于國鴻，姜 娉，韓 菁，李曉林，孫宗濤

[1.浦林成山（青島）工業(yè)研究設(shè)計有限公司，山東 青島 266042；2.浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

隨著全球經(jīng)濟一體化的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界輪胎制造業(yè)生產(chǎn)基地，40，45和50系列低斷面寬基輪胎在歐洲和美國市場的銷售量逐年增大，同時隨著全球環(huán)保節(jié)能意識的普及，低滾動阻力和燃油消耗輪胎的研發(fā)成為一種趨勢。寬基輪胎應(yīng)用子午化、扁平化和無內(nèi)胎化的技術(shù)，以單胎代替普通斷面的并裝輪胎，具有輪胎和輪輞總成質(zhì)量小、承載能力大、安裝空間小等優(yōu)點，可以在整車不超載的前提下裝載更多貨物，且與雙胎并用相比，寬基輪胎維護保養(yǎng)便利、滾動阻力低，可以有效減少油耗，降低用戶成本，同時也可解決雙胎并用容易出現(xiàn)的并胎和異常磨損等問題。

為適應(yīng)當前輪胎的發(fā)展趨勢，在國際輪胎市場擁有一席之地，提高產(chǎn)品的檔次和市場占有率，我公司開發(fā)了一系列高品質(zhì)超低斷面寬基全鋼載重子午線輪胎[1-5]，現(xiàn)將代表規(guī)格445/45R19.5輪胎的設(shè)計情況簡介如下。

1 技術(shù)要求

輪胎產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)符合當前的各種標準及法規(guī)要求，根據(jù)ETRTO《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標準手冊》確定445/45R19.5輪胎的基本技術(shù)參數(shù)如下：測量輪輞 15.00，充氣外直徑（D′） 895（883～911） mm，充氣斷面寬（B′） 446（428～464） mm，標準充氣壓力 900 kPa，標準負荷4 500 kg，負荷指數(shù) 160。

2 外輪廓設(shè)計

2.1 有限元仿真分析

隨著有限元仿真技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，仿真分析越來越多地應(yīng)用于輪胎新產(chǎn)品開發(fā)中，大大縮短了開發(fā)驗證周期，提升了研發(fā)效率。本設(shè)計結(jié)合以往的產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，通過先設(shè)定一個初始輪廓作為基準進行有限元分析。根據(jù)初始的仿真分析結(jié)果，有針對性地調(diào)整設(shè)計外直徑（D）、斷面寬（B）、行駛面寬度（b）、胎冠弧半徑（Rn）、行駛面弧度高（h）及胎圈著合寬度（C）等參數(shù)，前后共進行6個方案的仿真分析。方案1為對比方案，方案2調(diào)整Rn及h，方案3調(diào)整b及h，方案4調(diào)整Rn，D，B及h，方案5調(diào)整Rn，B及h，方案6調(diào)整Rn及C。有限元仿真分析結(jié)果如下。

2.1.1 充氣外緣尺寸

輪胎充氣外緣尺寸仿真結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎充氣外緣尺寸仿真結(jié)果 mm

從表1可以看出，6個方案輪胎的充氣外直徑和充氣斷面寬變化不大，且均在標準要求范圍內(nèi)。

2.1.2 接地印痕

各方案輪胎接地印痕形狀仿真結(jié)果如圖1所示，接地印痕短軸方向接地壓力分布仿真結(jié)果如圖2所示。

圖1 輪胎接地印痕形狀仿真結(jié)果

從圖1可以看出，6個方案輪胎的接地印痕形狀均可接受。

從圖2可以看出，方案4輪胎胎肩部位的接地壓力最小。

圖2 輪胎接地印痕短軸方向接地壓力分布仿真結(jié)果

2.1.3 胎肩受力

輪胎胎肩部位受力分布云圖仿真結(jié)果如圖3所示，方案1—6輪胎胎肩部位最大應(yīng)變能密度仿真結(jié)果分別為0.78，1.03，0.93，0.12，0.25和0.72 mJ·mm-3。

圖3 胎肩部位受力分布云圖仿真結(jié)果

由圖3可以看出，方案4輪胎胎肩部位受力最小，其最大應(yīng)變能密度明顯小于其他方案輪胎。

2.1.4 胎圈耐久性能

胎圈耐久性能評價指標為胎體反包端點和增強層反包端點的應(yīng)變能密度，取二者較大值，方案1—6輪胎胎圈部位最大應(yīng)變能密度仿真結(jié)果分別 為0.028，0.027，0.028，0.010，0.010和0.009 mJ·mm-3。

由此可見，方案4，5和6輪胎胎圈部位最大應(yīng)變能密度基本相同，且明顯較小。

我公司目前對輪胎充氣外輪廓仿真預(yù)測及接地印痕形狀和壓力分布分析與實測值的吻合度已分別達到93%和90%以上，結(jié)合胎肩及胎圈耐久性能預(yù)測，考慮到寬基輪胎使用過程中普遍存在磨胎肩問題，優(yōu)選出方案4為本設(shè)計的外輪廓方案。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 D和B

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，設(shè)計D取902 mm，B取436 mm。

2.2.2 b和h

考慮輪胎的整體耐磨性能，防止使用過程中出現(xiàn)胎肩畸磨等缺陷，設(shè)計時需考慮盡可能減小胎肩部位的應(yīng)力集中。根據(jù)平衡輪廓理論，b值應(yīng)與輪輞寬度接近，本設(shè)計b取392 mm?？紤]寬基輪胎的變形特點，尤其是寬基輪胎普遍存在的磨胎肩現(xiàn)象，除了采用較大Rn設(shè)計以外，合理的h也可抵消一部分變形，結(jié)合有限元分析結(jié)果，本設(shè)計h取13.8 mm。

2.2.3 胎圈著合直徑（d）和C

胎圈部位的設(shè)計主要考慮胎圈與輪輞的著合性能和氣密性，胎圈著合曲線主要根據(jù)輪輞曲線，按照公司的設(shè)計規(guī)范來設(shè)計；d按照公司胎圈直徑為495 mm（19.5英寸）輪胎的設(shè)計規(guī)范設(shè)計，取493.5 mm，C值采用標準輪輞寬度380 mm。

2.2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

根據(jù)仿真結(jié)果，本設(shè)計H1/H2取0.94，輪胎斷面輪廓如圖4所示。

圖4 輪胎斷面輪廓示意

2.2.5 花紋設(shè)計

花紋設(shè)計直接關(guān)系輪胎的滾動阻力、噪聲、耐磨性能、抗?jié)窕阅堋?cè)偏性能和散熱性能等。445/45R19.5輪胎主要出口歐洲和美洲市場，該市場的路面狀況相對較好，高速公路發(fā)達，對輪胎的使用要求較高。

經(jīng)過市場調(diào)研及競品分析，確定胎面采用6條縱向花紋溝設(shè)計，兩側(cè)胎肩設(shè)置防護溝以應(yīng)對寬基輪胎普遍存在的胎肩異常磨損現(xiàn)象，花紋塊均設(shè)計橫向刀槽花紋，以增大輪胎的抓著能力和扭轉(zhuǎn)剛度；通過對花紋細節(jié)的特殊處理增大花紋筋條的穩(wěn)定性以提高輪胎使用中后期的耐磨性能；較淺的花紋溝及超寬的行駛面有利于降低滾動阻力。

本設(shè)計的TH135花紋采用等節(jié)距設(shè)計，花紋深度為14 mm，花紋飽和度為81.25%，花紋周節(jié)數(shù)為52，胎面花紋平面展開如圖5所示。

圖5 胎面花紋平面展開示意

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

本設(shè)計胎面采用雙配方復(fù)合結(jié)構(gòu)，胎面膠應(yīng)用耐磨及低滾動阻力配方，基部膠采用成熟的低生熱配方，即傳統(tǒng)意義上的兩方兩塊結(jié)構(gòu)。為保證胎面半成品的致密性和尺寸穩(wěn)定性，采用雙復(fù)合擠出機擠出，同時嚴格控制口型擠出溫度不高于120 ℃。胎面半成品冠部寬度與成品行駛面寬度的比值為0.92，肩部厚度為胎冠中部厚度的1.35倍，硫化后的斷面分析符合所選方案仿真分析時的材料分布圖。

3.2 帶束層及其纏繞技術(shù)

3.2.1 帶束層

輪胎使用過程中主要的承載受力部位是帶束層，帶束層的剛性對輪胎的使用性能有很大的影響，輪胎需具有足夠的剛性，以滿足均勻磨耗、平穩(wěn)行駛的性能要求。結(jié)合寬基輪胎苛刻的使用情況，在設(shè)計時進行了相應(yīng)的理論計算及仿真求證，最終本設(shè)計采用4層帶束層結(jié)構(gòu)。1#帶束層為過渡層，與胎體簾布間起到過渡和緩沖的作用，降低其剪切力，1#帶束層采用3＋8×0.33HT高強度鋼絲簾線，角度為43°；2#和3#帶束層為主要受力的工作層，其強度直接影響到輪胎的使用性能，角度不宜過大，同樣采用3＋8×0.33HT高強度鋼絲簾線，角度為16°；4#帶束層為保護層，緩沖路面給帶束層帶來的沖擊以及翻新輪胎打磨時對工作層起到保護作用，采用高伸長、高抗沖擊全滲膠結(jié)構(gòu)的5×0.35HI鋼絲簾線，角度為16°。帶束層的安全倍數(shù)為10.25，滿足使用需求。

3.2.2 帶束層纏繞技術(shù)

在傳統(tǒng)4層帶束層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，同時進行了帶束層無限纏繞技術(shù)的研究，采用先進的無限帶束層纏繞技術(shù)，可均勻分散胎面接地應(yīng)力，提高輪胎耐偏磨性能以及優(yōu)化滾動阻力，降低油耗，提高輪胎總行駛里程；同時通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小工作層簾線之間的剪切應(yīng)變，提高輪胎耐久性能，降低帶束層脫層風險。帶束層平鋪方式如圖6所示。

圖6 帶束鼓部件鋪貼示意

3.3 胎體

考慮寬基輪胎使用條件比較苛刻，尤其需要具有足夠的安全性能，因此胎體設(shè)計尤為重要。胎體強度決定了輪胎的安全性能，本設(shè)計胎體采用3＋9＋15×0.20ST超高強度鋼絲簾線，其具有較高的性價比及較小的質(zhì)量指數(shù)，已在公司其他產(chǎn)品中推廣應(yīng)用。胎體安全倍數(shù)超過10，可以很好地保證胎體的強度。

3.4 胎圈

無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎鋼絲圈的設(shè)計大多以斜六角形鋼絲圈為主，目前行業(yè)里大量使用的胎圈鋼絲有Φ1.55HT，Φ1.65NT及Φ1.83HT等型號，單根纏繞也是成熟的生產(chǎn)工藝。本設(shè)計選用Φ1.65 mm鍍錫青銅回火胎圈鋼絲，排列方式為9-10-11-12-11-10-9，共72根，鋼絲圈內(nèi)直徑為497.5 mm。三角膠的貼合采用自動熱貼，可提升半成品部件質(zhì)量穩(wěn)定性，保證胎圈底部與輪輞接觸良好。與胎體選擇的考慮方向一致，胎圈安全倍數(shù)計算結(jié)果也高于常規(guī)普通斷面輪胎。

3.5 成型

由于寬基輪胎的特殊性，結(jié)合公司的設(shè)備現(xiàn)狀，本設(shè)計輪胎成型選擇一次法膠囊三鼓成型機。為提升設(shè)備利用率及減少設(shè)備一次性投入資金，對成型機進行了改造，追加了胎體貼合鼓、帶束鼓工裝、傳遞環(huán)工裝及胎圈預(yù)置器等新工裝，對設(shè)備程序進行了升級，將原先只能生產(chǎn)胎圈直徑為572 mm（22.5英寸）輪胎的成型機改造為既能生產(chǎn)572 mm寬基輪胎又能生產(chǎn)495 mm（19.5英寸）寬基輪胎。同樣，在胎面供料架上方進行了冠帶條單根纏繞工藝改造，此項改造作為可選項，在有纏繞工藝需求時可選用。

3.6 硫化

硫化采用1 613 mm（63.5英寸）熱板液壓全自動雙模輪胎定型硫化機，硫化膠囊根據(jù)產(chǎn)品特點與外協(xié)廠家溝通，采用外購定制膠囊。通過發(fā)泡點試驗確定發(fā)泡點時間，發(fā)泡點時間與安全時間之和為對應(yīng)產(chǎn)品的硫化時間。具體硫化條件為：一次蒸汽溫度 198 ℃，熱板及模套溫度 145℃，總硫化時間 55 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測量，D′為903 mm，B′為437 mm，測量結(jié)果在標準要求公差范圍內(nèi)。

4.2 強度性能

該輪胎設(shè)計的載荷能力是22層級，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》進行測試，選用壓頭直徑為38 mm，按照企業(yè)標準推導(dǎo)的最小破壞能為2 819 J。試驗第5點以壓頭觸及輪輞為止，輪胎破壞能為5 227.4 J，為額定最小破壞能的185.4%，輪胎強度性能達到設(shè)計預(yù)期，符合公司的內(nèi)控要求。

4.3 耐久性能和高速性能

耐久性能采用相對嚴苛的企業(yè)標準進行測試，成品輪胎累計行駛時間達到企業(yè)內(nèi)控77 h（國家標準47 h）不壞的標準，耐久性能達到設(shè)計目標要求。

輪胎高速性能按照企業(yè)內(nèi)控試驗方法進行測試，輪胎高速性能試驗累計行駛時間達到90 min以上（限值為75 min）。高速性能達到設(shè)計目標要求。

5 結(jié)語

445/45R19.5超低斷面寬基全鋼載重子午線輪胎的外觀花紋獨特，室內(nèi)各項性能測試結(jié)果達到設(shè)計要求。目前該產(chǎn)品已通過歐盟E4認證及R117滾動阻力、噪聲和抗?jié)窕阅苷J證，成為公司出口歐美市場的有力競品，可為公司創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益和社會效益。