355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎的設計

姚斌

摘 要：355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎主要是為打開歐洲市場，后期完成試驗論證及市場測試后，將投產(chǎn)于歐洲市場，經(jīng)濟效益可觀。355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎開發(fā)設計主要是根據(jù)歐標初步設計寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎結(jié)構，根據(jù)不同的結(jié)構設計方案，利用有限元分析輪胎充氣輪廓及胎肩、胎圈位置受力情況，通過優(yōu)選確定最終輪胎輪廓及骨架材料等參數(shù)。完成結(jié)構設計后，對本項目開發(fā)的輪胎進行施工設計。最后對該輪胎進行成品性能試驗，主要包括強度性能和耐久性能試驗。

關鍵詞：全鋼載重子午線輪胎 結(jié)構設計 有限元分析 施工設計

Design of 355/50R22.5 Wide Base Low Profile All-steel Radial Truck Tire

Yao Bin

Abstract：The 355/50R22.5 wide-base and low-profile all-steel radial truck tire is mainly to open up the European market. After the completion of test demonstration and market testing in the later stage， it will be put into production in the European market with considerable economic benefits. The development and design of the 355/50R22.5 wide-base low-profile all-steel radial truck tire is mainly based on the preliminary design of the wide-base low-profile all-steel radial truck tire structure based on the European standard. According to different structural design schemes， the finite element analysis of the tire inflation profile and tire， the position of the shoulder and the bead force is determined by optimization to determine the final tire profile and frame material parameters. After the structural design is completed， the construction design of the tire developed in this project will be carried out. Finally， the finished product performance test of the tire mainly includes strength performance and durability performance test.

Key words：all-steel radial truck tire， structural design， finite element analysis， construction design

在目前的輪胎市場中，主要有斜交輪胎和子午線輪胎兩種主要的結(jié)構類型，與斜交胎相比，子午線輪胎具有較好的操作穩(wěn)定性、滾動阻力小、耐疲勞性能好以及高速性能好等一系列顯著的優(yōu)點，因此在許多應用領域，子午線輪胎都取得了非常明顯的市場優(yōu)勢。因未來的市場限高限載的趨勢，寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎越來越成為市場主流。為滿足市場需求，本論文設計開發(fā)的355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎，其帶束層均采用鋼絲簾線，主要用于載重及工程機械車輛上，在歐美國家市場銷量較大。

1 355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎設計技術要求

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎設計參考國標及國際標準，歐洲ETRTO、ISO的相關輪胎標準執(zhí)行，輪胎各項性能須符合國家標準GB/T 4502-2016測試，性能指標要求按照杭州朝陽橡膠有限公司企業(yè)標準QHZR A0512執(zhí)行，本企標高于歐共體ECE及美國交通運輸部DOT相關輪胎最新要求的標準，以保證產(chǎn)品穩(wěn)定及高的安全儲備，外緣尺寸符合企標、國標GB、ECE及FMVSS 相關標準。具體確定355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎的技術參數(shù)如下：

2 355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎開發(fā)設計

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎開發(fā)設計包括結(jié)構設計和施工設計，其中，結(jié)構設計是根據(jù)客戶需求及設計技術資料，確定355/50R22.5輪胎的技術性能，設計出符合性能要求的輪廓主要參數(shù)、胎面花紋，并由此得輪胎外輪廓總圖;施工設計是在結(jié)構設計基礎上，設計出輪胎生產(chǎn)制造的工藝核心方法。

2.1 結(jié)構設計

輪胎自然狀態(tài)下外緣尺寸與充氣后尺寸是有所區(qū)別，由于存在一定的膨脹率，輪胎充氣后一般其斷面輪廓會有一定的增大，即充氣后的外緣尺寸大于硫化模型中的外緣尺寸。本論文中的輪胎外輪廓尺寸設計，是基于充氣后外緣尺寸，及其他影響輪胎充氣膨脹率的因素而設計的。

2.1.1 外直徑D及斷面寬B設計

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)及選用骨架材料性能確定355/50R22.5輪胎的外直徑D及模型斷面寬B。輪胎采用寬鋼絲帶束層配合環(huán)形纏繞尼龍66，具有更好的高速穩(wěn)定性;高密度聚酯胎體設計，強化輪胎的剛度和性能;高硬度的三角膠設計，更好的轉(zhuǎn)向和操作應答性;六邊形鋼絲圈設計，改善均勻性和輪胎裝配。由于全鋼載重子午線輪胎其骨架材料的箍緊效果好，充氣后外直徑膨脹很小，根據(jù)以往規(guī)格相近產(chǎn)品的開發(fā)設計經(jīng)驗，取外直徑D為1073mm。

全鋼載重子午線輪胎斷面寬的選擇與其冠部變形有直接的關系，合理的斷面寬的選擇，將影響輪胎充氣后輪廓的變形，進而對輪胎的使用性能產(chǎn)生影響。因此，B值的選取應綜合考慮，當前斷面寬的選擇主要是根據(jù)設計經(jīng)驗，根據(jù)之前的設計經(jīng)驗，寬基底斷面輪胎尤其是55系列以下的輪胎，輪胎充氣后斷面寬會有所縮小，所以，考慮到充氣的斷面寬在標準范圍內(nèi)，本論文B值選擇390mm。

2.1.2 胎冠部位尺寸的確定

胎冠形狀由行駛面寬b和胎面弧度高h等主要參數(shù)決定，其設計較直接影響到輪胎的使用性能。另外，胎冠尺寸設計還影響到輪胎的接地壓力分布情況，因此，在綜合考慮輪胎的牽引性、耐磨性、轉(zhuǎn)向性和安全性的情況下，適當增大b，減小h。行駛面寬b 和胎面弧度高h應根據(jù)斷面B和寬斷面高H確定，b/B，h/H應控制在一個范圍。根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，h值比較合適的值為10mm左右，因為這個取值會是的輪胎充氣后的接地壓力分布結(jié)果比較理想，所有本次設計取10.5mm，行駛面寬度取為252mm。外直徑為900mm底斷面輪胎充氣并且二者確定相關。

基于以上考慮，要增加輪胎綜合性能，減小胎面應力集中，故設計取b為252mm、 h為10.5mm。

2.1.3 胎側(cè)部位尺寸的確定

輪胎負荷下法向變形最大的位置是斷面水平軸位于輪胎斷面最寬處，用H1/H2 表示。H1表示下胎側(cè)弧高度，H2表示上胎側(cè)弧高度，在實際設計過程中，H1/H2過大會引起斷面水平軸位置較高，則容易造成應力集中向輪胎肩部靠近，容易造成使用過程中的肩空或肩裂;H1/H2過小則會造成斷面水平軸位置較低從而靠近輪胎子口部位，應力集中偏向胎圈則易造成子口開裂。根據(jù)輪胎設計經(jīng)驗，H1/H2最佳取值范圍為 0.80-0.95。本論文設計H1取為 81.75mm，H2 取為 95.5mm，則 H1/H2為 0.856。H1和H2的值確定后，需要確定的值是輪胎胎側(cè)的上下兩端弧的半徑。考慮到寬基底斷面輪胎尤其是50系列的輪胎，由于輪胎斷面高度較小，有限元分析結(jié)果顯示，輪胎充氣后的輪廓有斷面寬變小的趨勢，則上下胎側(cè)弧度在允許的范圍內(nèi)盡量取值大些。本設計取值為R1為262mm，R2的值為80mm。

2.1.4 胎圈部位

胎圈部位主要通過標準輪輞曲線來設計，胎圈與輪輞要盡可能不發(fā)生相對移動，氣密性要好，同時它們的配合需要一定的過盈量，但是為了易于裝卸，過盈量又不能太大。本輪胎屬于無內(nèi)胎輪胎，因此胎圈和輪輞之間應采取過盈配合，以保證氣密性，本次設計d值取571.5mm。

根據(jù)子午線輪胎設計經(jīng)驗，并結(jié)合市場實際使用輪輞尺寸，為了便于輪胎充氣，著合寬度c的選取應比市場中實際使用的輪輞尺寸略大，因歐洲市場中355/50R22.5規(guī)格輪胎的使用輪輞尺寸為11.75寸，所有本論文設計選擇c值為312mm，雖為等寬設計，但比市場中實際使用輪輞寬度略大半寸。

2.1.5 花紋設計

355/50R22.5產(chǎn)品的設計主要是針對歐洲市場，歐洲市場對輪胎的滾動阻力要求較高，一般在沒有特殊要求（雪地輪胎）的情況下，花紋均設計成若干直花紋溝的花紋，并在花紋條上設計不同的淺溝槽進行裝飾，淺溝槽的實際在考慮美觀的前提下，要充分考慮降低噪音的要求。故采用條形花紋，可有效降低輪胎行駛過程中的滾動阻力和噪音。本論文設計355/50R22.5輪胎花紋溝深度為14 mm，花紋飽和度為76.9%，花紋飽和度高，可提升耐磨性能，但太高的話，影響胎冠不散熱，對輪胎的耐久性能不利。

2.1.6 有限元分析計算

本次的結(jié)構設計已經(jīng)是經(jīng)過優(yōu)選后的方案，對355/50R22.5輪胎結(jié)構進行ABAQUS有限元分析計算，對其應力-應變、接地壓力分布、溫度場以及作用在輪胎上的力和力矩等性能進行分析，優(yōu)化輪胎輪廓曲線，有效避免輪胎應力-應變的集中產(chǎn)生，保證各項功能優(yōu)異凸顯，充氣輪廓和設計輪廓對比如圖1所示。

圖1中，黑色線代表設計輪廓，紅色線代表充氣（氣壓為900Kpa）輪廓，從圖中可知，充氣后輪廓斷面寬變小，實際值為368.4mm，在標準范圍內(nèi)，且接地壓力印痕分布合理。

2.2 施工設計

施工設計是輪胎設集中非常重要的環(huán)節(jié)，直接關系到輪胎的充氣變形和使用情況，在進行施工設計之前，需先設計輪胎的材料分布圖，在設計材料分布圖之前，需先確定輪胎的內(nèi)輪廓曲線，根據(jù)輪胎的GUTT（輪胎充氣最小變形理論）設計輪胎的內(nèi)輪廓，進而設計輪胎的支配尺寸。

施工設計中帶束層的設計尤其是2#帶束層的設計寬度，是根據(jù)輪胎的花紋行駛面寬度來確定的，并同時確保2#帶束層外側(cè)端點到胎側(cè)的距離要超過20mm（設計經(jīng)驗），否則會容易出現(xiàn)因2#帶束層端點處往外延伸的肩裂損壞。

施工設計根據(jù)材料分布進行，在半制品的設計中，胎冠、胎側(cè)、三角、墊膠的設計比較復雜，因為材料分布圖中所顯示的尺寸是復合延展后的尺寸，需根據(jù)復合延展后的尺寸設計原有的尺寸，但最終的結(jié)果就是成品輪胎的材料分布是上圖所示的尺寸。

3 355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎成品性能

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎成品進行強度檢測與耐久性能試驗，依據(jù)Q/HCR A05202-001-2016標準，該試驗標準高于國標，室內(nèi)機床耐久試驗機器為德國進口機床設備，室內(nèi)檢測溫度控制在33.5℃—37.6℃之間，輪胎的檢測氣壓根據(jù)標準充900kpa氣壓，輪胎充氣后停放24小時候進行測試。輪胎的耐久測試試驗是破壞性試驗，即輪胎要跑壞為止，并記錄所用時間。經(jīng)試驗檢測，355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎達到了國家標準的要求，符合設計預期。

4 結(jié)語

355/50R22.5寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎充氣外緣符合設計要求，其強度性能、耐久性能達到相應的標準要求。該輪胎研發(fā)基本能滿足用戶的使用要求，投產(chǎn)后將打開歐洲市場，經(jīng)濟效益可觀。

基金項目：2020 年浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學院科研項目“355/50R22.5 寬基低斷面全鋼載重子午線輪胎的設計研發(fā)”（KY202017）

參考文獻：

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