155R13LT半钢轻型载重子午线轮胎的设计

2023-02-08李仁国朱作勇于常远范学付

轮胎工业 2023年1期

赵龙，李仁国，朱作勇，于常远，范学付

（山东兴鸿源轮胎有限公司，山东临沂 276200）

随着国家乡村振兴战略的持续实施，城乡道路建设不断优化，促进了城乡物流等交通运输的蓬勃发展，对小型客货车辆的需求日益旺盛。同时市场对小规格半钢轻型载重轮胎的需求不断扩大，针对乡村路况及承载能力的特点，国内轮胎企业纷纷加强半钢轻型载重轮胎的研制与生产[1-2]。

为了适应市场需求，我公司开发了155R13LT半钢轻型载重子午线轮胎，现将其设计情况介绍如下。

1 技术要求

根据国家标准GB/T 2977—2016，确定155R13LT半钢轻型载重子午线轮胎的主要技术参数为：标准轮辋 4.50B，充气外直径（D′）578（571～585） mm，充气断面宽（B′） 157（151～165） mm，标准充气压力 450 kPa，负荷指数 90（单胎负荷 600 kg）/88（双胎负荷 560 kg），层级 8。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

子午线轮胎的D主要受带束层的紧箍束缚影响，D基本保持不变。结合我公司的轮胎结构特点，D取575.5 mm，外直径膨胀率（D′/D）为1.004 3。子午线轮胎充气后的B主要受轮胎的高宽比、胎体帘线的伸张率以及硫化后充气、胎圈着合宽度（C）等的影响，根据我公司以往的设计经验，B取154 mm，断面宽膨胀率（B′/B）为1.019 5。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h的取值应适当，h与b的比值应为0.04～0.06，此值对轮胎接地印痕的影响较大，从而影响轮胎的操控及耐磨性能。一般轮胎接地印痕应为近椭圆形。若h取值过小，轮胎接地印痕会形成反弧，在轮胎使用过程中会造成胎肩异常磨损；若h取值过大，轮胎接地印痕会形成凸椭圆形，在轮胎使用过程中会造成胎冠中心异常磨损。本设计b取110 mm，h取5.78 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和C

为确保轮胎与轮辋的顺利装配并保证其配合强度，防止漏气及脱圈风险，胎圈与轮辋采用过盈配合[3]。本设计d取328.2 mm。

为了保证轮胎充气时轮辋装配方便，C值应适当加大。本设计C值比轮辋宽度增大12.7 mm，C取127 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

断面水平轴位置的选取直接影响负荷下轮胎的应力分布。一般来说，若H1/H2减小，则在轮胎使用过程中胎圈部位受力增大；若H1/H2增大，则在轮胎使用过程中胎肩部位受力增大，因此在设计此值时可根据轮胎规格及使用条件适当选择。本设计H1取58 mm，H2取65.65 mm，则H1/H2为0.883 5。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

胎面采用3条曲折型主沟花纹设计，以保证抓着性能，纵沟中间花纹块配以细斜沟设计，以降低轮胎生热；内外侧肩部采用斜横沟与钢片结合设计，提高了轮胎的抗湿滑性能；沟底采用倒角处理，避免了轮胎行驶过程中因剪切应力集中而导致的沟裂；胎面花纹块锐角采用倒角处理，避免了轮胎行驶过程中的异常磨损。根据相关目标市场的轮胎使用情况，本设计花纹主沟深度取8.2 mm，花纹周节数为60，花纹饱和度为75.41%。本设计利用计算机仿真技术优化节距排列，降低了花纹振动噪声。胎面花纹展开如图2所示。

图2 胎面花纹展开示意

2.6 外观设计

为了增强轮胎的安全性和整体美感，胎面采用3条花纹主沟与横向沟槽相结合的形式，增强了安全稳定性；在胎侧肩部设置倒山峰造型交错排列，采用适当密度与角度的射线进行填充；胎侧字体中商标、花纹、规格采用120°等分排布，字型采用较粗犷风格，内部进行射线填充，整体效果简洁大方。另外肩部采用双防擦线设计，凸起高度为1 mm，可防止异物对轮胎的损伤，进而提高轮胎的行驶安全性。

轮胎外观如图3所示。

图3 轮胎外观示意

3 施工设计

3.1 胎面

胎面采用胎面胶、基部胶和翼胶的三方四块结构[4-6]。胎面胶采用低滚动阻力、高湿抓着性能、耐老化和耐磨性能良好的胶料配方；基部胶采用低生热胶料配方；翼胶要求与胎侧的过渡性良好，耐屈挠性能优异。胎面总宽度为150 mm，冠部宽度为105 mm，肩部和冠部的厚度分别为9和8 mm。

胎面横截面如图4所示。

图4 胎面横截面示意

3.2 带束层

根据轻型载重轮胎使用工况，为了满足胎冠部位的压穿强度要求，本设计选用2层带束层结构[7-9]，1#和2#带束层均采用2＋2×0.35HT钢丝帘线，每层带束层首尾采用对接方式，裁切角度为26°，安全倍数满足设计要求。采用1层0°冠带层结构、整层平铺的缠绕方式，采用1400dtex/2锦纶帘线，经线密度为100 根·dm-1，排布宽度为120 mm，总厚度为0.8 mm。

3.3 胎体和胎侧

胎体不但要承受内部充气的压力，还要保证胎侧部位的抗冲击性能。因此，胎体需要有足够的强度，以保证轮胎的行驶安全。本设计胎体采用2层1440dtex/2聚酯纤维帘线，裁切角度为90°，胎体安全倍数满足设计要求。

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胎侧由胎侧胶和胎圈胶组成，采用双复合挤出工艺，胎侧胶具有良好的耐疲劳和耐老化性能，胎圈胶采用高性能耐磨配方。

3.4 钢丝圈

钢丝圈选用Φ1.3 mm的高强度回火胎圈钢丝，覆胶后单丝直径为1.5 mm，胎圈周长为1 050 mm，钢丝圈的组合方式为3-4-5-4，共16根，呈六边形结构，缠绕直径为334.23 mm，钢丝圈安全倍数满足设计要求。

3.5 成型

采用二次法成型机成型，成型方式为冠包侧，采用两层反包形式，成型鼓宽度为281 mm，带束层贴合鼓周长为1 670 mm。各部件接头根据相应的角度错开分布，保证了接头压实且辊压平整[10]。

3.6 硫化

采用双模液压热板式硫化机硫化，硫化条件为：合模力 900 kN，预定型高度 224.5 mm，外蒸汽温度 183 ℃，内蒸汽温度 205 ℃，硫化内高压氮气压力 2.1 MPa，总硫化时间 13.5 min，充气时间 25 min。

4 成品轮胎性能

4.1 充气外缘尺寸

轮胎的充气外缘尺寸按照GB/T 521—2018进行测量。充气压力为450 kPa，环境温度为30 ℃。本设计D′为580 mm，B′为153 mm，符合国家标准要求。

4.2 强度性能

轮胎的强度性能按照GB/T 4501—2018进行测试，充气压力450 kPa，选用Φ19 mm压头。测量点第1—4点均未压穿或触辋，第5点破坏能达到775.8 J，触辋但未压穿，其值为国家标准值的150.93%，符合设计要求。

4.3 高速性能

轮胎的高速性能按照企业标准进行测试，试验条件及结果如表1所示。

从表1可以看出，轮胎最高行驶速度达到220 km·h-1，最高速度行驶时间为3 min，符合标准要求（≥160 km·h-1×30 min）。

表1 轮胎的高速性能试验条件及结果

4.4 耐久性能

轮胎的耐久性能按照企业标准进行测试，充气压力为450 kPa，试验负荷为600 kg。先以恒定速度120 km·h-1持续行驶至国家标准要求的34 h后，停机检测轮胎未损坏，然后每4 h负荷增大10%，直到轮胎损坏为止，最终轮胎累计行驶时间为76.25 h，累计行驶里程为10 794.3 km，超过国家标准要求。