低肩冠比12R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎的開發

徐 欽，張 穎

（中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

我國汽車產業的高速發展和公共交通基礎設施建設的巨大投入，帶動了輪胎制造業的繁榮。輪胎產量的增大也帶來了環境保護壓力以及資源有效利用等多方面的問題[1-3]。隨著我國“力爭于2030年前實現碳排放、2060年前實現碳中和”目標的不斷推進，合理高效的資源利用對生產制造企業的重要性越來越突出，綠色環保型輪胎成為輪胎企業開發與制造的重點產品[4-7]。12R22.5輪胎作為我公司產量很大的產品，推進其綠色環保品種的開發尤為重要。

較低肩冠比（胎肩厚度與胎冠中部厚度之比）無內胎全鋼載重子午線輪胎的開發是從產品設計初期就注重輪胎的肩冠比，通過減小肩冠比，實現輪胎的輕量化設計[8-10]。國內主流輪胎廠的輪胎肩冠比范圍為1.4～1.6，米其林、普利司通和固特異等外資品牌的輪胎肩冠比范圍為1.3～1.5。外資品牌的輪胎整體肩冠比設計較國內品牌的輪胎更有競爭力。

本工作基于我公司預應變輪廓理論（Prestrain contour theory，PSCT）技術系統，通過調整輪胎肩冠比開發更小質量、更低滾動阻力的12R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎。

1 產品設計

1.1 輪胎有限元模型

根據輪胎不同部位的性能差異，在有限元模型中定義不同的材料屬性，采用三維實體單元模擬輪胎各部位材料。在骨架材料端部和胎圈等結構復雜、容易損壞的部位，加大網格劃分密度。考慮輪胎充氣壓力、負荷等情況，輪胎與輪輞和路面接觸的部分設為接觸單元。輪胎胎圈部位與輪輞接觸，受到輪輞與鋼絲圈的約束。12R22.5輪胎有限元模型如圖1所示。

圖1 12R22.5輪胎有限元模型

1.2 主要結構設計參數

12R22.5輪胎主要結構設計參數有行駛面寬度（a）、胎冠弧高度（b）、胎肩厚度（c）、胎冠中部厚度（d），如圖2所示。

圖2 12R22.5輪胎結構設計參數示意

1.3 優化模型建立

本工作的重點是通過肩冠比的優化，達到輪胎輪廓材料成本與輪胎耐磨性能的平衡。本研究涉及的部分數學模型在此處統一規定，肩冠比（V）的定義如下：

引用Archard提出的輪胎磨耗模型，計算公式如下：

式中，q為磨耗量，k為磨耗因數，P為輪胎接地法向壓力，A為輪胎接地面積，γ為輪胎接地面的滑移率，H為材料硬度。

根據磨耗模型可以得出，輪胎磨耗量與輪胎接地壓力成正比。根據無內胎全鋼載重子午線輪胎的輪廓設計經驗，肩冠比越大則輪胎接地壓力越小，耐磨性能越佳，但是肩冠比越大，輪胎設計成本也越高，因此結合公司實際需求提出下述3個優化目標：（1）輪胎肩冠比最小化；（2）輪胎接地面積最大化；（3）輪胎磨耗量最小化。

1.4 PSCT技術系統參數優選

通過我公司PCST技術系統，結合哈爾濱工業大學有限元仿真分析軟件（TYSYS4.0），對自變量a，b和V進行有限元分析，結果見表1。試驗結果表明，當肩冠比減小至1.25時，有限元模擬的輪胎耐磨性能較好，設計材料成本的經濟收益率較大。

表1 不同肩冠比的輪胎接地性能與成本分析數據

2 成品輪胎性能

將設計的1.25肩冠比12R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎進行成品輪胎生產，并進行室內性能測試。

2.1 外緣尺寸

按照GB/T 2977—2016，使用228.6 mm×571.5 mm（9.00英寸×22.5英寸）標準輪輞，在930 kPa標準充氣壓力下測量輪胎外緣尺寸，輪胎充氣外直徑和充氣斷面寬符合國家標準要求，滿足公司新產品投產要求。

2.2 強度性能

按照GB/T 6327—1996要求進行壓穿強度性能試驗，試驗條件為：充氣壓力 930 kPa，壓頭直徑 38 mm。結果表明，輪胎試驗破壞能為3 304.5 J，試驗結束時未壓穿，試驗破壞能達到國家標準規定值（2 203 J）的150%，強度性能滿足設計和投產要求。

2.3 耐久性能

按照全鋼子午線輪胎性能測試企業標準（Q/HCR A05202-001—2020）進行輪胎耐久性能測試，轉鼓直徑為（1 700±17） mm，試驗充氣壓力為單胎最大充氣壓力，轉鼓速度為65 km·h-1，具體測試條件見表2。

表2 輪胎耐久性能測試條件

輪胎耐久性能測試累計行駛時間為127.62 h，損壞形式為肩部裂開，達到企業標準要求（≥97 h），耐久性能優異。

2.4 高速性能

按照全鋼子午線輪胎性能測試企業標準（Q/HCR A05202-001—2020）進行輪胎高速性能測試，充氣壓力為930 kPa，額定負荷為3 550 kg。成品輪胎最高行駛速度達到160 km·h-1，超過企業標準L速度級別要求（120 km·h-1），滿足設計和投產要求。

2.5 滾動阻力

按照ISO 28580—2018進行輪胎滾動阻力測試。試驗結果表明，輪胎滾動阻力系數小于5.5 N·kN-1，滿足配套主機廠要求。

2.6 靜態接地壓力分布

按照GB/T 22038—2018進行輪胎靜態接地壓力分布試驗，并使用Tekscan軟件進行輪胎靜態接地壓力分布測試和分析。共加工2個不同肩冠比方案輪胎輪廓模型（方案1和2的肩冠比分別為1.29和1.25），對有限元分析結果進行量化指標的檢驗和論證，兩個方案輪胎輪廓模型的接地印痕如圖3所示，接地壓力分布對比分析如表3所示。

表3 兩個方案輪胎接地印痕數據對比分析

圖3 兩個方案輪胎接地印痕對比

由圖3和表3可見：與方案2輪胎相比，方案1輪胎的接地印痕矩形因數更大，同時錐形因數更小，可以有效降低輪胎出現偏磨的風險；方案1輪胎輪廓模型的接地面積更大。由此可得方案1輪胎的耐磨性能更優異。

2.7 經濟效益

12R22.5低肩冠比輪胎開發完成后，達到綠色環保輪胎的先進水平，將會提升公司的輪胎市場占有率。新產品實現單胎質量減小約3%，即減小2 kg，節約原材料成本約10元·kg-1，實現單胎材料成本降低約20元。輪胎肩部厚度減小3 mm，可以縮短硫化時間3 min（蒸汽價格約0.2元·kg-1），按照年產20萬條輪胎計算，預計每年節約原材料成本400萬元，節約蒸汽能耗成本80萬元，同時可以提高硫化生產效率8%，全年可縮短硫化時間10 000 h。該輪胎的開發對我公司經濟效益貢獻顯著，達到規模生產效益，產品一經問世，市場反饋良好，需求量逐步提升，工廠生產排產、生產工藝過程控制、成品合格率均超過公司平均水平。

3 結論

肩冠比的設計主要影響輪胎的接地性能和材料成本，通過規劃產品設計的目標函數，并采用有限元模擬的分析工具，可以提高結構設計的準確性和產品開發效率。本工作開發的12R22.5輪胎是我公司設計的肩冠比、材料成本都最低的一款產品，成品輪胎的充氣外緣尺寸和強度性能均符合國家標準要求，耐久性能和高速性能滿足設計和企業標準要求，接地性能和滾動阻力性能較原產品更優秀。該產品自2020年3月份投放市場，累計產量超過70萬條，售后理賠輪胎比例小于12R22.5規格輪胎平均值，用戶口碑良好。

該產品既能滿足企業經濟效益的要求，又能滿足綠色環保輪胎節能減排的要求，同時提高了公司輪胎結構設計的含金量與競爭力。