混合路面重載工況下使用的11.00R20載重子午線輪胎肩空問題的解決

郭永芳，王 程，王振國，瞿安業，雍占福，萬建榮

[1.泰凱英（青島）專用輪胎技術研究開發有限公司，山東 青島 266100；2.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東青島 266042；3.山東凱旋橡膠有限公司，山東 菏澤 274400]

輪胎肩空易導致爆胎等問題，對人身安全、車輛安全、交通運輸安全以及運營者的運營效率等都會帶來不利影響[1-4]。在部分不發達地區，存在車輛嚴重超載情況，且路況不佳，這更加劇了輪胎肩空的風險。我公司生產的11.00R20載重子午線輪胎的混合路面重載使用條件為：單胎負荷6 500～7 000 kg，速度 50～60 km·h-1，運距200 km。某客戶購買的300條輪胎在該使用條件下使用1個半月左右，其中10條輪胎出現肩空，失效率達到3.3%，輪胎肩空失效率較高，產品存在性能提高的需求。

宋佑川[5]對重載條件下輪胎失效的分析方法進行了研究，莫成發[6]從設計和施工角度對輪胎失效進行了探討。此外，配方設計和工藝控制等也與輪胎肩空等失效問題的產生息息相關[7-12]。考慮到前期成本投入問題，本工作旨在從施工設計和材料分布角度分析混合路面重載工況下使用的11.00R20載重子午線輪胎肩空的產生原因，并通過有限元分析、室內試驗驗證和市場驗證三方面確認解決輪胎肩空問題的有效性。

1 解決思路

采取常用的戴明環CAPDCA思路進行輪胎肩空的分析，如圖1所示，即分4步進行：（1）檢查結果，搜集問題；（2）現狀分析，采用魚骨圖和三次真因層別；（3）方案制定；（4）方案實施驗證。

圖1 CAPDCA思路

2 現狀分析

通過魚骨圖對輪胎肩空的產生原因進行簡要分析，如圖2所示。

圖2 輪胎肩空產生原因的魚骨圖分析

（1）結構方面。包括輪廓設計（下沉量、肩部反弧、斷面水平軸位置、胎圈著合寬度等會對輪胎肩部的受力狀態產生影響）、材料分布（骨架材料的選取、帶束層寬度、胎肩總厚度/胎冠中央厚度之比、基部膠、胎肩墊膠、胎圈材料及胎側設計等對輪胎肩部的影響）、施工設計（成型平面寬、成型輔鼓周長、胎體簾線彎曲[4]等）以及花紋設計（花紋飽和度、花紋溝的設計等）都會對輪胎肩空產生影響。

（2）配方方面。胎面膠、基部膠、胎肩墊膠、胎體附膠、帶束層附膠、貼合膠片等配方是影響輪胎肩空產生的主要因素。

（3）使用條件方面。輪胎的負荷、充氣壓力和行駛速度以及路況、運距和溫度等是導致輪胎肩空產生的主要原因。

（4）制程控制方面。工藝波動、膠部件污染等都有可能造成輪胎肩空。

（5）其他。司機的駕駛習慣等也會對輪胎肩空造成一定的影響。

考慮到成本控制問題，我公司在分析輪胎肩空問題時優先考慮施工及材料分布的調整，模具（即結構設計）不做變動。

2.1 輪胎使用條件

輪胎使用條件為：車型 2DD（10輪車），車承載質量 70 t，行駛速度 50～60 km·h-1（重載條件下），單程運距 200 km，路況 良好路面與差路面的混合路況。

市場反饋的輪胎肩空照片如圖3所示。

圖3 市場反饋的輪胎肩空照片

分析圖3可以得出：輪胎主要是熱損壞，肩部生熱過高是主要問題；同時肩部作為定應變能密度區域，應力集中引發的生熱問題和材料分布因素導致的生熱和散熱問題均可能是輪胎失效的原因。

2.2 室內機床試驗

由于市場反饋的輪胎肩空問題是在重載使用條件下出現的，室內機床試驗優先進行胎圈耐久性能試驗，試驗條件為：充氣壓力 670 kPa，負荷7100 kg，行駛速度 30 km·h-1，試驗輪輞8.00－20。試驗結果表明，輪胎累計行駛時間為50 h，試驗結束時輪胎胎肩破裂，與市場病象一致，如圖4所示。

圖4 室內機床試驗結束后輪胎照片

2.3 輪胎斷面

量取輪胎斷面關鍵參數如下：胎肩總厚度47.0/48.0 mm，胎肩總厚度/胎冠中央厚度之比1.439/1，胎肩花紋溝底膠厚度 5.0 mm，2#帶束層寬度/行駛面寬度之比 0.783/1，胎圈/胎側/胎肩厚度之比 3.583/1/3.917。

分析以上關鍵參數發現斷面存在以下問題。

（1）胎肩總厚度偏大，肩部過厚導致輪胎易生熱且散熱不良。

（2）帶束層寬度設計偏小，2#帶束層寬度與行駛面寬度之比為0.783，導致輪胎肩部剛性不足，尤其是重載條件下在差路面行駛時輪胎蠕動變形大，生熱高。

（3）胎側及胎圈部位設計過于強壯，重載下變形區域會發生從胎側向胎肩的轉移。

2.4 接地印痕

在充氣壓力為930 kPa下分別測量負荷率為100%，150%和200%下輪胎的接地印痕，結果如圖5所示。

圖5 輪胎的接地印痕

從圖5可以看出，負荷率為200%時，輪胎肩部受力明顯過大，這是導致輪胎肩部損壞的原因之一。

3 施工設計優化

施工設計主要通過輪胎使用條件、室內機床試驗結果、輪胎斷面及輪胎接地特性進行分析。

（1）胎體材質的選取。輪胎使用存在嚴重重載現象，此時如果路況差，則輪胎會有受到瞬時沖擊的情況，胎體選用0.25＋6＋12×0.225ST鋼絲簾線存在一定的風險。

（2）實際使用過程中輪胎不存在胎圈部位問題，且耐久性能試驗中胎圈部位未發生損壞，考慮到市場對成本控制的訴求，可使用1層錦綸加強層來實現成本的降低。

（3）主要骨架材料的伸張率為：1#帶束層0.952，2#帶束層 0.973，3#帶束層 0.882，0°帶束層 1.026，胎體 1.001，鋼絲加強層

1.033。

4 輪胎肩空問題解決驗證

通過上述工作初步確認改進方向后，再繪制材料分布圖進行有限元分析，以輔助驗證輪胎肩空問題的解決。

4.1 材料分布圖

利用輪胎斷面還原的改進前材料分布圖以及根據上述分析繪制的改進后材料分布圖見圖6。

圖6 材料分布圖

4.2 有限元分析

有限元分析主要從輪胎肩部、胎圈部位、胎體和鋼絲加強層的應變能密度梯度以及輪胎接地印痕等方面展開。

輪胎肩部的應變能密度梯度的有限元分析結果如圖7所示。從圖7可以看出，材料分布圖改進前后輪胎肩部應變能密度梯度的最大值均出現在0°帶束層的內端點處，而改進后輪胎肩部應變能密度梯度值減小，但0°帶束層外端點處應變能密度梯度值略有增大，這與帶束層寬度的增大和胎肩厚度的減小有關。

圖7 輪胎肩部的應變能密度梯度有限元分析結果

胎圈部位的應變能梯度的有限元分析結果如圖8所示。從圖8可以看出，材料分布圖改進前胎圈部位應變能梯度主要集中在胎體簾布反包端點位置，改進后胎圈部位應變能梯度分布更加均勻。

圖8 胎圈部位的應變能梯度有限元分析結果

胎體的應變能密度梯度有限元分析結果如圖9所示。從圖9可以看出，材料分布圖改進后胎體的應變能密度梯度小于改進前，且改進前應變能密度梯度最大值在胎圈底部。

圖9 胎體的應變能密度梯度有限元分析結果

鋼絲加強層的應變能密度梯度有限元分析結果如圖10所示。從圖10可以看出，材料分布圖改善后鋼絲加強層的應變能密度梯度集中在胎體簾布反包端點處，改進前則相對靠下，但應變能密度梯度最大值相差不大。

圖10 鋼絲加強層的應變能密度梯度有限元分析結果

輪胎的接地印痕有限元分析結果如圖11所示。從圖11可以看出：材料分布圖改進前肩部接地印痕細長，胎肩花紋溝處收縮急劇，過渡不佳；改進后整體接地壓力分布更加均勻，且接地壓力最大值明顯小于改進前。

圖11 輪胎的接地印痕有限元分析結果

4.3 三次真因層別分析

根據前述分析及有限元分析結果，對輪胎肩空問題進行三次真因層別分析，如圖12所示。

通過三次真因層別分析，確定了市場發生輪胎肩空的主要原因為胎面膠厚度和胎肩墊膠厚度過大、胎體材料強度偏小、帶束層寬度偏小、胎側厚度過大、胎圈部位設計過于強壯等。

5 改進方案制定

5.1 設計方案

設計方案如下：減小胎面膠厚度，如圖13所示；減小胎肩墊膠厚度，如圖14所示；減小胎側厚度，對應胎圈部位胎體簾布反包端點區域加貼膠片，如圖15所示；優化三角膠過渡，三角膠內側加貼膠片，如圖16所示；胎體選用3＋9＋15×0.225ST鋼絲簾線，胎圈部位調整為1層錦綸加強層設計。

圖13 減小胎面膠厚度

圖14 減小胎肩墊膠厚度

圖15 減小胎側膠厚度

圖16 優化三角膠過渡

5.2 目標設定

（1）考慮到胎圈耐久性能試驗的損壞現象與輪胎實際行駛的損壞現象一致，以室內胎圈耐久性能試驗結果作為改進效果的室內評判依據，要求測試條件不變的前提下胎圈耐久時間不短于90 h。

（2）在實用工況條件下進行輪胎道路測試，3個月內輪胎無早期肩空問題。

5.3 方案驗證

按照設計方案進行輪胎試制，共試制5條11.00R20載重子午線輪胎，隨機選取1條輪胎在設定試驗條件下、相同機床上進行胎圈耐久性能測試。試驗結果表明，輪胎累計行駛時間為103 h，試驗結束時輪胎肩部鼓包。而改進前輪胎累計行駛時間為50 h，可見輪胎胎圈耐久性能顯著提高，可解決輪胎肩空問題。

此外，對機床測試后的輪胎切割斷面進行分析，發現胎圈部位也已經發生損壞。輪胎肩部和胎圈部位同時損壞表明改進后輪胎各部位壽命相當，使輪胎得到最大化利用。與此同時，輪胎質量減小了4 kg，降低了成本。

室內試驗驗證通過后，輪胎發往市場裝車5臺進行實際道路測試，結果表明連續使用4個月輪胎未出現肩空失效。

6 結論

（1）建立系統的輪胎肩空問題的解決思路，圍繞施工設計和材料分布進行驗證，證實了肩部總厚度/胎冠中央厚度之比、骨架材料的選擇、帶束層寬度對輪胎肩空問題有直接的影響，并證實了改進方向的有效性。

（2）采取減小胎面膠厚度、胎肩墊膠厚度和胎側厚度，優化三角膠過渡，胎體選用3＋9＋15×0.225ST鋼絲簾線，胎圈部位調整為1層錦綸加強層設計等措施，使輪胎胎圈耐久性能顯著提高，輪胎肩空問題有效解決。

（3）設計中圍繞輪胎肩空問題的材料分布系統性調整對于輪胎的整體壽命和資源最大化利用有所幫助；面對市場上其他輪胎失效問題時，系統性調整可以在解決當前問題的同時減少伴生風險。