295/60R22.5 DT966低斷面全鋼子午線輪胎的設(shè)計(jì)

劉 洋，李世軍，路 凱，張榮榮，李小龍

（寧夏神州輪胎有限公司，寧夏 石嘴山 753400）

低斷面全鋼子午線輪胎具有安全、節(jié)能和耐久等優(yōu)點(diǎn)，是世界輪胎發(fā)展的主流產(chǎn)品[1]。斷面高寬比越小，輪胎的側(cè)向剛性越大，滾動(dòng)阻力越小，耐磨性能也越好，且其優(yōu)異的高速穩(wěn)定性提升了制動(dòng)安全性，同時(shí)有利于延長輪胎使用壽命，因此，低斷面全鋼子午線輪胎得到迅速發(fā)展[2-6]。

低斷面全鋼子午線輪胎高寬比較小，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)難度較大，成品輪胎容易出現(xiàn)肩部溝底裂和胎里反弧問題。為滿足國內(nèi)外市場(chǎng)的需要，我公司相繼開發(fā)了一系列低斷面全鋼子午線輪胎產(chǎn)品，現(xiàn)將其中的295/60R22.5 DT966輪胎的設(shè)計(jì)情況簡介如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》、GB 9744—2015《載重汽車輪胎》和中國《輪胎輪輞氣門嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒2019》，確定295/60R22.5 DT966全鋼子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 9.00，充氣外直徑（D′）936.63～915.37 mm，充氣斷面寬（B′）293.68～290.32 mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa（單胎），標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 3 350 kg（單胎）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

我公司設(shè)計(jì)的全鋼子午線輪胎采用3層帶束層＋2層0°帶束層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)肩部的2層0°帶束層有較強(qiáng)的箍緊作用，充氣后肩部的外直徑變化非常小，因此胎冠外直徑也不會(huì)有很大變化，差值在0～3 mm。B根據(jù)胎體鋼絲簾線的伸張，帶束層鋼絲的結(jié)構(gòu)、角度、伸張及輪胎外輪廓參數(shù)而設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)D取920 mm，B取300 mm，輪胎充氣外直徑膨脹率（D′/D）為1.006 5，斷面寬膨脹率（B′/B）為0.989 8。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h對(duì)輪胎冠部接地印痕有很重要的影響。h過小會(huì)導(dǎo)致矩形率過大，接地印痕呈蝴蝶狀，輪胎使用過程中肩部受力相對(duì)過大，會(huì)出現(xiàn)早期肩空、肩部溝底裂等病象。相反，h過大會(huì)導(dǎo)致矩形率過小，輪胎使用過程中會(huì)出現(xiàn)早期磨損冠中及不耐磨的問題，導(dǎo)致輪胎早期損壞[7]。綜合考慮，本設(shè)計(jì)b取255 mm，h取7.5 mm，可以有效地平衡胎圈、胎冠和胎側(cè)部位的應(yīng)力分布，保證輪胎不出現(xiàn)早期病象，延長輪胎的使用壽命。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

為方便裝卸輪胎及保證輪胎與輪輞緊密配合，選取合適的胎圈過盈量非常重要，本設(shè)計(jì)d取569.5 mm（比標(biāo)準(zhǔn)輪輞直徑小2 mm），C取241.3 mm（比標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度大12.7 mm）。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎最大變形區(qū)在斷面水平軸位置，斷面水平軸上移易造成胎肩應(yīng)力過大，導(dǎo)致肩部溝底裂、肩空。斷面水平軸下移會(huì)造成胎圈應(yīng)力集中，易出現(xiàn)胎圈裂口和胎圈空等問題。本設(shè)計(jì)輪胎主要用于拖車輪位，且為標(biāo)載，H1和H2的取值一般比較接近，本設(shè)計(jì)H1取88 mm，H2取87 mm，H1/H2為1.011。輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 花紋設(shè)計(jì)

此規(guī)格是長途耐久型拖車輪胎，多在高速公路和省道使用，胎面花紋采用4條縱向主溝，肩部花紋溝寬度比主溝稍小、深度略小，以防止應(yīng)力集中而產(chǎn)生肩溝裂。為增大輪胎肩部剛性，提高耐磨性能，防止出現(xiàn)異常損壞，胎肩部位花紋采用閉合形式，肩下凹槽設(shè)計(jì)可以散熱且更美觀。縱向花紋塊采用鋼片槽設(shè)計(jì)，提高散熱性能、美觀度和排水性能。為減輕花紋溝底裂，取消花紋溝排石臺(tái)設(shè)計(jì)，適當(dāng)減小了花紋溝深度，增大了花紋溝底部圓弧倒角，花紋溝深度取17 mm，花紋飽和度為78%，花紋周節(jié)數(shù)為50。胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面和胎側(cè)

胎面生膠體系選用80份天然橡膠（NR），并用20份順丁橡膠（BR9000），以保證抗刺扎性能和耐磨性能，同時(shí)兼顧工藝性能。

炭黑N234耐磨性能比炭黑N220提高10%左右。綜合考慮，補(bǔ)強(qiáng)體系采用45～55份炭黑N234。另外，選用能夠降低膠料滯后損失的低比表面積白炭黑部分代替炭黑，既降低滾動(dòng)阻力，又保持較高防滑性能，且提高了抗撕裂性能。

胎面采用兩方三塊結(jié)構(gòu)，如圖3所示。胎面肩寬為230 mm，中厚為19 mm，肩厚為22 mm，胎面總寬為298 mm，用膠量為18.5 kg，機(jī)內(nèi)復(fù)合擠出。為達(dá)到降低生熱的效果，小肩墊基部膠使用低生熱配方，避免輪胎肩部出現(xiàn)早期問題。

圖3 胎面結(jié)構(gòu)示意

胎側(cè)膠要求既耐屈撓龜裂又耐老化。胎側(cè)生產(chǎn)方式為機(jī)內(nèi)復(fù)合，將填充膠復(fù)合在胎側(cè)膠和耐磨膠接頭處，以保護(hù)胎體鋼絲簾布和胎圈包布反包端點(diǎn)，將胎圈護(hù)膠復(fù)合在胎側(cè)膠下邊緣，以提高胎圈的耐磨性能和氣密性。胎側(cè)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 胎側(cè)結(jié)構(gòu)示意

3.2 胎體

胎體簾布是輪胎的主要骨架材料，起到支撐整個(gè)輪胎的作用，要求耐熱性好，而且抗剪切和耐屈撓。為提高輪胎的耐疲勞性能，需采用強(qiáng)度更高、直徑更小的鋼絲簾線。根據(jù)輪胎負(fù)荷要求，胎體采用3＋9×0.22＋0.15HT鋼絲簾線。在S型四輥壓延機(jī)上采用雙面覆膠形式，鋼絲簾布?jí)貉雍穸葹椋?.2±0.1）mm，密度為50根·dm-1。胎體安全倍數(shù)為7.83，滿足輪胎設(shè)計(jì)要求（≥6）。

3.3 帶束層

全鋼子午線輪胎充氣壓力產(chǎn)生應(yīng)力的60%～75%由冠部帶束層承受。為減小帶束層邊緣變形，提高胎肩部位的剛性，以減小因胎肩變形而造成的疲勞損壞和熱破壞，帶束層采用3層帶束層＋2層0°帶束層結(jié)構(gòu)。

帶束層角度的取值，既要考慮到帶束層對(duì)胎體的箍緊作用，又要便于成型貼合。1#帶束層既為工作層又為過渡層，角度在23°～27°范圍內(nèi)，其主要作用是減小呈90°周向排列的胎體簾線帶來的剪切力，角度過小，帶束層與胎體剪切力大，無過渡作用，角度過大又會(huì)增加操作難度。1#帶束層邊部貼合一層包邊膠片。2#帶束層是胎冠內(nèi)部受力最大的部位，角度為14°～18°，2#帶束層寬度根據(jù)b確定。輪胎的耐磨性能、操縱性能和節(jié)油性能等直接受帶束層剛性影響，2#帶束層采用貼合包邊膠片和背部邊緣貼合隔離膠片的形式，以防止邊緣剪切力過大而造成生熱過大。3#帶束層使用高伸長鋼絲簾線，角度為14°～18°，對(duì)工作層有保護(hù)作用，可防止胎面基部膠與帶束層之間脫開，減少冠部出現(xiàn)早期問題。3#帶束層寬度根據(jù)b確定，應(yīng)避免帶束層邊緣與肩部花紋溝位置重疊，減少應(yīng)力集中而產(chǎn)生的早期肩部溝底裂問題。1#—3#帶束層寬度分別為185，225，100 mm。2層0°帶束層寬度均為30 mm，主要起束縛肩部帶束層的作用，防止肩部變形過大而造成局部生熱過高。

根據(jù)帶束層強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)1#和2#帶束層采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線，3#帶束層采用5×0.35HT鋼絲簾線，0°帶束層采用3×7×0.20HE鋼絲簾線。帶束層安全倍數(shù)為6.12（≥5），滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 胎圈

胎圈是輪胎與輪輞接觸的部位，胎圈部位承受應(yīng)力較大。本設(shè)計(jì)鋼絲圈為斜六角形結(jié)構(gòu)，采用Φ1.65 mm鍍銅回火鋼絲，排列形式為8-9-10-9-8-7，共51根鋼絲，鋼絲圈安全倍數(shù)為9.46（≥5），滿足設(shè)計(jì)要求。

鋼絲圈內(nèi)直徑為572 mm，既能保證成型時(shí)胎圈不損傷簾布又能保證胎體鎖緊。鋼絲圈外部均勻纏繞一層錦綸6包布，以防止散絲，確保胎圈的強(qiáng)度和剛性達(dá)到要求。三角膠與鋼絲圈貼合要保證貼正，無氣泡。

3.5 成型

成型采用天津賽象科技股份有限公司生產(chǎn)的三鼓一次法膠囊鼓成型機(jī)，成型鼓直徑取528.5 mm，成型平面寬度取576 mm，以保證成品輪胎的簾線彎曲度。輥壓胎側(cè)時(shí)應(yīng)防止胎側(cè)下滑，以減少胎側(cè)裂口病象。

3.6 硫化

硫化采用1 612.9 mm（63.5英寸）雙模蒸鍋式硫化機(jī)，硫化步序包括：一次定型、內(nèi)壓循環(huán)、二次定型、二次水循環(huán)、0.5 MPa排、0 MPa排、抽真空等。硫化條件為：內(nèi)壓蒸汽壓力（1.2±0.2）MPa，溫 度（190±10）℃；二 次 水 壓 力（2.6±0.2）MPa，溫度（173±3）℃；外壓蒸汽壓力（0.4±0.05）MPa，溫度（151±2）℃；一次定型壓力（0.04±0.01）MPa，二次定型壓力（0.06±0.01）MPa；定型銅套高度 260 mm，定型高度 360 mm，合模力（3 000±200）kN；總硫化時(shí)間 47 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸和靜負(fù)荷性能

使用9.00標(biāo)準(zhǔn)輪輞，輪胎充氣壓力為900 kPa，測(cè)量的D′和B′分別為920和286 mm，符合設(shè)計(jì)要求，見表1。

表1 成品輪胎外緣尺寸和質(zhì)量

對(duì)新開發(fā)的295/60R22.5 DT966產(chǎn)品與市售對(duì)比品牌產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下進(jìn)行靜負(fù)荷試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 成品輪胎靜負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

4.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行成品輪胎強(qiáng)度性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 900 kPa，壓頭直徑 38 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，破壞能為3 626.4 J時(shí)輪胎冠部被壓穿，為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（2 203 J）的165%，輪胎強(qiáng)度性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 耐久性能

按照GB/T 4501—2016進(jìn)行輪胎耐久性試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 成品輪胎耐久性試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎耐久性試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間為65.37 h，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求（≥47 h）。

在相同標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，市售對(duì)比品牌1（CR966花紋）、對(duì)比品牌2（GSR225花紋）和對(duì)比品牌3（JF568花紋）的耐久性試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間分別為29.37，59.42和57.00 h。由此可見，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的耐久性能更好。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)295/60R22.5 DT966無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化和多輪試制，解決了肩空和肩裂等問題，輪胎各項(xiàng)性能均符合設(shè)計(jì)要求。市場(chǎng)使用反饋，輪胎的均勻性和耐磨性能良好，性價(jià)比高，為公司創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。