輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的設(shè)計

武玉建，宋萌萌，楊萬龍

（山東金宇輪胎有限公司 青島分公司，山東 青島 266100）

隨著我國道路狀況的改善以及GB 1589—2016《道路車輛外輪廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的實施，整車輕量化成為國內(nèi)各大主機廠的發(fā)展目標(biāo)之一[1-3]。為滿足主機廠對整車輕量化的需求，我公司成功開發(fā)了輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎，現(xiàn)將產(chǎn)品設(shè)計情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

參照GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，確定輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 9.00，充氣外直徑（D′） 1 077（1 068～1 100） mm，充氣斷面寬（B′） 295（288～312） mm，標(biāo)準(zhǔn)單胎負(fù)荷3 550 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 930 kPa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎帶束層的特點是剛性強且不易周向伸張[4-5]。帶束層主要對輪胎冠部起到箍緊作用，由于12R22.5無內(nèi)胎輪胎的帶束層伸張和變形都較小，因此輪胎的外直徑膨脹率（D′/D）較小，根據(jù)我公司現(xiàn)有普通12R22.5輪胎的D′與模型尺寸的關(guān)系，本次設(shè)計D′/D取1.004，D取1 073 mm。

B′變化的影響因素較多，本次設(shè)計參考現(xiàn)有普通12R22.5輪胎的設(shè)計經(jīng)驗，斷面寬度膨脹率（B′/B）取1.01，B取292 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎胎冠形狀的主要參數(shù)，b同時是輪胎行駛里程的主要影響因素之一，本次設(shè)計參考市場主流輕量化輪胎產(chǎn)品的參數(shù)設(shè)計，b取215 mm，同時還要保證輪胎的接地印痕形狀趨于矩形以及接地壓力分布均勻。當(dāng)b確定后，h增大則輪胎的接地印痕趨近于圓形，圓形印痕可以降低輪胎的滾動阻力，但是控制不當(dāng)可能會引發(fā)輪胎偏磨問題的出現(xiàn)；h減小，輪胎的接地印痕趨于矩形，矩形印痕可以減少輪胎偏磨的發(fā)生，但控制不當(dāng)會導(dǎo)致肩部厚度過大，從而增大輪胎使用時肩空、U形爆等問題出現(xiàn)的幾率。參考現(xiàn)有普通12R22.5輪胎的設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計h取5.5 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

胎圈與輪輞之間的配合影響輪胎的氣密性及裝配性能。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，為保證無內(nèi)胎輪胎的氣密性，要求胎圈與輪輞之間的裝配必須有適當(dāng)?shù)倪^盈量。結(jié)合我公司普通12R22.5輪胎的設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計d取569.5 mm。該規(guī)格輪胎的標(biāo)準(zhǔn)輪輞為9.00，本次設(shè)計C采取比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度大12.7 mm（0.5英寸）設(shè)計，即C取240 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎的斷面水平軸位于其輪廓的最寬處，輪胎滾動過程中此位置變形最大。由于全鋼子午線輪胎采用1層胎體簾布層結(jié)構(gòu)和單鋼絲圈設(shè)計，若H1/H2取值偏大，則會使斷面水平軸太高而導(dǎo)致胎肩部位帶束層端點應(yīng)力集中，導(dǎo)致輪胎出現(xiàn)肩空等異常損壞；H1/H2取值偏小，則會使斷面水平軸太低而造成胎圈部位應(yīng)力集中，使輪胎出現(xiàn)胎圈空等質(zhì)量問題。結(jié)合我公司設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計H1/H2取0.98。

輪胎的斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎的斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋樣式主要由產(chǎn)品定位決定，本次設(shè)計的輕量化12R22.5無內(nèi)胎輪胎主要用于中長途牽引車的導(dǎo)向輪和拖車輪位，因此采用4條縱向花紋，為使花紋更加新穎美觀，花紋采用S形設(shè)計；胎肩封閉設(shè)計以增加肩部花紋剛性，從而減少胎肩偏磨，延長輪胎的使用壽命；采用花紋細(xì)鋼片設(shè)計，以提高輪胎的抓著性能，同時有助于散發(fā)熱量；采用變節(jié)距設(shè)計，以降低輪胎的噪聲[6]。此外，花紋深度設(shè)計為15.5 mm，花紋飽和度設(shè)計為74.6%，花紋周節(jié)數(shù)設(shè)計為57。

胎面花紋展開如圖2所示，輪胎的花紋立體效果如圖3所示。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 輪胎的花紋立體效果

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面分為胎冠膠和基部膠兩部分，兩部分的膠料配方不同，胎冠膠主要保證耐磨性能，基部膠主要實現(xiàn)降低生熱。使用雙復(fù)合擠出機進(jìn)行胎面擠出，胎面總寬度為280 mm，胎面最厚處厚度為23 mm，胎面中間厚度為15.5 mm。

胎面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 帶束層和胎體

帶束層是輪胎的主要受力部件[7-8]，本次設(shè)計采用3層帶束層外加兩肩用0°帶束層進(jìn)行束縛的結(jié)構(gòu)，其中1#和2#帶束層采用0.37＋6×0.32ST鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.30HI鋼絲簾線，0°帶束層采用3×7×0.20HE鋼絲簾線。1#和2#帶束層是工作層，帶束層簾線角度分別為24°和15°，3#帶束層是輪胎的保護(hù)層，帶束層簾線角度為15°，帶束層安全倍數(shù)為5.8。

胎體采用3×0.24/9×0.225ST超高強度鋼絲簾線[9-10]，采用超高強度鋼絲簾線可使輪胎的強度在滿足輪胎使用要求的前提下減小簾布壓延厚度，從而減小胎體簾布的質(zhì)量。胎體安全倍數(shù)為6.7。

3.3 胎圈

采用傳統(tǒng)的傾斜15°六角形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，使用直徑為1.65 mm胎圈鋼絲，鋼絲圈排列方式為8-9-10-11-10-9，共57根鋼絲，安全倍數(shù)為5.5，此設(shè)計可確保胎圈部位的強度能滿足使用要求。三角膠采用復(fù)合膠芯以實現(xiàn)胎圈部位向變形區(qū)剛性的平穩(wěn)過渡；胎圈部位用鋼絲簾布對鋼絲圈進(jìn)行U形包裹，不僅能提高胎圈的支撐性，也可以減少胎體簾布在負(fù)荷下發(fā)生移動，胎圈包布采用3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線。

3.4 成型和硫化

為保證胎坯成型質(zhì)量，在一次法膠囊成型機上成型，機頭直徑為532 mm，鋼絲圈定位尺寸為690 mm。

采用蒸鍋式硫化機進(jìn)行硫化。硫化條件為：外壓壓力 （0.37±0.01） MPa，外壓溫度（145±3） ℃，蒸汽壓力 （0.9±0.1） MPa，蒸汽溫度 （175±3） ℃，總硫化時間 52 min。

4 成品輪胎的性能

4.1 外緣尺寸和質(zhì)量

將經(jīng)過外觀、X光等檢查合格的輪胎安裝在9.00輪輞上，在930 kPa標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進(jìn)行輪胎的外緣尺寸測量。輪胎的D′為1 076 mm，B′為294 mm，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求和設(shè)計要求。

實際稱量輪胎的平均質(zhì)量為54.35 kg，滿足輕量化12R22.5無內(nèi)胎輪胎對自身質(zhì)量的要求（≤55 kg）。

4.2 強度性能

輪胎的強度性能按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》進(jìn)行測試，測試條件為：充氣壓力 930 kPa，壓頭直徑 38 mm。結(jié)果表明，第1—第5測試點的破壞能分別為2 206.3，2 206.9，2 206.4，2 205.8和4 021.3 J。第5測試點破壞能為4 021.3 J時輪胎未壓穿，該值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（2 203 J)的182.5%，即輪胎的強度性能較好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計要求。

4.3 胎冠耐久性能

輪胎的胎冠耐久性能按照我公司研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。試驗條件如表1所示。結(jié)果表明，輪胎在累計行駛91 h后出現(xiàn)胎冠脫層，輪胎的耐久性能達(dá)到企業(yè)研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)要求（達(dá)到70 h)。

表1 輪胎的胎冠耐久性能試驗條件

5 結(jié)語

輕量化12R22.5無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎的外緣尺寸、強度性能和耐久性能均滿足設(shè)計和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，輪胎的質(zhì)量小于主要競品。該規(guī)格輪胎花紋設(shè)計新穎，已申請花紋外觀專利，自產(chǎn)品上市以來花紋無偏磨和掉塊等問題，輪胎的行駛里程和燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到客戶預(yù)期，目前已與中國幾大主要牽引車主機廠開展配套合作，公司在配套市場的知名度提高。