295/60R22.5 DT966低断面全钢子午线轮胎的设计

2021-07-19李世军张荣荣李小龙

橡胶科技 2021年2期

刘洋，李世军，路凯，张荣荣，李小龙

（宁夏神州轮胎有限公司，宁夏石嘴山 753400）

低断面全钢子午线轮胎具有安全、节能和耐久等优点，是世界轮胎发展的主流产品[1]。断面高宽比越小，轮胎的侧向刚性越大，滚动阻力越小，耐磨性能也越好，且其优异的高速稳定性提升了制动安全性，同时有利于延长轮胎使用寿命，因此，低断面全钢子午线轮胎得到迅速发展[2-6]。

低断面全钢子午线轮胎高宽比较小，设计和生产难度较大，成品轮胎容易出现肩部沟底裂和胎里反弧问题。为满足国内外市场的需要，我公司相继开发了一系列低断面全钢子午线轮胎产品，现将其中的295/60R22.5 DT966轮胎的设计情况简介如下。

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》、GB 9744—2015《载重汽车轮胎》和中国《轮胎轮辋气门嘴标准年鉴2019》，确定295/60R22.5 DT966全钢子午线轮胎的技术参数为：标准轮辋 9.00，充气外直径（D′）936.63～915.37 mm，充气断面宽（B′）293.68～290.32 mm，标准充气压力 900 kPa（单胎），标准负荷 3 350 kg（单胎）。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

我公司设计的全钢子午线轮胎采用3层带束层＋2层0°带束层结构。该结构肩部的2层0°带束层有较强的箍紧作用，充气后肩部的外直径变化非常小，因此胎冠外直径也不会有很大变化，差值在0～3 mm。B根据胎体钢丝帘线的伸张，带束层钢丝的结构、角度、伸张及轮胎外轮廓参数而设计。根据设计经验，本设计D取920 mm，B取300 mm，轮胎充气外直径膨胀率（D′/D）为1.006 5，断面宽膨胀率（B′/B）为0.989 8。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h对轮胎冠部接地印痕有很重要的影响。h过小会导致矩形率过大，接地印痕呈蝴蝶状，轮胎使用过程中肩部受力相对过大，会出现早期肩空、肩部沟底裂等病象。相反，h过大会导致矩形率过小，轮胎使用过程中会出现早期磨损冠中及不耐磨的问题，导致轮胎早期损坏[7]。综合考虑，本设计b取255 mm，h取7.5 mm，可以有效地平衡胎圈、胎冠和胎侧部位的应力分布，保证轮胎不出现早期病象，延长轮胎的使用寿命。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

为方便装卸轮胎及保证轮胎与轮辋紧密配合，选取合适的胎圈过盈量非常重要，本设计d取569.5 mm（比标准轮辋直径小2 mm），C取241.3 mm（比标准轮辋宽度大12.7 mm）。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

轮胎最大变形区在断面水平轴位置，断面水平轴上移易造成胎肩应力过大，导致肩部沟底裂、肩空。断面水平轴下移会造成胎圈应力集中，易出现胎圈裂口和胎圈空等问题。本设计轮胎主要用于拖车轮位，且为标载，H1和H2的取值一般比较接近，本设计H1取88 mm，H2取87 mm，H1/H2为1.011。轮胎断面轮廓如图1所示。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 花纹设计

此规格是长途耐久型拖车轮胎，多在高速公路和省道使用，胎面花纹采用4条纵向主沟，肩部花纹沟宽度比主沟稍小、深度略小，以防止应力集中而产生肩沟裂。为增大轮胎肩部刚性，提高耐磨性能，防止出现异常损坏，胎肩部位花纹采用闭合形式，肩下凹槽设计可以散热且更美观。纵向花纹块采用钢片槽设计，提高散热性能、美观度和排水性能。为减轻花纹沟底裂，取消花纹沟排石台设计，适当减小了花纹沟深度，增大了花纹沟底部圆弧倒角，花纹沟深度取17 mm，花纹饱和度为78%，花纹周节数为50。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

3.1 胎面和胎侧

胎面生胶体系选用80份天然橡胶（NR），并用20份顺丁橡胶（BR9000），以保证抗刺扎性能和耐磨性能，同时兼顾工艺性能。

炭黑N234耐磨性能比炭黑N220提高10%左右。综合考虑，补强体系采用45～55份炭黑N234。另外，选用能够降低胶料滞后损失的低比表面积白炭黑部分代替炭黑，既降低滚动阻力，又保持较高防滑性能，且提高了抗撕裂性能。

胎面采用两方三块结构，如图3所示。胎面肩宽为230 mm，中厚为19 mm，肩厚为22 mm，胎面总宽为298 mm，用胶量为18.5 kg，机内复合挤出。为达到降低生热的效果，小肩垫基部胶使用低生热配方，避免轮胎肩部出现早期问题。

图3 胎面结构示意

胎侧胶要求既耐屈挠龟裂又耐老化。胎侧生产方式为机内复合，将填充胶复合在胎侧胶和耐磨胶接头处，以保护胎体钢丝帘布和胎圈包布反包端点，将胎圈护胶复合在胎侧胶下边缘，以提高胎圈的耐磨性能和气密性。胎侧结构如图4所示。

图4 胎侧结构示意

3.2 胎体

胎体帘布是轮胎的主要骨架材料，起到支撑整个轮胎的作用，要求耐热性好，而且抗剪切和耐屈挠。为提高轮胎的耐疲劳性能，需采用强度更高、直径更小的钢丝帘线。根据轮胎负荷要求，胎体采用3＋9×0.22＋0.15HT钢丝帘线。在S型四辊压延机上采用双面覆胶形式，钢丝帘布压延厚度为（2.2±0.1）mm，密度为50根·dm-1。胎体安全倍数为7.83，满足轮胎设计要求（≥6）。

3.3 带束层

全钢子午线轮胎充气压力产生应力的60%～75%由冠部带束层承受。为减小带束层边缘变形，提高胎肩部位的刚性，以减小因胎肩变形而造成的疲劳损坏和热破坏，带束层采用3层带束层＋2层0°带束层结构。

带束层角度的取值，既要考虑到带束层对胎体的箍紧作用，又要便于成型贴合。1#带束层既为工作层又为过渡层，角度在23°～27°范围内，其主要作用是减小呈90°周向排列的胎体帘线带来的剪切力，角度过小，带束层与胎体剪切力大，无过渡作用，角度过大又会增加操作难度。1#带束层边部贴合一层包边胶片。2#带束层是胎冠内部受力最大的部位，角度为14°～18°，2#带束层宽度根据b确定。轮胎的耐磨性能、操纵性能和节油性能等直接受带束层刚性影响，2#带束层采用贴合包边胶片和背部边缘贴合隔离胶片的形式，以防止边缘剪切力过大而造成生热过大。3#带束层使用高伸长钢丝帘线，角度为14°～18°，对工作层有保护作用，可防止胎面基部胶与带束层之间脱开，减少冠部出现早期问题。3#带束层宽度根据b确定，应避免带束层边缘与肩部花纹沟位置重叠，减少应力集中而产生的早期肩部沟底裂问题。1#—3#带束层宽度分别为185，225，100 mm。2层0°带束层宽度均为30 mm，主要起束缚肩部带束层的作用，防止肩部变形过大而造成局部生热过高。

根据带束层强度的设计要求，本设计1#和2#带束层采用3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线，3#带束层采用5×0.35HT钢丝帘线，0°带束层采用3×7×0.20HE钢丝帘线。带束层安全倍数为6.12（≥5），满足设计要求。

3.4 胎圈

胎圈是轮胎与轮辋接触的部位，胎圈部位承受应力较大。本设计钢丝圈为斜六角形结构，采用Φ1.65 mm镀铜回火钢丝，排列形式为8-9-10-9-8-7，共51根钢丝，钢丝圈安全倍数为9.46（≥5），满足设计要求。

钢丝圈内直径为572 mm，既能保证成型时胎圈不损伤帘布又能保证胎体锁紧。钢丝圈外部均匀缠绕一层锦纶6包布，以防止散丝，确保胎圈的强度和刚性达到要求。三角胶与钢丝圈贴合要保证贴正，无气泡。

3.5 成型

成型采用天津赛象科技股份有限公司生产的三鼓一次法胶囊鼓成型机，成型鼓直径取528.5 mm，成型平面宽度取576 mm，以保证成品轮胎的帘线弯曲度。辊压胎侧时应防止胎侧下滑，以减少胎侧裂口病象。

3.6 硫化

硫化采用1 612.9 mm（63.5英寸）双模蒸锅式硫化机，硫化步序包括：一次定型、内压循环、二次定型、二次水循环、0.5 MPa排、0 MPa排、抽真空等。硫化条件为：内压蒸汽压力（1.2±0.2）MPa，温度（190±10）℃；二次水压力（2.6±0.2）MPa，温度（173±3）℃；外压蒸汽压力（0.4±0.05）MPa，温度（151±2）℃；一次定型压力（0.04±0.01）MPa，二次定型压力（0.06±0.01）MPa；定型铜套高度 260 mm，定型高度 360 mm，合模力（3 000±200）kN；总硫化时间 47 min。