295/80R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎胎圈結構的優化

段付楊，趙飛燕，王宗運，張 東，劉冬源

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著時代的發展，道路基礎設施越來越完善，高速公路和快速通道已成為重要的交通道路，同時道路限載管理越來越嚴格。為適應當前道路和車輛行駛的需要，輪胎市場管理日趨嚴格，無內胎輪胎逐漸成為中長途運輸車輛使用的主流產品。295/80R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎是當前國內外各主機廠主推車型的配套輪胎，其產品性能代表了輪胎企業的技術水平。

我公司生產的295/80R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎主要銷往國內和東南亞市場，應用范圍廣泛，但其在海外某些地區超載使用過程中出現了中期胎圈損壞現象，給客戶帶來一定的經濟損失，也給公司聲譽帶來不良影響。為此我們結合295/80R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎在國內外的使用情況，對其胎圈結構進行優化設計，通過成品輪胎胎圈耐久性試驗驗證，可提高輪胎的胎圈耐久性能，提升產品競爭力。

1 胎圈開裂形式

根據市場反饋和走訪調研發現，295/80R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎胎圈開裂的主要形式為胎圈脫層和胎圈防水線上方周向裂口，如圖1和2所示。通過對市場返回輪胎分析，發現其早期為損壞點胎圈內部骨架材料端點形成裂紋并逐步向輪胎外表面和內部延伸，導致骨架材料端點不斷屈撓變形[1]，引起胎圈部位生熱脫層，當裂紋生長到達輪胎外表面即形成胎圈開裂，向內則撕裂三角膠，導致輪胎損壞。

圖1 胎圈脫層

圖2 胎圈防水線上方周向裂口

2 胎圈開裂原因分析

2.1 胎圈結構設計不合理

全鋼載重子午線輪胎在胎圈部位始終存在應力集中點，通過對各材料端點分布和半成品形狀的調整能夠減小胎圈部位的應力集中，實現合理的應力梯度分布，降低骨架材料端點處的剪切應力。若胎圈結構設計不合理，骨架材料端點在一定范圍內拉壓應力變化大、剪切應力高、各端點間級差小或過渡不合理等都會加快胎圈部位端點裂口，進而引發脫層和胎圈開裂。另外，輪廓設計時輪胎斷面水平軸位置過低，輪胎在使用過程中最大變形區域接近胎圈，造成胎圈部位應力應變過大，從而引發胎圈部位損壞[2]。如果輪胎在超載或低氣壓條件下行駛，剪切應力和胎圈部位變形更大，將加速胎圈開裂的產生。

2.2 生產工藝過程異常

生產工藝過程的穩定性和一致性決定了輪胎的質量，生產工藝過程中造成成品輪胎胎圈缺陷的主要因素如下。

（1）胎圈部位三角膠、胎側部件間有雜物或表面噴霜，焦燒導致粘合性能下降，易在接頭處形成氣泡，以及胎體簾布層端點厚度過渡不合理，導致臺階大、易存氣，輪胎運行過程中出現胎圈脫層。

（2）鋼絲圈包布裁斷寬度和角度不準確導致胎圈圓周各位置受力不均勻。

（3）成型過程中由于定位方式設置不合理或定位燈標精度失效導致胎體簾布反包端點、鋼絲圈包布端點、耐磨膠端點以及加強層端點分布不滿足設計要求，導致胎圈部位應力集中，輪胎運行中產生裂紋逐漸演變成胎圈開裂[3]。

2.3 使用條件不規范

通過追溯異常胎圈損壞輪胎的實際使用條件，發現存在以下共性問題：輪胎充氣壓力過低、車輛超載以及使用非標準輪輞等，其均為胎圈開裂的主要原因。

3 胎圈結構優化方案

從胎圈實際損壞情況看，其主要的破壞點在胎體簾布反包端點和鋼絲圈包布外端點，因此為解決胎圈開裂問題，可從結構設計方面提出優化措施，如盡量提高胎圈剛性和承載力、減小骨架材料端點應力和應變集中、合理設計材料分布。通過對胎圈結構的優化設計可以改善胎圈部位受力狀況，減小應變，降低生熱，并使胎圈應力分布更合理[4-5]。

3.1 方案1

為提高胎圈剛性，可減小下胎側變形、增大胎體反包端點高度和鋼絲圈包布反包高度，優化胎圈結構設計，使耐磨膠端點、鋼絲圈包布外端點和胎體反包端點分布合理。

3.2 方案2

為降低胎圈部位應力集中，同時降低端點的軸向剪切力，減小胎圈剛性突變，使胎圈應力分布合理，在不改變胎體反包高度和鋼絲圈包布反包端點高度條件下可使用纖維包布加強胎圈結構，覆蓋胎體反包端點和鋼絲圈包布反包端點。

3.3 方案3

增大鋼絲圈包布寬度，合理調整胎體和鋼絲圈包布定位，使胎圈各端點剛性平緩過渡，從而優化胎圈結構設計。該方案既可提高胎圈剛性，減小胎圈形變，又能降低胎圈部位應力集中，同時減小骨架材料的軸向剪切力。

4 成品輪胎試驗

4.1 輪胎試制

根據公司現有工藝，采用以上3個方案試制295/80R22.5 18PR無內胎全鋼載重子午線輪胎。試制輪胎的材料分布基本達到設計要求。

4.2 成品試驗

4.2.1 試驗方法

利用胎圈耐久性試驗測試輪胎在超負荷狀態下的胎圈耐久性能。

試驗方法為：將輪胎胎面打磨至磨耗標志處，裝上試驗輪輞，充入標準氣壓，輪胎輪輞組合體在（30±3） ℃下至少停放3 h；將輪胎安裝在轉鼓試驗機上，運行速度為30 km·h-1，試驗負荷為單胎額定負荷（3 750 kg）的200%。試驗環境溫度為（30±3） ℃，轉鼓試驗機連續勻速運行，直至輪胎損壞為止。

4.2.2 試驗結果

采用胎圈結構優化方案的試驗輪胎與工廠生產輪胎的胎圈耐久性試驗結果如表1所示。

表1 各方案試驗輪胎與生產輪胎胎圈耐久性試驗結果

從表1可以看出，3個胎圈結構優化方案輪胎的胎圈耐久性能均優于生產輪胎，其中試驗輪胎方案3結果最優，方案2次之，且2種方案輪胎耐久性能均滿足企業標準要求（120 h），說明通過優化胎圈結構可以提高無內胎全鋼載重子午線輪胎胎圈的耐久性能。

5 結語

通過分析295/80R22.5無內胎全鋼載重子午線輪胎胎圈開裂的原因，提出改善胎圈耐久性能的優化方案，并進行了室內耐久性試驗驗證。結果表明，通過優化設計胎圈結構，使各部位材料分布更合理，可以提高其胎圈耐久性能和輪胎的綜合性能，降低了因胎圈開裂導致的理賠率，提升了客戶滿意度，同時可設計出滿足不同胎圈耐久性能需求的產品，以適應不同的市場。