295/60R22.5 HF81低扁平比全钢载重子午线轮胎的设计

牛 飞，邱新新，胡 源，马鹏之，晋 琦，高 明

（1.华勤橡胶工业集团，山东 济宁 272100；2.山东华勤橡胶科技有限公司，山东 济宁 272100；3.济宁齐鲁检测技术有限公司，山东 济宁 272000；4.通力轮胎有限公司，山东 济宁 272100）

随着国家对道路交通安全关注度的提高、相关法规的发布实施以及经济的快速发展，能有效增大装货体积的低平板半挂车被市场广泛接受，其采用的低扁平比轮胎的市场份额不断增大。我公司为完善产品系列，提升产品竞争力，以及进一步开拓国内市场，完成了295/60R22.5 HF81规格低扁平比全钢载重子午线轮胎的开发，现将具体情况进行介绍[1-5]。

1 产品定位与技术要求

产品的目标销售区域为国内替换轮胎市场，用于标载长途运输用低平板半挂车的拖车轮位，依据GB/T 2977—2016，确定295/60R22.5 HF81轮胎的技术参数为：标准轮辋 9.00×22.5，充气外直径（D′） 921 mm，充气断面宽（B′） 286 mm，层级 18，标准充气压力 900 kPa，标准负荷 3 350（单胎）/3 075（双胎） kg，速度级别 L。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

由于低扁平比全钢载重子午线轮胎带束层刚性比普通轮胎大，充气前后轮胎外直径变化较小，D′与D相比通常膨胀1～3 mm，本次D′取标准中值，设计D取919 mm。

考虑到低扁平比轮胎的接地印痕较普通轮胎更容易表现为反弧形，通过提高轮胎实际的扁平比可以避免出现这种接地印痕，因此B′取下限，本设计B取290 mm。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h是胎面冠部轮廓设计的主要参数，对决定轮胎磨耗均匀程度的接地印痕形状有着重要的影响，本设计产品优先考虑耐磨性能，接地印痕形状的设计目标为矩形。一般断面越低的轮胎系列，b和h越大。考虑到同时减小h和胎面肩部厚度可以得到矩形的接地印痕，从而提高轮胎的耐磨性能，降低胎肩部位温度，并降低肩空发生比例，本设计b取245 mm，h取7.5 mm，胎肩部位与冠中厚度比取1.09。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

胎圈与轮辋一般采用过盈设计。若d值偏小，会导致装胎困难，容易损伤胎圈；若d值太大，钢丝圈无法起到箍紧固定的作用，轮胎与轮辋不能紧密结合，容易产生相对滑移，严重时会导致轮胎脱圈，造成严重的安全事故[6]。结合以往设计经验，本次设计d取570.5 mm。

为保证无内胎轮胎充气的便利性，C采取比轮辋宽半寸设计，取241 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，对轮胎肩部性能和承载能力有着重要影响。考虑到该产品主要用于标载运输车辆，优先考虑肩部性能，采用非平衡轮廓理论进行水平轴计算，H1/H2取1.05。

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

该规格轮胎主要面对国内市场，用于拖车轮位，行驶路况以高速公路居多，故采用4条纵向曲折沟花纹；采用变节距设计，以减小噪声，设计花纹深度为14.5 mm，周节数为73，花纹饱和度为79.2%，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

胎面采用胎面胶、基部胶和过渡层胶复合设计。胎面胶采用高耐磨配方，保证轮胎的耐磨性能；考虑到降低胎肩生热可以有效降低轮胎肩空发生比例，因此基部胶采用低生热配方，以降低胎肩部位温度，提升胎肩部位性能；过渡层胶采用粘合性能优异的配方，避免出现猫眼气泡等工艺问题。胎面结构如图3所示。

图3 胎面结构示意

3.2 带束层和胎体

带束层承担子午线轮胎由充气产生的60%～75%的应力，并且带束层的刚性影响接地印痕的长度，进而影响轮胎的耐磨性能。而低扁平比轮胎充气后，带束层帘线的张力较普通轮胎大。通过综合评估胎冠的拉伸刚度、弯曲刚度和剪切刚度并结合公司现有工艺条件，本设计轮胎胎体采用4层带束层结构，其中1#带束层为缓冲层，采用0.37＋6×0.32ST钢丝帘线，帘线密度为40根·dm-1，裁断角度为52°；2#和3#带束层为工作层，采用4＋6×0.32ST钢丝帘线，帘线密度为48根·dm-1，裁断角度均为20°；4#带束层为保护层，采用5×0.35HI高伸长钢丝帘线，裁断角度为20°，帘线密度为40根·dm-1，起缓冲、过渡和保护的 作用。

本设计轮胎胎体采用具有较高强度、良好柔软性和耐屈挠性能的3×0.24＋9×0.225ST超高强度钢丝帘线。

为保证轮胎的使用安全，骨架材料的强度必须满足一定要求，基于非平衡轮廓中的压力分担率理论进行安全倍数计算。通过计算，胎体的安全倍数为11.1，带束层的安全倍数为7.71，符合设计要求。

3.3 钢丝圈

钢丝圈采用Ф1.55 mm高强度胎圈钢丝，呈15°斜六角形排列，排列方式为9-10-11-11-10-9，共60根，通过计算，钢丝圈的安全倍数达到8.41，符合设计要求。

3.4 有限元优化

根据以上基本设计，完成材料分布图，利用有限元仿真分析对施工设计方案进行优化[7-10]，结果如图4所示。

图4 不同施工设计方案轮胎接地印痕仿真结果

以胎肩部位接地长度与胎冠中部接地长度的比值作为评价指标，同时考虑到该产品用于拖车轮位，轮胎实际负荷较低，经综合评估，选择方案3进行产品开发。

3.5 成型及硫化

采用VMI四鼓一次法成型机成型，成型工艺质量稳定；采用热板式硫化机硫化，硫化条件为：外部蒸汽压力 （0.26±0.03） MPa，外部温度 （145±2） ℃，过热水压力 （2.6±0.1） MPa，内部压力 （0.8±0.05） MPa，总硫化时间 55 min。

4 成品轮胎性能

4.1 静态性能

将外检合格的成品轮胎安装在测量轮辋上，在标准充气压力下，分别按照GB/T 521—2003和GB/T 4051—2016进行外缘尺寸和强度性能测试，轮胎的D′和B′分别为921和286 mm，轮胎最小破坏能为7 745 J，满足法规要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 4501—2016进行耐久性能测试，行驶47 h后，每10 h负荷增大10%直至轮胎损坏，本设计成品轮胎及B品牌和C品牌竞品轮胎的耐久性能累计行驶时间分别为82，59和78 h。结果表明，本设计成品轮胎室内耐久性能优于竞品轮胎，从而验证了产品设计思路正确，即降低胎肩部位厚度与冠中厚度的比值可以提高胎肩的耐久 性能。

4.3 胎圈耐久性能

按照企业标准，将轮胎打磨除去花纹，进行胎圈耐久性能试验，试验条件为：充气压力 1 100 kPa，负荷 6 750 kg，速度 50 km·h-1，本设计成品轮胎及B品牌和C品牌竞品轮胎的累计行驶时间分别为118，42和60 h。结果表明，本设计成品轮胎的胎圈耐久性能满足60 h的企业标准要求，且优于竞品轮胎。

4.4 接地印痕

按照企业标准进行接地印痕测试，试验条件为：充气压力 900 kPa，试验负荷 3 350 kg。轮胎接地印痕测试结果如图5所示。

图5 轮胎接地印痕测试结果

从图5可以看出，本设计成品轮胎的接地印痕呈矩形，与仿真接地印痕一致，压力分布较均匀，印证了减小胎肩部位厚度和弧度高可以得到矩形的接地印痕的设计思路。

5 结论

295/60R22.5 HF81低扁平比全钢载重子午线轮胎的成功开发，证明采用较小的行驶面弧度高和减小胎肩部位厚度的设计思路是正确的，在提高胎肩耐久性能的同时获得了矩形接地印痕。本设计成品轮胎各项性能均满足设计要求，各花纹块磨耗均匀。产品投入市场两年来性能优异，理赔率低，深受用户欢迎，为公司带来了可观的经济效益和社会效益。