11R22.5無內胎載重子午線輪胎的輕量化設計

王宗運，張國棟，姬凱奇，李家棋

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著輪胎在全球范圍內的高速發展，輪胎企業拓展海外業務以“精準研發”為重點，為客戶提供貼合市場的產品。隨著對高速條件下無內胎載重輪胎新的輕量化需求，各個輪胎廠家在原配輪胎市場上積極推廣使用輕量化產品。在優質高速道路和限載的情況下，與有內胎載重子午線輪胎相比，無內胎載重子午線輪胎在高速性能、長距離行駛、低滾動阻力等方面具有很大的優越性[1-2]。

為進一步提升輪胎產品質量、提高輪胎翻新次數，我公司對無內胎載重子午線輪胎進行輕量化設計。隨著大數據技術的普及和應用，可通過射頻識別系統芯片對輪胎進行全壽命周期管理，實時監控胎溫和胎壓，提示溫壓報警，及時發現問題，避免使用不當給客戶帶來經濟損失。現以11R22.5規格為例，介紹無內胎載重子午線輪胎的輕量化設計。

1 試制方案

在原子午線輪胎材料分布圖模型的基礎上，優化輪胎在胎冠區域的結構設計，改進帶束層寬度和胎肩墊膠形狀，優化胎冠部位的剛性，改善肩部散熱，提升產品耐久性能。

根據有限元模擬分析，改進輪胎肩部材料的分布，輪胎模具分型面端點到1#帶束層外端點的距離（L）需大于15 mm，以避免因帶束層肩部材料生熱高而造成的早期損壞，帶束層結構如圖1所示。

圖1 帶束層結構示意

根據市場對驅動輪與導向輪行駛面寬度要求的不同，為滿足車輛的行駛性能并考慮同一成型機量產的要求，調整1#帶束層與行駛面寬度的比值（R）及L，設計參數如表1所示。

表1 1#帶束層寬度設計

根據輪胎胎坯在硫化時1#和2#帶束層半部件膨脹后收縮比率不同以及帶束層端部差級確定2#帶束層的寬度。

根據花紋溝形式確定輪胎側部花紋溝位置，在保證1#，2#和0°帶束層端部差級的情況下，0°帶束層位置盡量避開花紋溝底，以避免因應力集中而造成的早期花紋溝底裂。

為提高胎肩的散熱效率，在模具肩部花紋塊上增加一個寬度為2 mm、深度為2.5 mm的散熱槽，同時減小胎肩的厚度。具體改進方案如下。

（1）減小胎肩厚度。在確保花紋溝底的基部膠厚度情況下減小胎肩厚度，以防止輪胎在行駛過程中出現早期花紋溝底裂等非正常的失效模式。改進前后的胎面如圖2所示。

圖2 胎面設計

（2）調整胎肩墊膠的尺寸。改進前胎肩墊膠需墊平2#帶束層的端點；改進后胎肩墊膠在使1#帶束層端點不上翹的情況下，需降低半成品部件的中心厚度。改進前后的胎肩墊膠如圖3所示。

圖3 胎肩墊膠設計

（3）調整三角膠的尺寸。由單膠改為復合三角膠，在減小胎圈部位膠料厚度的同時，緩沖對負重的屈撓應力及胎體簾線反包端點的應力集中。改進前后的三角膠如圖4所示。

圖4 三角膠設計

2 改進效果

改進前11R22.5無內胎載重子午線輪胎技術參數：層級 16，充氣壓力 830 kPa，負荷能力3 000 kg，試驗輪輞 8.25，外胎理論質量 55 kg。

表2示出了半成品部件改進前后的質量對比。從表2可以看出，改進后半成品質量降低，并且成品輪胎總質量減小了1.43 kg。

表2 半成品部件改進前后的質量 kg

改進前后輪胎材料分布對比如圖5所示。從圖5可以看出，改進前后輪胎胎肩厚度減小，胎冠剛性增加，胎圈部位的材料分布得到改進，性能有所提升[3-5]。

圖5 輪胎材料分布對比

根據改進方案進行樣品試制，通過半成品部件掃描設備嚴格控制半成品部件尺寸，設定新的成型輥壓程序，進行外觀與X光檢驗。抽取1條合格成品輪胎，根據GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行室內強度性能試驗。試驗結果表明，成品輪胎強度性能達到國家標準要求。

輪胎耐久性試驗條件見表3。改進前輪胎平均累計行駛時間為68 h，試驗結束時胎肩部位損壞，損壞形式均為熱損壞。改進后2條成品輪胎耐久性試驗的累計行駛時間分別為79和83 h，損壞部位均為胎肩，損壞形式均為熱損壞，排除試制過程的波動影響，改進后輪胎耐久性能比改進前有較大提高。

表3 輪胎耐久性試驗條件

輪胎高速性能試驗條件見表4。改進前輪胎平均累計行駛時間為35 h，處于速度為100 km·h-1階段，試驗結束時胎肩部位損壞，損壞形式為胎肩開裂。改進后2條輪胎高速性能試驗累計行駛時間分別為48和50 h，處于速度為105 km·h-1階段，損壞部位均為胎肩，且均為熱損壞，排除試制過程的波動影響，改進后輪胎高速性能比改進前有較大提高。

表4 輪胎高速性能試驗條件

3 結論

借助有限元分析手段對輪胎結構材料分布模型進行改進，優化半成品部件的設計，嚴格控制工藝過程，使輪胎結構更加合理。在保證輪胎安全性的前提下，減小了輪胎自身質量，改善了輪胎胎肩部位散熱能力，提高其高速和耐久性能，輪胎的使用壽命延長，終端客戶滿意度提升，同時滿足主機廠對產品輕量化的需求。