12.00R24全新混合型全钢载重子午线轮胎的设计

韩 菁，于国鸿，曲家玉，李晓林，任世夺，吕 伟，王 雪

[1.浦林成山（山东）轮胎有限公司，山东 荣成 264300；2.浦林成山（青岛）工业研究设计有限公司，山东 青岛 266000]

随着轮胎工业的快速发展，我国轮胎行业面临严峻的市场挑战，轮胎产品更新的步伐越来越快，产品细分、紧跟市场迫在眉睫。针对市场的特殊需求，开发适销对路的产品是占有市场的关键；中东地区石油资源十分丰富，在汽车销量日趋增长的形势下，整个中东地区轮胎市场被看好。中东地区属于沙漠热带气候，常年气温较高，路面温度可达70 ℃，因此所使用的轮胎要耐高温且不易老化。轮胎设计一方面要满足市场需求，另一方面也要适当降低成本，使其在性价比上具有一定竞争优势。鉴于此，我公司开发出12.00R24全新混合型全钢载重子午线轮胎。现将轮胎设计情况介绍如下。

1 技术要求

根据GB/T 2977—2016《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》和GB 9744—2015《载重汽车轮胎》，确定12.00R24全新混合型全钢载重子午线轮胎的技术参数为：标准轮辋 8.50，充气外直径（D′）1 226（1 208～1 245）mm，充气断面宽（B′） 315（302～328）mm，单胎标准充气压力 900 kPa，单胎标准负荷 4 500 kg。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

在设计规范内，相较于模型宽度和高度的取值，成品轮胎充气后可能增大，也可能减小，实际使用时必须保证充气后轮胎的尺寸控制在标准范围之内；全钢载重子午线轮胎的骨架材料均为钢丝帘线，伸张、变形率较小，轮胎的外直径膨胀率（D′/D）很小，参考轮胎设计经验及三维有限元分析结果，本次设计D取1 216 mm，B取310 mm，D′/D为1.004，断面宽度膨胀率（B′/B）为1.009 6。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h是决定胎冠形状的主要参数，对轮胎的耐磨性能、牵引性能、抓着性能和滚动阻力有直接影响，中东市场轮胎的使用环境温度较高，因此设计时应尽可能减少因轮胎形变而产生的热量。b应根据B确定，b/B应控制在一定范围内，b过大，胎肩厚度增大，生热增加，散热困难，易造成胎肩早期损坏；b过小，胎面接地面积减小，单位压力增大，易造成轮胎早期磨损。一般情况下，b以不超过胎侧下弧度曲线与轮辋点的间距为准。h一般根据轮胎的断面高（H）来决定，用h/H控制，h过大即胎冠曲率过大，胎面接地面积减小，耐磨性能变差；h过小，耐磨性能和抓着性能提高，但肩部会变厚，影响散热。普通花纹的轮胎一般要求b/B为0.75～0.80，同时b/B小则h/H取值宜小，b/B大则h/H取值宜大。结合中东市场环境及客户要求，参考三维有限元分析结果及设计经验，本次设计b取240 mm，h取7 mm，b/B为0.774，h/H为0.023。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

根据GB/T 31961—2015《载货汽车和客车轮辋规格系列》，保证轮胎抓着强度，胎圈与轮辋采用过盈配合，结合我公司609.6 mm（24英寸）圈口的设计经验，本次设计d取613.5 mm，C较轮辋宽度增大14 mm（约1/2英寸），C取230 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

断面水平轴位于轮胎断面最宽处，是轮胎在负荷下法向变形最大的位置。全钢子午线轮胎一般采用单钢丝圈和1层胎体结构，H1/H2过大，应力和应变会集中在胎肩部位，易造成肩空或肩裂；H1/H2过小，易出现圈空、圈裂、胎侧折断等，根据设计经验，本次设计H1/H2取1.08，轮胎断面轮廓如图1所示。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎冠弧高和半径

胎冠弧高直接影响轮胎胎面的耐磨性能，胎冠弧半径影响轮胎的接地印痕，设计时针对不同胎冠弧高、胎冠弧半径下的花纹进行力学三维有限元模拟分析，综合考虑模拟情况及实际需求等，确定最优设计方案为：胎冠弧高 7 mm，胎冠弧半径 870 mm。

2.6 胎面花纹

花纹设计应考虑车型、轮位和使用环境情况。本设计轮胎主要出口中东地区，用于卡车、油罐车、工程自卸车，为长途专用全轮位产品。因此选择折线型花纹设计（见图2），花纹深度为15 mm，花纹周节数为63，花纹饱和度为76.8%。三道折线型花纹沟设计提供优异的抗湿滑性能和防偏磨能力；合理的花纹条块比例有助于降低生热；宽大肩部花纹条设计提高肩部刚性，防止轮胎偏磨；独特的胎肩凹槽设计（见图3）使轮胎散热性能更好；封闭胎肩设计可防止轮胎异常磨损。

图2 折线型花纹设计

图3 胎肩凹槽设计

3 配方设计

胎面胶采用针对中东市场轮胎专用胎面胶配方，具体组分和用量为：天然橡胶 85，顺丁橡胶15，炭黑N234 48，白炭黑 15，氧化锌 3，硬脂酸 2，硫黄 1.6，促进剂 1.1，其他 15。

胶料采用2段混炼工艺，门尼焦烧时间（127℃）为31.28 min，硫化特性（150 ℃）为：FL11.01 dN·m，Fmax46.71 dN·m，t107.08 min，t9014.65 min。胎面胶的加工性能良好。

胎面胶的物理性能见表1。从表1可以看出，胎面胶具有较好的物理性能。

表1 胎面胶的物理性能

4 施工设计

4.1 胎面

胎面采用胎冠胶和基部胶两方两块结构，采用双复合挤出机挤出，胎面总宽度为284 mm，胎肩厚度为22 mm，中间厚度为15.5 mm。为提高轮胎行驶里程，胎冠胶采用高耐磨、抗撕裂胶料配方，基部胶采用低生热胶料配方，降低肩部生热，延长轮胎使用寿命。胎面结构如图4所示。

图4 胎面结构示意

4.2 胎体

胎体钢丝帘线主要承受轮胎内部气体的压力，为轮胎提供支撑，需要有足够的强度和弹性，承受强烈的震动和冲击以及在行驶过程中作用于外胎的径向、侧向、周向力所引起的多次变形，保障轮胎使用安全性。

本次设计胎体采用3×0.24/9×0.225紧密型高强度CCHT钢丝帘线，安全倍数为9.85，满足设计要求。

4.3 带束层

带束层是轮胎的主要受力部件，既要承受轮胎内部的压力，又要抵抗外部的冲击力和应力，因此带束层材料的选择至关重要。根据以往同类型产品的设计经验并结合实际使用情况，本设计采用4层带束层结构，其中1#，2#，3#带束层采用0.37＋6×0.32ST超高强度钢丝帘线，4#带束层采用5×0.35HI高抗冲击钢丝帘线，安全倍数为8.5，1#—4#带束层角度分别为50°，18°，18°和18°。

4.4 钢丝圈

钢丝圈采用直径为1.83 mm的胎圈钢丝，总根数为51，排列方式为6-7-8-9-8-7-6，胎圈直径为630 mm，计算安全倍数大于11.02，符合设计要求。

4.5 成型

成型采用胶囊三鼓一次法成型机，机头直径为590 mm，机头宽度为652 mm。

4.6 硫化

硫化采用1 651 mm（65英寸）热板充氮全自动液压硫化机，外购12.00R24轮胎专用硫化胶囊，硫化胶囊的径向伸张为1.22，断面伸张为1.14，伸张值满足企业标准要求。

硫化工艺为：内温（210±2）℃，饱和蒸汽压力（1.78±0.1）MPa，氮气内压 ≥2.7 MPa，上、下热板温度（151±2）℃，模套温度（145±2）℃，硫化模式 充氮变温硫化，总硫化时间 55 min。

5 成品性能

5.1 外缘尺寸

在标准气压下安装在标准轮辋上的成品轮胎按照GB/T 4501—2016进行外缘尺寸测量，测得D′为1 221 mm，B′为313 mm，符合设计要求。

5.2 强度性能

根据GB/T 4501—2016及企业标准，在充气压力为900 kPa、压头直径为38 mm的条件下进行轮胎强度性能试验，测得轮胎压穿点破坏能为5 765.7 J，为国家标准规定值的188.01%，说明强度性能优良，符合国家标准要求。

5.3 耐久性能

根据GB/T 4501—2016及企业标准进行轮胎耐久性测试，结果如表2所示。

从表2可以看出，轮胎累计行驶时间为110.53h（国家标准为47 h），轮胎损坏形式为胎冠脱层，轮胎耐久性能优良，符合国家标准要求。

表2 轮胎耐久性试验结果

5.4 高速性能

根据企业标准进行轮胎高速性能试验，结果如表3所示。

从表3可以看出，轮胎累计行驶时间为150 min（企业标准为90 min），试验结束时行驶速度为140 km·h-1，轮胎损坏形式为胎冠脱层，耐久性能优良，符合企业标准要求。

表3 轮胎高速性能试验结果

6 结语

12.00 R24全新混合型全钢载重子午线轮胎的外缘尺寸、强度性能、耐久性能和高速性能均符合国家或企业标准要求。轮胎的花纹独特，生热低，耐磨性能好，行驶里程长，深受中东地区客户认可，对我公司进军中东市场具有战略性意义，也为我公司创造了较好的经济效益和社会效益。