LT265/75R16 123/120Q 10PR越野子午线轮胎的设计

2017-07-22马新军

轮胎工业 2017年8期

马新军

（1.青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛 266042；2.赛轮金宇集团股份有限公司，山东青岛 266500）

随着人们生活水平的提高和生活方式的改变，越来越多的消费者喜欢去野外旅行，适应复杂路面的越野轮胎需求量不断增大。为丰富产品种类，提高产品的市场占有率，我公司特意开发LT265/75R16 123/120Q 10PR越野子午线轮胎，取得了良好的效益。现将产品的设计情况介绍如下。

1 技术要求

根据美国TRA 2012标准，LT265/75R16 123/120Q 10PR越野子午线轮胎的技术参数为：测量轮辋宽度 190.5 mm（7.5英寸），允许使用轮辋 7J，7 1/2J，8J，充气外直径（D′） 810（797.8～822.1） mm，充气断面宽（B′） 267（256.3～275.0） mm，标准充气压力 550 kPa，负荷能力 1 550（单胎）/1 400（双胎并装） kg。

2 结构设计

外轮廓设计对轮胎性能的影响至关重要，合理的轮廓设计可使应力分布更均匀，延长轮胎的使用寿命。采用我公司基于国外先进的设计理念自行开发的轮廓参数化设计软件进行轮廓参数的优选，使轮胎在充气负荷状态下具有良好的应力分布，从而提高轮胎的牵引性能、行驶安全性能及操控稳定性能。

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

子午线轮胎冠部有周向不易伸张的钢丝带束层及周向缠绕的锦纶冠带条紧箍，其充气后外直径膨胀很小。由于轻型载重轮胎充气压力比轿车轮胎高，轮胎充气后外直径一般膨胀2～4 mm，因此D取值一般稍小于D′。本次设计D取807 mm，外直径膨胀率（D′/D）为1.003 7。

充气后断面宽的影响因素较多，主要有胎体帘线种类、高宽比、带束层对轮胎外径箍紧程度和施工设计等。根据以往设计经验，胎圈着合宽度（C）每增大12.7 mm（0.5英寸），B随之增大5 mm，而本次设计C增大25.4 mm（1英寸），则B相应增大10 mm，B取264 mm，断面宽膨胀率[B′/（B－10）]为1.051。

2.2 行驶面宽度（b）和弧高度（h）

b和h的取值对轮胎接地印痕影响很大，从而影响轮胎的耐磨性能、牵引性能及行驶稳定性能。一般b/B取0.7～0.85，考虑到越野轮胎对地面的抓着力及复杂路面的适应性，b/B取0.803，即b取212 mm。

为保证轮胎在各种路面上的通过性能，冠部采用二段弧设计，h取11.5 mm，h/H（断面高）取0.057。

2.3 胎圈着合直径（d）和C

d的选取应考虑轮胎在行驶过程中不会出现胎圈与轮辋间产生滑移以及漏气现象，胎圈与轮辋间应采用过盈配合，同时亦需考虑轮胎装卸方便的需求。本次设计轮辋直径为405.6 mm，d比标定轮辋直径小1.2 mm，为404.4 mm。

为改善轮胎在充气负荷下胎圈部位的应力，提高胎圈部位的支撑性能及装配性能，C一般取值比轮辋宽度大12.7～25.4 mm（0.5～1英寸），本次设计C比标准轮辋宽度大25.4 mm，即C取216 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

越野子午线轮胎最宽点位置比较高，以期使轮胎的变形落在断面水平轴以上、带束层端点以下的上胎侧区域内，减小下胎侧区域内的应力和胎圈承受的应力。由于子午线轮胎胎体帘线呈径向排列，其胎圈承受的应力比斜交轮胎大，因此H1/H2取值应大一些，以减小胎圈受力，但考虑到越野轮胎承载负荷较大，承载后断面水平轴下移，因此H1可适当增大，本次设计H1/H2取0.993。

轮胎断面轮廓如图1所示。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

胎面花纹采用泥石等复杂路面专用花纹，同时运用我公司的噪声仿真软件，对花纹块分布和节距排列等进行仿真模拟，在保证其他性能不降低的前提下，选取噪声最优方案，经成品轮胎测试，达到欧洲牵引型第2阶段噪声标准要求。花纹深度为15.3 mm，花纹饱和度为50.3%，花纹周节数为20。胎面主要特点如下：

（1）开放式胎肩花纹沟，有效清除石子、淤泥及杂物，提高轮胎自洁性能；

（2）肩下采用阶梯设计，提高泥地、沙地等复杂路面的侧面牵引力；

（3）花纹块无死角交错咬合，提升牵引性能和攀爬能力；

（4）仿鲨鱼牙齿沟槽，可牢牢咬住路面，提高牵引性能；

（5）加长的胎肩，采用3维多层设计，层层减弱外界的撞击，有效避免胎体损坏，同时提供侧向牵引力。

胎面花纹展开如图2所示。

图2 胎面花纹展开示意

3 施工设计

结构施工采用有限元应力优化设计，通过计算机模拟，计算最佳半成品材质及尺寸，以实现在轮胎生产制造初期的材料分布适应轮胎在实际使用中的受力最佳为目的。图3示出了轮胎材料分布，图4示出了轮胎受力变形及应力分布。

3.1 胎面

胎面采用传统结构，分为胎面胶、基部胶和两块胎翼胶。胎面中间厚度为10.5 mm，肩部厚度为14.3 mm，肩部宽度为212 mm，总宽度为300 mm。

图3 轮胎材料分布

图4 轮胎受力变形及应力分布

3.2 带束层

带束层结构对轮胎高速性能和使用性能影响很大。本次设计带束层由2层2+2×0.35HT钢丝帘布组成，角度交叉排列，承担胎冠70%的冲击力。钢丝带束层上缠绕1层930dtex/2锦纶66浸胶帘布冠带条，以减小轮胎在高速行驶下的离心力，从而减小带束层变形和剪切力，提高轮胎的高速性能和耐久性能。

一般带束层宽度与行驶面宽度的比值取0.95～1.05，本次设计的轮胎属越野轮胎，为保证冠部压力分布均匀，该比值确定为1.06。此外，带束层伸张比影响成品轮胎的角度，由于该规格轮胎使用活络模硫化，带束层伸张比取1.035。

3.3 胎体

轮胎耐疲劳性能着重表现在胎体耐疲劳方面，特别是耐屈挠疲劳方面，为此胎体帘线必须具有很好的耐屈挠、耐疲劳应力的特性，因此选取的胎体帘线结构尤为重要。一般轻型载重子午线轮胎胎体材料可选择聚酯和改性锦纶等，本次设计选用1440dtex/2聚酯帘线，具有模量高、收缩率低、生热低的特点，不仅可以减小轮胎变形，而且可以提高子午线轮胎的耐疲劳性能和高速性能，降低轮胎行驶过程中的生热，从而延长轮胎的使用寿命。

越野轮胎因需应对野外复杂的使用环境，胎体需较高的强度，以提升抗撞击和抗刺扎等性能，因此本次设计采用3层胎体，以保证野外行驶的安全性。胎体帘布宽度设计需保证胎体帘布反包端点避开胎侧屈挠区，且与三角胶端点保持约20 mm的级差。

3.4 胎圈

胎圈钢丝选用Φ1.3 mm回火钢丝，覆胶后单丝直径为1.6 mm。采用单丝缠绕的六角形钢丝圈，排列方式为4-5-6-5-4，安全倍数大于8。较大尺寸轮胎采用六角形钢丝圈，可以提高轮胎在使用过程中胎圈部位的稳定性，保证胎圈底部接触面与轮辋曲线良好的配合。

3.5 成型

成型选用二次法成型机，采用冠包侧生产工艺。成型机头宽度与帘线假定伸张值有关，假定伸张值选取取决于胎体帘线物理性能及压延工艺，本次设计帘线假定伸张值取1.035，一段机头宽度取513 mm。

3.6 硫化

采用B型硫化机硫化，氮气硫化工艺。硫化条件为：外温 176～180 ℃，内温 200～209 ℃，内压 2.2～2.6 MPa，总硫化时间 30 min。采用氮气硫化，可提高生产效率，而且节能环保，符合低碳的发展趋势。为防止轮胎在使用后期胎体变形，并提高耐久性能、行驶稳定性及操控性能，该系列产品采用硫化后充气工艺。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

轮胎外缘尺寸按照GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》测量。结果表明，安装于标准轮辋上的成品轮胎在标准充气压力下充气外直径和充气断面宽分别为805和267 mm，满足设计要求。

4.2 强度性能

轮胎强度性能按照GB/T 4501—2008《载重汽车轮胎性能室内试验方法》测试。试验条件为：压头直径 32 mm，充气压力 550 kPa。试验结果表明，结束点破坏能为2 112.8 J，是国家标准值的217.3%，试验结束时压头触及轮辋但未穿，强度性能满足国家标准要求。

4.3 耐久性能

轮胎耐久性能按照GB/T 4501—2008测试。试验条件为：试验速度 120 km·h-1，在完成国家标准规定的常规耐久及低气压耐久试验后，增加0.5 h的低气压试验，然后按每4 h试验负荷递增10%继续进行试验。试验结果表明，轮胎累计行驶时间为48 h，试验结束时负荷率为130%，轮胎未损坏，耐久性能满足国家标准要求。

4.4 高速性能

轮胎高速性能按照GB/T 4501—2008测试。试验条件为：试验负荷 1 395 kg，充气压力 550 kPa，初始速度 140 km·h-1，在完成国家标准规定试验时间后，按每10 min速度递增10 km·h-1继续进行试验。试验结果表明，轮胎累计行驶时间为90 min，试验结束时行驶速度为200 km·h-1，轮胎未损坏，高速性能满足国家标准要求。