385/65R22.5 24PR寬基全鋼載重子午線輪胎的設計

王秀梅，宮金榮，張 紅，張永光，趙 菲

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

隨著市場對輪胎安全和環(huán)保要求的提高，寬基載重子午線輪胎（簡稱寬基輪胎）替代雙輪胎并用成為輪胎行業(yè)的發(fā)展趨勢，特別是在俄羅斯、中東、韓國等市場的應用越來越多。寬基輪胎可以提高車輛行駛安全可靠性，同時減少輪輞裝卸，降低運營成本，減輕汽車整體質(zhì)量、節(jié)省燃料[1-4]。為滿足運輸行業(yè)對高負荷寬基專用輪胎的需求，我公司對國內(nèi)外市場在用的385/65R22.5規(guī)格層級進行統(tǒng)計分析，國內(nèi)車輛使用的385/65R22.5規(guī)格輪胎為20PR、單胎負荷為4 500 kg，而國外市場一些車輛要求385/65R22.5規(guī)格輪胎為24PR、單胎負荷達到5 000 kg。針對不斷增加的高層級、高負荷輪胎的市場需求，結合公司載重輪胎及專業(yè)輪胎開發(fā)技術，成功開發(fā)了承載能力強、耐久性能優(yōu)異的385/65R22.5 24PR寬基全鋼載重子午線輪胎，現(xiàn)將其設計情況簡介如下。

1 技術參數(shù)

GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓、負荷》中，385/65R22.5規(guī)格輪胎的最高層級為20PR，單胎標準負荷為4 500 kg，標準充氣壓力為900 kPa；國外市場需求的385/65R22.5規(guī)格輪胎的最高層級為24PR，單胎負荷為5 000 kg，參考《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊2018》，確定385/65R22.5 24PR寬基全鋼載重子午線輪胎的主要技術參數(shù)為：單胎負荷 5 000 kg，層級24PR，標準輪輞 11.75×22.5，充氣壓力 930 kPa（單胎負荷5 000 kg較高，結合實際使用情況確定），充氣斷面寬（B′） 389（373.5～404.5） mm，充氣外直徑（D′） 1 072（1 057～1 087） mm。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

寬基輪胎的扁平率低，且冠部有周向不同角度鋼絲帶束層的束縛，充氣后的新胎外直徑與模具外直徑相比伸張較小，模具外直徑一般比充氣后的新胎外直徑小1～4 mm，本次設計的385/65R22.5單胎負荷大，為增大產(chǎn)品的負荷能力，從設計角度考慮增大輪胎的內(nèi)腔體積，D取1 073.6 mm，大于標準值1.6 mm，D′/D為0.998 5。

385/65R22.5規(guī)格輪胎的扁平率低，斷面寬度較大，為保證輪胎的輪廓形狀，采用胎圈著合寬度（C）大于標準輪輞寬度的設計思路，輪胎設計的很多因素影響B(tài)的變化，受C的影響較大，另外胎體簾線的種類、強度、伸張性能以及帶束層角度、長度、寬度等因素影響B(tài)的大小。通過相近規(guī)格產(chǎn)品對比分析，確定B為386 mm，B′/B為1.007。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

為了增加輪胎與路面的接觸面積，提升輪胎的負荷能力，b取值較大，比普通標準負荷輪胎的b稍大，加大b使輪胎冠部的接地壓力分布更均勻，急轉彎時不易發(fā)生側向滑移，可有效防止輪胎畸形磨損，提高耐磨性能以確保輪胎的行駛里程，同時行駛過程也更加安全可靠。寬基輪胎替代雙胎并裝可以使汽車整體質(zhì)量減小，油耗降低，提升貨物裝載量?，F(xiàn)有385/65R22.5輪胎在標準負荷4 500 kg下b一般取270～300 mm，針對本次高層級、高負荷產(chǎn)品設計，從耐磨性能、耐久性能、使用壽命等方面考慮確定b取310 mm，b/B為0.803。

本設計寬基輪胎的扁平率較低，負荷大、充氣壓力高、設計行駛面較寬，輪胎與路面的接地形狀不易控制，h設計的關鍵是能使胎冠接地變形后壓力分布更均勻，這對輪胎的使用壽命、耐久性能、磨耗性能具有重要影響。收集其他廠家的競品進行分析，結合現(xiàn)有產(chǎn)品工藝，確定本次設計h取13.2 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和C

輪胎與輪輞類型關系密切，不同類型輪胎所用輪輞不同，以標準輪輞曲線為依據(jù)進行設計，通常無內(nèi)胎子午線輪胎d的取值比標準輪輞直徑小，使胎圈與輪輞過盈配合，確保輪胎的氣密性，本次設計d取569.5 mm，比標準輪輞直徑小2 mm。輪胎胎圈從胎踵至胎趾設計成2段帶有一定傾斜角度的著合面，便于與輪輞部位緊密配合。

385/65R22.5輪胎扁平率低，輪胎的胎側部位變形區(qū)域小，C在標準輪輞寬度基礎上加大設計，進而提高輪胎的生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性，對無內(nèi)胎而言，C過小時無法與輪輞裝配充氣，因此C應稍大些，本次設計C采用大于標準輪輞寬度25.4 mm（1英寸）的設計，取324 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎各部位的受力分布受斷面水平軸位置高低的影響。斷面水平軸偏上，輪胎肩部和冠部應變與應力較大，易損壞，影響輪胎的使用壽命；斷面水平軸偏下，輪胎胎圈部位的受力變大，行駛時在輪胎負荷增大的情況下，容易造成胎圈部位隨應力增大而損壞。由于本次設計的24PR產(chǎn)品負荷大，行駛面寬，冠部的受力較大，適當降低H1/H2以緩解輪胎肩部的受力和變形，提高輪胎的耐久性能。根據(jù)主要設計參數(shù)，制定H1/H2不同的設計方案，利用有限元進行仿真分析，通過結果對比，本次設計H1/H2取0.925。輪胎斷面輪廓見圖1。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

為了使輪胎與地面更好地附著，提升轉向、制動及抗?jié)窕阅埽娱L輪胎的使用壽命，優(yōu)化胎面花紋設計。胎面花紋的主花紋溝為4條不同折度的縱向溝，邊部折溝提供輪胎一定驅(qū)動性能，中間兩道直溝提供輪胎出色的導向性能，當車輛在泥濘或潮濕的路面上行駛時，邊部折溝能有效防止輪胎打滑，折溝與直溝的搭配設計使輪胎具有更好的牽引性能和抗?jié)窕阅?；主花紋溝壁上鑲嵌橫向細小溝槽，有效避免車輛剎車時輪胎的前滑和側滑；主花紋溝之間采用橫向溝槽連接，橫向溝槽使輪胎在濕滑路面上的抓著力有效提升，進而使輪胎的抗?jié)窕阅苓M一步提高；花紋溝底優(yōu)化彈石塊的設計，有效防止夾石子和輪胎溝底裂口，減少胎體扎傷，安全性更高；花紋飽和度為78%，優(yōu)化花紋節(jié)距排列，周節(jié)數(shù)為69，花紋深度為17.5 mm。胎面花紋展開見圖2，胎面花紋立體效果見圖3。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 胎面花紋立體效果

3 施工設計

3.1 胎面

胎面是決定輪胎耐磨性能和使用壽命的關鍵部位，胎面與路面接觸，不斷地承受路面的磨損和沖擊，胎面膠料的選擇是胎面設計的重點。胎面膠料根據(jù)使用條件來確定，高速及鋪裝路況采用耐磨性能好、生熱低的膠料，碎石等非鋪裝路況采用抗刺扎、抗撕裂的膠料。本次針對高負荷、高層級輪胎的使用狀況，設計胎面為胎面膠加小翼膠結構，胎面下方貼一層增加粘合性的膠片，胎面膠選擇高層級專用的超耐磨膠料，確保輪胎的行駛里程，翼膠選擇生熱較低的膠料。根據(jù)設計的b及材料分布，確定胎面總寬度為360 mm，胎面肩寬為280 mm。

3.2 胎體

在負荷下車輛行駛過程中胎體頻繁承受復雜的屈撓變形，受超載情況的影響，胎體屈撓變形大，導致U形爆、拉鏈爆等損壞現(xiàn)象較多，針對層級為24PR、單胎負荷為5 000 kg的輪胎性能要求，需從產(chǎn)品結構設計上提高輪胎胎側部位的剛性，從而提高輪胎的耐屈撓性能，胎體簾線要有足夠強度。本設計胎體選用3＋9＋15×0.22＋0.15NT鋼絲簾線，胎體簾布半成品厚度為3.0 mm，胎體安全倍數(shù)為8.5。

3.3 帶束層

帶束層是影響輪胎輪廓形狀、強度、負荷下耐久性能的因素。設計時應保證帶束層的剛性，帶束層的剛性由鋼絲簾線類型、裁斷角度等因素決定。本設計24PR寬基輪胎采用4層帶束層結構，1#帶束層采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線，裁斷角度為52°；2#和3#帶束層采用3＋8×0.33ST鋼絲簾線，裁斷角度為19°；4#帶束層采用5×0.30HI鋼絲簾線，裁斷角度為19°。帶束層安全倍數(shù)為6.7。

3.4 鋼絲圈

胎圈的作用將輪胎外緣與輪輞緊密地扣住，使輪胎固定在輪輞上，支撐輪胎的輪廓形狀。胎圈中設置高強度的按一定形狀排列的鋼絲圈，鋼絲圈與帶束層、胎體配合支撐著輪胎所承受的負荷及內(nèi)壓。本設計鋼絲圈采用傾斜的六角形設計，高強度鋼絲直徑為1.55 mm、鋼絲圈纏繞前的覆膠鋼絲直徑為1.67 mm，鋼絲排列形式為9-10-11-12-11-10-19，共72根。

3.5 成型和硫化

通過各半成品在成型鼓上的平鋪圖分布，確定各半成品部件的定位參數(shù)，調(diào)整成型機工藝參數(shù)使各半成品接頭均勻錯開，操作過程上正、壓實，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高輪胎的動平衡和均勻性，成型機的膠囊為大膠囊，簾布反包為膠囊內(nèi)壓增大推動式反包，成型方式為一次法成型。

硫化以氮氣為加熱介質(zhì)，硫化后的產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定，硫化過程中控制好溫度、時間、壓力3個要素，硫化機類型為熱板式，便于調(diào)整胎側部位的硫化溫度。硫化參數(shù)為：熱板溫度 （150±2） ℃，模套溫度 （155±2） ℃，內(nèi)部蒸汽壓力 （1.8±0.1）MPa，外部蒸汽壓力 （0.39±0.02） MPa，氮氣壓力 （2.6±0.15） MPa，進氮氣時間 49.3 min，總硫化時間 55 mim。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

將成品輪胎安裝于11.75×22.5輪輞上，在充氣壓力930 kPa下，依據(jù)GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行外緣尺寸測試。輪胎的B′為382 mm，D′為1 076 mm，滿足設計要求。

4.2 強度性能

成品輪胎強度性能檢測依據(jù)GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》進行，試驗條件：壓頭直徑為38 mm，測試壓力為930 kPa。試驗結束時輪胎在第5點壓穿的破壞能為5 333.9 J，為標準值的242.1%，滿足設計要求。

4.3 靜負荷性能和接地壓力分布

將成品輪胎安裝于11.75×22.5標準輪輞上，在充氣壓力930 kPa、標準負荷5 000 kg下，依據(jù)HG/T 2443—2012進行靜負荷和接地印痕檢測，負荷下接地長度為249 mm，接地寬度為306 mm，接地印痕面積為762 cm2，單位面積平均壓力為656.4 kPa，接地系數(shù)為0.81，靜負荷半徑為496 mm，下沉量為41.6 mm，下沉率為16.5%。

4.4 耐久性能

385/65R22.5 24PR成品輪胎按照企業(yè)標準進行耐久性試驗，試驗條件和結果如表1所示。

表1 耐久性試驗條件和結果

由表1可知，試驗結束后，成品輪胎的損壞病象為肩部分型面位置裂口，累計行駛時間為81.3h，符合設計和企業(yè)標準（≥67 h）要求。

5 結論

385/65R22.5 24PR寬基輪胎胎面肩部花紋塊寬度與中部花紋塊寬度采用大比例設計，直溝與邊溝搭配、增加溝底彈石塊設計，應用高強度骨架材料，使輪胎具有優(yōu)異的操控穩(wěn)定性和抗沖擊性，行駛里程更長、更安全。該輪胎自投放市場以來，得到中東地區(qū)、俄羅斯、韓國等客戶的認可，滿足了用戶需求，提升了企業(yè)競爭力。