩磨、冠磨等畸形磨損病象的發(fā)生，從而改善輪胎的耐磨性能，延長輪胎的使用壽命。本次設計根據(jù)我公司現(xiàn)有較成熟產(chǎn)品的設計經(jīng)驗，最終確定b取168 mm，采用兩段相切弧設計，肩部采用漸開線圓角的方式處理。

h的取值影響著輪胎的接地印痕形狀和胎冠壓力分布偏度值[1-4]。8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎初始設計的h為7.5 mm，將h作為設計變量，通過有限元分析方法研究h對輪胎耐磨性能和抓著性能的影響。

通過Abaqus有限元分析軟件分析可得：當h分別取5.5，6.5和7.5 mm時，在額定充氣壓力下輪胎的D′和B′基本上沒有變化；在標準負荷下，輪胎的徑向剛度曲線隨著h的減小呈增大的趨勢；在額定充氣壓力、標準負荷下輪胎以60 km·h-1的速度進行穩(wěn)態(tài)滾動時，自由滾動半徑隨著h的增大呈減小的趨勢，而相應的自由滾動角速度呈增大的趨勢。

自由滾動工況下8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的接地印痕、接地面積和接地壓力偏度值及沿長軸方向接地壓力分布的仿真結(jié)果分別如圖1、表3和圖2所示。

從圖1可以看出，輪胎的接地印痕矩形率隨著h的減小而增大。

圖1 自由滾動工況下輪胎的接地印痕仿真結(jié)果

從表3可以看出，h為5.5 mm時，輪胎的接地面積和接地壓力偏度值都最大，因此適當減小h有利于提高輪胎的抓著性能，但是不利于輪胎的耐磨性能。

表3 自由滾動工況下輪胎的接地面積與接地壓力偏度值

從圖2可以看出，h增大1 mm對于沿長軸方向的接地壓力分布影響比較明顯，其中胎冠中心區(qū)域3條花紋的接地壓力隨著h的增大而增大，胎肩邊緣及胎肩到胎冠的過渡區(qū)域的接地壓力隨著h的增大而減小，因此適當減小h可以優(yōu)化胎肩到胎冠接地壓力的分布。綜上所述，本次設計h取6.5 mm。

圖2 輪胎沿長軸方向的接地壓力分布

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

8.25R15TR輪胎的標定輪輞直徑為385 mm（15.156英寸）或387 mm（15.250英寸），標定

輪輞直徑為385 mm時，查輪輞標準得知此輪輞為FB-Ⅱ型5°平底輪輞；標定輪輞直徑為387 mm時，查輪輞標準得知此輪輞為FB-Ⅰ型5°平底輪輞。本規(guī)格輪胎有內(nèi)胎，其充氣壓力由內(nèi)胎保證，同時考慮胎圈與輪輞著合的緊密性和人工裝卸方便，本次設計d取388 mm。

本規(guī)格輪胎標準輪輞為6.5，考慮到胎圈的受力以及輪胎與輪輞間的裝配情況，結(jié)合我公司以往的設計經(jīng)驗，C的取值在原來基礎上增大12.7 mm（0.5英寸），本次設計C取177.8 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

全鋼載重子午線輪胎斷面水平軸位置是輪胎最薄、變形最大的位置，也是影響輪胎受力性能的關鍵位置之一，由于受到施工設計的影響，實際斷面水平軸的位置可能會在一定范圍內(nèi)移動。當實際斷面水平軸的位置靠上時，容易引起肩部應變能增大，導致肩部出現(xiàn)早期失效；同理，當實際斷面水平軸的位置靠下時，容易造成胎圈出現(xiàn)早期的失效。綜合考慮本規(guī)格輪胎的承載和速度情況，結(jié)合我公司以往的成熟設計經(jīng)驗，本設計H1/H2取1.036。

2.5 胎面花紋

根據(jù)客戶需求、輪胎使用場景和競品分析比較，我公司設計開發(fā)了以4條縱向花紋溝配合橫向?qū)Р鄣腦RA08花紋，花紋深度為13 mm，花紋飽和度為76.83%。胎面花紋展開和三維效果分別如圖3和4所示。

圖3 胎面花紋展開示意

圖4 胎面花紋三維效果

XRA08花紋通過Abaqus分析了輪胎的接地印痕和壓力分布，優(yōu)化了花紋塊的受力分布，提高了輪胎的抓著性能和耐磨性能；采用封閉形式胎肩設計，在提高胎肩部位剛性和支撐性能的同時，有效提高了輪胎的耐偏磨和抗撕裂性能；縱向花紋溝溝底增設彈石塊裝置，有效降低了夾石頭的概率并保證輪胎的自潔性能；花紋總周節(jié)數(shù)為54，采用長、中、短3種節(jié)距組合的變節(jié)距設計，在保證輪胎具有良好的乘坐舒適性的同時，提高了產(chǎn)品的均勻性和動平衡水平。

3 施工設計

3.1 胎面

胎面膠由采用天然橡膠和超耐磨炭黑配方的胎冠膠、低生熱配方的全分層基部膠和粘合膠片3部分組成，該設計可以保證輪胎接地胎冠區(qū)域的耐磨、抗刺扎和抓著力滿足要求，同時可以有效地降低輪胎冠部因變形而導致的熱量積累，粘合膠片可以實現(xiàn)從胎面到冠帶層的膠料粘性過渡[5-6]。

輪胎材料分布如圖5所示。

圖5 輪胎材料分布

3.2 帶束層

輪胎冠部采用3層帶束層+2層0°冠帶層的結(jié)構(gòu)設計。1#帶束層主要是承擔胎體和冠部的受力過渡作用，采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線；2#帶束層是工作層，采用強度更高的3＋8×0.33HT鋼絲簾線；3#帶束層主要是為了實現(xiàn)骨架材料與胎面之間的緩沖，使用5×0.30HI高緩沖鋼絲簾線；為了平衡肩部伸張，在2#帶束層上方纏繞兩層0°冠帶層，0°冠帶層選用13根3×7×0.20HE鋼絲簾線。根據(jù)有限元正交設計仿真計算，1#，2#和3#帶束層的角度分別取24°，15°和15°時綜合效果較佳，方向分別為正向、負向和正向；帶束層邊部采用包邊膠片，可以有效地隔離空氣，同時應對應力和應變效果較好，若條件允許2#帶束層可采用大包的工藝設計，其輪胎性能會更佳[7]。

胎冠是輪胎接地和受力的主要區(qū)域，而帶束層作為主要的受力部件之一，經(jīng)核算其安全倍數(shù)為6.5。

3.3 胎體

根據(jù)市場走訪調(diào)研并結(jié)合競品分析，在胎體設計方面，本設計主要考慮輪胎的承載性能和翻新性能，因此對所使用鋼絲簾線的破斷力、耐屈撓性能和耐疲勞性能都有嚴格的要求。本設計中的胎體采用我公司目前應用較為成熟的3×0.24/9×0.225CCST鋼絲簾線，胎體邊部采用包邊工藝，對應肩部和鋼絲圈位置均采用冷貼膠片加厚工藝，保證簾線平直度的同時提高輪胎的工藝和性能通過性。胎體安全倍數(shù)計算結(jié)果為9.3。

3.4 胎圈

胎圈設計合理與否關系胎圈部位的故障率及翻新性能?？紤]到市場使用翻新輪胎的需求，本設計采用覆膠直徑為1.8 mm、單絲破斷力不小于3.9 kN且排布更為合理的34根纏繞直徑為401.2 mm的5-6-7-8-7排布結(jié)構(gòu)，外纏繞1層厚度為1.0 mm的粘合膠片＋2層錦綸包布。采用60°跳線一次的工藝纏繞，以應對因胎體與鋼絲圈纏繞尖點應力集中而產(chǎn)生的早期失效問題，有效地降低了輪胎抽絲或斷絲的病象發(fā)生率。胎圈安全倍數(shù)計算結(jié)果為7.6。

3.5 成型

成型采用兩鼓一次法膠囊反包成型機，主鼓貼合直徑為373 mm，輔鼓貼合直徑為773 mm。根據(jù)我公司對輪胎動平衡和均勻性的控制標準要求，采用現(xiàn)有成熟的接頭分散方案生產(chǎn)，膠部件接頭按照對齊、壓實的標準坡接，鋼絲部件按照對齊、壓實的標準對接，接頭部位輥壓平實，設備精度定期校驗，保證膠部件壓合及傳遞精度滿足設計要求。

3.6 硫化

采用1 397 mm（55英寸）蒸鍋式雙模硫化機等效變溫硫化，在保證硫化受熱均勻的同時對于工廠的節(jié)能降耗作用明顯。具體硫化條件為：外壓蒸汽壓力 （0.36±0.01） MPa，外壓蒸汽溫度 （147±2） ℃，內(nèi)壓蒸汽壓力 （0.8±0.1）MPa，內(nèi)壓蒸汽溫度 （175±3） ℃，硫化時間39 min。

4 成品輪胎性能

4.1 充氣外緣尺寸

根據(jù)GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》對輪胎的充氣外緣尺寸進行測量，在標準充氣壓力下成品輪胎的D′為838 mm，B′為233 mm，磨耗高度為2.3 mm，均符合設計要求。

4.2 成品內(nèi)控

根據(jù)公司的檢驗標準，對成品輪胎進行X光、動平衡、均勻性、氣泡、接地印痕和滾動阻力等項目進行檢測，各項性能均符合公司檢驗標準要求。

4.3 強度性能

按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》對輪胎的強度性能進行測試，測試條件為：充氣壓力 825 MPa，壓頭直徑 38 mm。第5點破壞能為3 491.5 J，為標準值（2 282 J）的153%。

4.4 耐久性能

按照GB/T 4501—2016和企業(yè)標準進行輪胎的耐久性能測試，試驗條件如表4所示。耐久性測試輪胎累計行駛時間為85 h，結(jié)束試驗時輪胎外觀完好，達到國家標準要求。

表4 輪胎耐久性測試條件

5 結(jié)論

8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能和耐久性能均符合相應國家標準或企業(yè)標準的要求，性能滿足設計目標。8.25R15TR全鋼載重子午線輪胎的成功研發(fā)，完善了我公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，填補了我公司此類產(chǎn)品的空白。自投放市場以來，產(chǎn)品認可程度高，耐磨性能好且具有較好的燃油經(jīng)濟性，得到海外用戶的廣泛認可，提升了我公司產(chǎn)品的綜合競爭力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。