225/75R17.5 14PR全鋼載重子午線輪胎的設計

常雙凱，蓋方雄，張云秀，王昌寧

（1.青島科技大學，山東 青島 266500；2.賽輪金宇集團股份有限公司，山東 青島 266550）

隨著汽車工業的快速發展，無內胎全鋼載重子午線輪胎的需求量日益增大，全鋼輪胎以其優異的載重和安全性能得到廣大消費者的信賴；我公司為完善全鋼產品系列，擴大歐美輪胎市場占有率，設計了一系列444.5 mm（17.5英寸）全鋼載重子午線輪胎，現以225/75R17.5規格為例，將產品設計情況介紹如下。

1 技術要求

根據歐洲輪輞技術組織標準手冊ETRTO，確定225/75R17.5規格輪胎的設計參數為：標準輪輞6.75，充氣外直徑（D′） 783（773～796） mm，充氣斷面寬（B′） 226（217～235） mm，負荷指數129/127，標準充氣壓力 725 kPa，標準負荷（單胎） 1 850 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼載重子午線輪胎胎體受到剛度較高的鋼絲帶束層箍緊的影響，輪胎充氣后的外直徑膨脹很小，根據我公司相近產品的設計經驗，同時結合生產工藝條件，設計時D可選取與標準值相等或稍小的值。綜合考慮，本次設計D取780 mm。

子午線輪胎充氣斷面寬的膨脹率與胎體鋼絲簾線的伸張、帶束層角度和胎圈著合寬度（C）有密切的關系。此外，實際使用過程中可能會出現雙胎并裝的情況，為避免雙胎并裝時由于負荷過大而出現相互摩擦而導致的早期損壞現象，本次設計B取230 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定胎冠形狀的主要參數，對胎冠的耐磨性能、牽引性能、轉向性能以及生熱等有著直接的影響。增大b能提高輪胎與地面的接觸面積，提高輪胎的耐磨性能，b的選取應綜合考慮多種影響因素，合理的選擇才能提高輪胎的綜合性能。根據以往經驗，一般b/B之比為0.75～0.80。本次設計b/B取0.78，b取180 mm。

由于全鋼載重子午線輪胎有鋼絲帶束層的箍緊作用，使得行駛面較平坦，冠部變形小，如果h較大，將減小輪胎的接地面積，降低輪胎的耐磨性能和抓著性能，因此h應取較小值，本次設計h取6 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

胎圈部位主要根據標準輪輞曲線而設計，d的選取應滿足輪胎裝卸方便以及著合緊密的要求。為了使胎圈和輪輞緊密配合達到無內胎輪胎的氣密性，一般胎圈與輪輞采用適當的過盈配合。故d的選取相當重要，根據以往經驗，本次設計d取442 mm。

考慮到胎圈受力分布以及輪胎與輪輞之間的裝配情況，本次C采用加大設計，比標準輪輞寬12.7 mm（0.5英寸），取184 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面的最寬點，也是輪胎斷面最薄、變形最大的位置。斷面水平軸位置的選取對輪胎的使用性能影響較大。H1/H2取值偏大，在使用過程中水平軸向胎肩方向移動時，將造成胎肩應力集中，易造成肩空、肩裂；H1/H2取值偏小，輪胎在使用過程中水平軸向胎圈方向移動，將造成下胎側應力集中，容易造成胎圈部位損壞。故水平軸位置的選取應結合材料布置，使其最大變形部位在胎側最薄部位且在充氣及使用狀態下基本保持不變，本次設計H1/H2取0.942。

輪胎斷面輪廓如圖1所示.

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋的設計主要根據輪位、路況和車輛性能要求，且要滿足低滾動阻力、低噪聲等條件。該規格輪胎主要出口歐洲市場，適于箱式郵政車的全輪位使用。歐洲路面情況較好，高速公路較發達，故胎面花紋采用4條縱向溝為主，使輪胎具有良好的操縱穩定性和駕乘舒適性；飽和胎肩設計減少輪胎偏磨，延長使用壽命；細小的刀槽使輪胎具有良好的散熱性、具有較強的抓著性能和抗濕滑能力。采用變節距設計，無序排列，以減小噪聲。花紋深度為13 mm，花紋飽和度為72.5%，花紋周節數為72。

胎面花紋展開如圖2所示，胎面花紋立體效果如圖3所示。

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

本次設計采用寬行駛面設計，以使冠部受力面積增大，內腔容積增大，應力分布更趨合理。根據該原則設計的產品在滿足載重性能要求的同時，具有更好的壓力分布和抗偏磨性以及更高的抗撕裂能力和行駛安全性。

在施工設計上采用有限元建模分析，模擬出輪胎變形輪廓及各部位應力分布，以實現在輪胎生產制造初期的材料分布適應輪胎在實際使用中的受力最佳為目的。

輪胎基本結構如圖4所示，接地壓力及接地印痕如圖5所示，胎肩處剪切應力分布如圖6所示。

圖4 輪胎基本結構示意

圖5 接地壓力及接地印痕示意

圖6 胎肩處剪切應力分布示意

3.1 胎面

胎面采用胎面膠和基部膠雙層設計，雙復合擠出機擠出，胎面下貼粘合膠片，胎面結構如圖7所示。高耐磨、高抓著力炭黑配方設計，使輪胎具有良好的耐磨性及較低的滾動阻力，使產品具有良好的節油性能。胎面冠部厚度為13.5 mm，肩部厚度為16.5 mm，肩部寬度為160 mm，總寬度為210 mm。

圖7 胎面結構示意

3.2 帶束層

帶束層是子午線輪胎的主要受力部件，決定著充氣輪胎的形狀，承受60%～75%的內壓應力。帶束層的剛性對輪胎的使用性能影響很大，為此帶束層應有足夠的剛性，降低胎肩變形生熱，避免帶束層因應力和應變作用而造成的疲勞損傷和熱破壞。利用有限元軟件分析輪胎的應力應變分布，找出最優的材料分布、合適的帶束層角度和寬度，減小應變能集中，提高輪胎性能。本次設計采用3層帶束層結構，為有效提高輪胎承載性能，1#，2#和3#帶束層均采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線，其中1#帶束層角度為52°，2#和3#帶束層角度分別為逆時針和順時針18°，安全倍數達7.33。

3.3 胎體

胎體是輪胎的主要承載部件，為輪胎提供支撐性能，還要保持輪胎充氣后輪廓的穩定性。要求具有良好的耐屈撓性能、耐磨性能和強破斷力，因此選取的鋼絲簾線結構尤為重要。根據輪胎設計負荷及鋼絲簾線性能指標，本設計胎體采用強度和柔韌性好的3＋9×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，安全倍數為9.8。

3.4 胎圈

全鋼載重子午線輪胎胎圈部位承受應力較大，需要加大胎圈的強度與安全倍數，本次設計鋼絲圈采用Φ1.55 mm高強度回火胎圈鋼絲，排列形式為6-7-8-7-6-5，共39根，鋼絲圈直徑為447 mm，安全倍數為8.5，滿足設計要求；采用獨特的U型胎圈包布，不僅提高了胎圈的支撐性，同時降低了胎體簾布載荷下的蠕動，提高了裝載穩定性，胎圈包布使用3＋9×0.22＋0.15鋼絲簾線。

3.5 成型

成型采用一次法膠囊反包成型機，機頭直徑為410 mm，機頭寬度為484 mm，采用側包冠成型工藝。部件接頭按一定的角度錯開均勻分布，胎側和內襯層等部件自動定長裁斷，保證了輪胎質量的穩定性以及輪胎的動平衡和均勻性。

3.6 硫化

硫化采用熱板式B型硫化機，采用常規過熱水硫化工藝，硫化條件為：熱板溫度 （150±2） ℃，模套溫度 （155±2） ℃，過熱水壓力 （2.6±0.2）MPa，內溫 （173±2） ℃，總硫化時間 32.5 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2003進行測量。安裝在標準輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力下，輪胎充氣外直徑和斷面寬分別為781和228 mm，符合設計要求。

4.2 強度性能

按照GB/T 4501—2008進行成品輪胎強度性能試驗，試驗條件為：充氣壓力 725 kPa，壓頭直徑 32 mm。輪胎破壞能為3 505.8 J，為國家標準規定值（1 695 J）的206.8%，符合設計要求。

4.3 耐久性能

按照歐洲ECE標準進行耐久性試驗，試驗條件為：充氣壓力 725 kPa，額定負荷 18 500 kg，試驗速度 73 km·h-1，負荷率為66%，84%和101%時，分別運行7，16和24 h，然后每行駛10 h負荷率增加10%繼續進行試驗，直到輪胎損壞為止，試驗條件和結果如表1所示。成品輪胎累計行駛時間為130 h，試驗結束時輪胎狀況為胎肩裂，成品輪胎耐久性能良好，符合ETRTO標準（≥47 h）要求。

表1 耐久性能試驗條件和結果

5 結論

225/75R17.5 無內胎全鋼載重子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能和耐久性能均達到相應標準要求，花紋外觀設計美觀，產品耐磨性較好，綜合行駛里程高。該產品投放市場以來，以其優良的性能得到客戶的認可，為公司創造了良好的經濟效益。