锦纶胎圈包布增强结构13R22.5全钢载重子午线轮胎的设计

韩 菁，李晓林，于国鸿

[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]

随着国内超限超载治理力度加大，工程载重车辆的载质量整体减小，因各区域供需关系、地形地势等差异，现阶段各区域工程车辆的车型、载质量及使用轮胎规格都有所不同。工程车辆载重轮胎向无内胎方向转变，标载车辆用轮胎向12R22.5规格转化；重载车辆用轮胎向13R22.5规格转化。工程车辆载重轮胎市场13R22.5规格正逐步普及，东北地区重载市场90%以上的工程车辆将原配轮胎由12.00R20规格更换为13R22.5规格。

重载市场轮胎主要病象为肩空和胎圈脱空，我公司轮胎产品耐磨性能优异，但承载能力不足，因此加强胎圈部位设计、提升轮胎整体承载能力迫在眉睫。为了抢占重载轮胎市场，提高产品的市场占有率，我公司开发了采用双层锦纶包布增强胎圈设计的全钢载重子午线轮胎，现将产品的设计情况介绍如下。

1 技术要求

按照GB 9744—2015《载重汽车轮胎》及

GB/T 2977—2016《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》，制定轮胎技术参数如下：标准轮辋9.75，充气外直径（D′） 1 124（1 107～1 140）mm，充气断面宽（B′） 320（307～332） mm，标准充气压力 900 kPa，标准负荷 4 000 kg。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

全钢载重子午线轮胎以钢丝帘线为骨架材料，轮胎充气后外直径膨胀很小[1-2]，根据我公司相似规格轮胎外直径和断面宽膨胀率，本设计D取1 132 mm，B取314 mm，计算外直径膨胀率（D′/D）为1.001 9，断面宽膨胀率（B′/B）为1.023 6。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

耐磨性能是轮胎的重要性能指标之一，实际使用中轮胎会出现胎肩畸磨、偏磨等病象，为了减少这类病象的发生，减小轮胎胎肩部位的应力集中，b的设计需要考虑多方面因素，以达到轮胎各项性能最佳，b应与胎圈着合宽度（C）接近，本次设计b取242 mm。

h取值应该考虑宽断面轮胎的变形，在轮胎充气状态下，胎冠中部常有起鼓现象，而实际行驶中轮胎接地又会出现胎冠中部内鼓现象，胎冠中部变形大易出现冠空现象，合理的h值可以抵消一部分胎冠变形，本次设计h取6.2 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和C

相比有内胎轮胎，无内胎轮胎的胎圈气密性要求更高，除胶料配方调整外，轮胎的气密性主要靠胎圈与轮辋的过盈配合来实现，因此，d取值非常关键。结合我公司同尺寸轮胎胎圈的设计经验，本次设计d取571 mm，标准轮辋宽度为247.65 mm，C取值采用比轮辋宽度增大12.7 mm（0.5英寸）设计，取值为260.4 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

断面水平轴位置是轮胎法向变形最大处，对全钢子午线轮胎整体性能影响很大，H1/H2取值一般为1.0～1.2。H1/H2取值偏大，断面水平轴位置偏上，采用三维力学分析，胎肩部位的受力增大，从而影响胎肩部位性能；H1/H2取值偏小，断面水平轴位置偏下，同样分析，胎圈部位的受力会增大，从而造成胎圈部位应力集中，易出现胎圈脱空、裂口等问题，本次设计规格为标准断面产品，为使轮胎变形最大处在胎侧最薄位置，本次设计H1/H2取1.000，轮胎断面轮廓如图1所示。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 仿真分析

采用不同设计参数D、B、胎冠弧半径（Rn）、h以及H1/H2进行轮胎接地印痕、接地压力、胎肩耐久性能和胎圈耐久性能仿真分析[3]，各方案参数如表1所示。

表1 各方案轮胎参数设计

2.5.1 轮胎接地印痕

不同方案轮胎接地印痕仿真结果见图2。

由图2分析可以得出，方案3轮胎接地印痕的矩形率最大，胎冠表面整体受力较均匀。

图2 不同方案轮胎接地印痕仿真结果

2.5.2 轮胎胎肩耐久性能

不同方案轮胎胎肩耐久性能仿真结果见图3。以胎肩层间剪应变LE13来表征胎肩耐久性能，其值越小，耐久性能越好。方案1—8轮胎胎肩层间剪应变仿真幅值分别为0.043，0.041，0.039，0.045，0.042，0.054，0.046和0.044，可见方案3轮胎的胎肩层间剪应变幅值最小，即其2#带束层端点受力最小，最不易损坏，性能较好。

图3 不同方案轮胎胎肩耐久性能仿真结果

以胎圈应变能密度来表征胎圈耐久性能，其值越小，胎圈耐久性能越好。各方案轮胎胎圈耐久性能仿真结果见表2。由表2可见，从胎圈部位反包端点和加强层端点应变能密度来看，方案3轮胎综合受力均匀性最佳，应力集中点应力最小，胎圈耐久性能最优。

表2 不同方案轮胎胎圈应变能密度仿真结果mJ·mm-3

综合考虑轮胎力学有限元模拟结果及实际需求，确定方案3为最佳设计方案。

2.6 胎面花纹

13R22.5轮胎用于工程自卸车，路况大部分为铺装路，部分为不良路面，因此胎面采用横沟为主的块状花纹，采用等节距设计，花纹深度为19 mm，花纹饱和度为67%，花纹周节数为50。花纹设计对轮胎的耐磨性能有着至关重要的影响，本次设计的T206＋花纹，通过对花纹细节的特殊处理加之超宽的行驶面，为轮胎提供了优良的耐磨性能和驱动性能。胎面花纹展开见图4。

图4 胎面花纹展开示意

3 施工设计

3.1 胎面

胎面采用三复合结构，包括冠部胶、基部胶和过渡层胶，冠部胶采用耐磨、抗切割及抗刺扎性能优异的胶料，基部胶采用低生热胶料，过渡层胶采用粘合性能优良的胶料，从而赋予轮胎长里程、突出的抗刺扎、抗爆性能。胎面总宽度为293 mm，胎肩厚度为26 mm，中部厚度为24 mm，胎面半成品冠部宽度与成品行驶面宽度的比值为0.89，肩部厚度为胎冠中部厚度的1.09倍。

3.2 胎体

胎体主要为轮胎提供支撑，胎体安全倍数决定了轮胎的安全性能，13R22.5轮胎主要应用于重载市场，对其负荷能力有更高的要求。综上考虑，胎体采用3＋9＋15×0.225HT钢丝帘线，采用双面覆胶S型四辊压延机（意大利鲁道夫公司产品）进行压延，压延帘布厚度为（2.9±0.1） mm，胎体安全倍数为15.10，保证了胎体强度。

3.3 带束层

带束层又称支撑层、硬缓冲层或稳定层，是沿胎面中心线圆周方向箍紧胎体的材料层，除了起到箍紧胎体的作用外，还起到缓和冲击的作用[4-6]。对于子午线轮胎，带束层还是主要受力部件，其刚性对轮胎的使用性能有很大影响。轮胎的刚性大，可以防止胎体帘线在胎面冠部伸张，从而满足均匀磨耗、行驶平稳的性能要求。因此带束层应采用高强力、高模量和小角度排列的帘线作为增强材料，同时覆以高定伸应力、高硬度胶料。本设计带束层采用3层带束层加0°冠带层结构，1#和2#带束层为工作层，采用3＋9＋15×0.22＋0.15HT钢丝帘线，帘线角度分别为24°和15°；3#带束层是保护层，采用高抗冲击型5×0.35HI钢丝帘线，帘线角度为15°；0°带束层采用3×7×0.20HE钢丝帘线，带束层的安全倍数为12.25，满足使用需求。

3.4 胎圈

3.4.1 锦纶胎圈包布

采用锦纶胎圈包布增强设计，以保护胎体和加强层外端点，增强胎圈部位强度，提升轮胎安全性能和使用性能，锦纶胎圈包布设计如图5所示。

图5 锦纶胎圈包布设计

3.4.2 钢丝圈

为提高胎圈的安全性能，减少钢丝圈接头对轮胎均匀性的影响，钢丝圈采用排压法、六工位钢丝缠绕生产线单根缠绕法生产，采用Φ1.65 mm电镀低锡青铜回火胎圈钢丝按8-9-10-11-12-11-10-9方式排列，共80根，钢丝圈直径为575.5 mm。三角胶采用自动热贴，保证胎圈底部与轮辋接触良好。按骨架材料安全倍数方式计算，钢丝圈的安全倍数大于13.15，大幅度超出设计要求。

3.5 成型

在三鼓成型机上采用一次法胶囊成型，机头直径为460 mm，机头宽度为850 mm。

3.6 硫化

采用1 651 mm（65英寸）液压式硫化机胶囊硫化，采用充氮硫化的“保压变温”工艺，硫化工艺条件如下：饱和蒸汽压力 （1.8±0.1） MPa，氮气内压 ≥2.7 MPa，上热板温度 （1 471±2） ℃，下热板温度 （151±2） ℃，模套温度 （145±2） ℃，总硫化时间 56 min。

4 成品轮胎性能

4.1 外缘尺寸

在标准充气压力下，安装在标准轮辋上的成品轮胎D′和B′分别为1 131和322 mm，满足标准要求。

4.2 强度

按照GB/T 4501—2016及企业标准进行轮胎强度性能测试，试验充气压力为900 kPa，压头直径为38 mm。成品轮胎强度性能测试破坏能为4 782.8 J，为国家标准值的200.8%，符合设计要求。

4.3 耐久性能

轮胎耐久性能按照GB/T 4501—2008及企业标准进行测试，结果见表3。

表3 成品轮胎室内耐久性测试结果

由表3可见，成品轮胎耐久性试验累计行驶时间为85.23 h，试验结束时轮胎状况为胎冠快速失压，成品轮胎耐久性能良好，满足国家标准（≥47 h）要求。

5 结语

设计的13R22.5工程机械专用全钢载重子午线轮胎外观花纹美观，轮胎各项性能优良，满足国家标准和欧盟标准的要求，达到了预期效果。目前该轮胎已在国内批量使用，成为我公司国内重载市场的有力竞品，为公司创造了较好的经济效益和社会效益。