低肩冠比12R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎的開發(fā)

徐 欽，張 穎

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和公共交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的巨大投入，帶動(dòng)了輪胎制造業(yè)的繁榮。輪胎產(chǎn)量的增大也帶來了環(huán)境保護(hù)壓力以及資源有效利用等多方面的問題[1-3]。隨著我國(guó)“力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”目標(biāo)的不斷推進(jìn)，合理高效的資源利用對(duì)生產(chǎn)制造企業(yè)的重要性越來越突出，綠色環(huán)保型輪胎成為輪胎企業(yè)開發(fā)與制造的重點(diǎn)產(chǎn)品[4-7]。12R22.5輪胎作為我公司產(chǎn)量很大的產(chǎn)品，推進(jìn)其綠色環(huán)保品種的開發(fā)尤為重要。

較低肩冠比（胎肩厚度與胎冠中部厚度之比）無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎的開發(fā)是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就注重輪胎的肩冠比，通過減小肩冠比，實(shí)現(xiàn)輪胎的輕量化設(shè)計(jì)[8-10]。國(guó)內(nèi)主流輪胎廠的輪胎肩冠比范圍為1.4～1.6，米其林、普利司通和固特異等外資品牌的輪胎肩冠比范圍為1.3～1.5。外資品牌的輪胎整體肩冠比設(shè)計(jì)較國(guó)內(nèi)品牌的輪胎更有競(jìng)爭(zhēng)力。

本工作基于我公司預(yù)應(yīng)變輪廓理論（Prestrain contour theory，PSCT）技術(shù)系統(tǒng)，通過調(diào)整輪胎肩冠比開發(fā)更小質(zhì)量、更低滾動(dòng)阻力的12R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 輪胎有限元模型

根據(jù)輪胎不同部位的性能差異，在有限元模型中定義不同的材料屬性，采用三維實(shí)體單元模擬輪胎各部位材料。在骨架材料端部和胎圈等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易損壞的部位，加大網(wǎng)格劃分密度。考慮輪胎充氣壓力、負(fù)荷等情況，輪胎與輪輞和路面接觸的部分設(shè)為接觸單元。輪胎胎圈部位與輪輞接觸，受到輪輞與鋼絲圈的約束。12R22.5輪胎有限元模型如圖1所示。

圖1 12R22.5輪胎有限元模型

1.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

12R22.5輪胎主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)有行駛面寬度（a）、胎冠弧高度（b）、胎肩厚度（c）、胎冠中部厚度（d），如圖2所示。

圖2 12R22.5輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)示意

1.3 優(yōu)化模型建立

本工作的重點(diǎn)是通過肩冠比的優(yōu)化，達(dá)到輪胎輪廓材料成本與輪胎耐磨性能的平衡。本研究涉及的部分?jǐn)?shù)學(xué)模型在此處統(tǒng)一規(guī)定，肩冠比（V）的定義如下：

引用Archard提出的輪胎磨耗模型，計(jì)算公式如下：

式中，q為磨耗量，k為磨耗因數(shù)，P為輪胎接地法向壓力，A為輪胎接地面積，γ為輪胎接地面的滑移率，H為材料硬度。

根據(jù)磨耗模型可以得出，輪胎磨耗量與輪胎接地壓力成正比。根據(jù)無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎的輪廓設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，肩冠比越大則輪胎接地壓力越小，耐磨性能越佳，但是肩冠比越大，輪胎設(shè)計(jì)成本也越高，因此結(jié)合公司實(shí)際需求提出下述3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：（1）輪胎肩冠比最小化；（2）輪胎接地面積最大化；（3）輪胎磨耗量最小化。

1.4 PSCT技術(shù)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選

通過我公司PCST技術(shù)系統(tǒng)，結(jié)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)有限元仿真分析軟件（TYSYS4.0），對(duì)自變量a，b和V進(jìn)行有限元分析，結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)肩冠比減小至1.25時(shí)，有限元模擬的輪胎耐磨性能較好，設(shè)計(jì)材料成本的經(jīng)濟(jì)收益率較大。

表1 不同肩冠比的輪胎接地性能與成本分析數(shù)據(jù)

2 成品輪胎性能

將設(shè)計(jì)的1.25肩冠比12R22.5無內(nèi)胎全鋼載重子午線輪胎進(jìn)行成品輪胎生產(chǎn)，并進(jìn)行室內(nèi)性能測(cè)試。

2.1 外緣尺寸

按照GB/T 2977—2016，使用228.6 mm×571.5 mm（9.00英寸×22.5英寸）標(biāo)準(zhǔn)輪輞，在930 kPa標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下測(cè)量輪胎外緣尺寸，輪胎充氣外直徑和充氣斷面寬符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足公司新產(chǎn)品投產(chǎn)要求。

2.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 6327—1996要求進(jìn)行壓穿強(qiáng)度性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 930 kPa，壓頭直徑 38 mm。結(jié)果表明，輪胎試驗(yàn)破壞能為3 304.5 J，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)未壓穿，試驗(yàn)破壞能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（2 203 J）的150%，強(qiáng)度性能滿足設(shè)計(jì)和投產(chǎn)要求。

2.3 耐久性能

按照全鋼子午線輪胎性能測(cè)試企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q/HCR A05202-001—2020）進(jìn)行輪胎耐久性能測(cè)試，轉(zhuǎn)鼓直徑為（1 700±17） mm，試驗(yàn)充氣壓力為單胎最大充氣壓力，轉(zhuǎn)鼓速度為65 km·h-1，具體測(cè)試條件見表2。

表2 輪胎耐久性能測(cè)試條件

輪胎耐久性能測(cè)試?yán)塾?jì)行駛時(shí)間為127.62 h，損壞形式為肩部裂開，達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（≥97 h），耐久性能優(yōu)異。

2.4 高速性能

按照全鋼子午線輪胎性能測(cè)試企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q/HCR A05202-001—2020）進(jìn)行輪胎高速性能測(cè)試，充氣壓力為930 kPa，額定負(fù)荷為3 550 kg。成品輪胎最高行駛速度達(dá)到160 km·h-1，超過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)L速度級(jí)別要求（120 km·h-1），滿足設(shè)計(jì)和投產(chǎn)要求。

2.5 滾動(dòng)阻力

按照ISO 28580—2018進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)小于5.5 N·kN-1，滿足配套主機(jī)廠要求。

2.6 靜態(tài)接地壓力分布

按照GB/T 22038—2018進(jìn)行輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗(yàn)，并使用Tekscan軟件進(jìn)行輪胎靜態(tài)接地壓力分布測(cè)試和分析。共加工2個(gè)不同肩冠比方案輪胎輪廓模型（方案1和2的肩冠比分別為1.29和1.25），對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行量化指標(biāo)的檢驗(yàn)和論證，兩個(gè)方案輪胎輪廓模型的接地印痕如圖3所示，接地壓力分布對(duì)比分析如表3所示。

表3 兩個(gè)方案輪胎接地印痕數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖3 兩個(gè)方案輪胎接地印痕對(duì)比

由圖3和表3可見：與方案2輪胎相比，方案1輪胎的接地印痕矩形因數(shù)更大，同時(shí)錐形因數(shù)更小，可以有效降低輪胎出現(xiàn)偏磨的風(fēng)險(xiǎn)；方案1輪胎輪廓模型的接地面積更大。由此可得方案1輪胎的耐磨性能更優(yōu)異。

2.7 經(jīng)濟(jì)效益

12R22.5低肩冠比輪胎開發(fā)完成后，達(dá)到綠色環(huán)保輪胎的先進(jìn)水平，將會(huì)提升公司的輪胎市場(chǎng)占有率。新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)單胎質(zhì)量減小約3%，即減小2 kg，節(jié)約原材料成本約10元·kg-1，實(shí)現(xiàn)單胎材料成本降低約20元。輪胎肩部厚度減小3 mm，可以縮短硫化時(shí)間3 min（蒸汽價(jià)格約0.2元·kg-1），按照年產(chǎn)20萬條輪胎計(jì)算，預(yù)計(jì)每年節(jié)約原材料成本400萬元，節(jié)約蒸汽能耗成本80萬元，同時(shí)可以提高硫化生產(chǎn)效率8%，全年可縮短硫化時(shí)間10 000 h。該輪胎的開發(fā)對(duì)我公司經(jīng)濟(jì)效益貢獻(xiàn)顯著，達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)效益，產(chǎn)品一經(jīng)問世，市場(chǎng)反饋良好，需求量逐步提升，工廠生產(chǎn)排產(chǎn)、生產(chǎn)工藝過程控制、成品合格率均超過公司平均水平。

3 結(jié)論

肩冠比的設(shè)計(jì)主要影響輪胎的接地性能和材料成本，通過規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，并采用有限元模擬的分析工具，可以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和產(chǎn)品開發(fā)效率。本工作開發(fā)的12R22.5輪胎是我公司設(shè)計(jì)的肩冠比、材料成本都最低的一款產(chǎn)品，成品輪胎的充氣外緣尺寸和強(qiáng)度性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，耐久性能和高速性能滿足設(shè)計(jì)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，接地性能和滾動(dòng)阻力性能較原產(chǎn)品更優(yōu)秀。該產(chǎn)品自2020年3月份投放市場(chǎng)，累計(jì)產(chǎn)量超過70萬條，售后理賠輪胎比例小于12R22.5規(guī)格輪胎平均值，用戶口碑良好。

該產(chǎn)品既能滿足企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的要求，又能滿足綠色環(huán)保輪胎節(jié)能減排的要求，同時(shí)提高了公司輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的含金量與競(jìng)爭(zhēng)力。