385/65R22.5 24PR宽基全钢载重子午线轮胎的设计

王秀梅，宫金荣，张 红，张永光，赵 菲

（青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

随着市场对轮胎安全和环保要求的提高，宽基载重子午线轮胎（简称宽基轮胎）替代双轮胎并用成为轮胎行业的发展趋势，特别是在俄罗斯、中东、韩国等市场的应用越来越多。宽基轮胎可以提高车辆行驶安全可靠性，同时减少轮辋装卸，降低运营成本，减轻汽车整体质量、节省燃料[1-4]。为满足运输行业对高负荷宽基专用轮胎的需求，我公司对国内外市场在用的385/65R22.5规格层级进行统计分析，国内车辆使用的385/65R22.5规格轮胎为20PR、单胎负荷为4 500 kg，而国外市场一些车辆要求385/65R22.5规格轮胎为24PR、单胎负荷达到5 000 kg。针对不断增加的高层级、高负荷轮胎的市场需求，结合公司载重轮胎及专业轮胎开发技术，成功开发了承载能力强、耐久性能优异的385/65R22.5 24PR宽基全钢载重子午线轮胎，现将其设计情况简介如下。

1 技术参数

GB/T 2977—2016《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压、负荷》中，385/65R22.5规格轮胎的最高层级为20PR，单胎标准负荷为4 500 kg，标准充气压力为900 kPa；国外市场需求的385/65R22.5规格轮胎的最高层级为24PR，单胎负荷为5 000 kg，参考《欧洲轮胎轮辋技术组织标准手册2018》，确定385/65R22.5 24PR宽基全钢载重子午线轮胎的主要技术参数为：单胎负荷 5 000 kg，层级24PR，标准轮辋 11.75×22.5，充气压力 930 kPa（单胎负荷5 000 kg较高，结合实际使用情况确定），充气断面宽（B′） 389（373.5～404.5） mm，充气外直径（D′） 1 072（1 057～1 087） mm。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

宽基轮胎的扁平率低，且冠部有周向不同角度钢丝带束层的束缚，充气后的新胎外直径与模具外直径相比伸张较小，模具外直径一般比充气后的新胎外直径小1～4 mm，本次设计的385/65R22.5单胎负荷大，为增大产品的负荷能力，从设计角度考虑增大轮胎的内腔体积，D取1 073.6 mm，大于标准值1.6 mm，D′/D为0.998 5。

385/65R22.5规格轮胎的扁平率低，断面宽度较大，为保证轮胎的轮廓形状，采用胎圈着合宽度（C）大于标准轮辋宽度的设计思路，轮胎设计的很多因素影响B的变化，受C的影响较大，另外胎体帘线的种类、强度、伸张性能以及带束层角度、长度、宽度等因素影响B的大小。通过相近规格产品对比分析，确定B为386 mm，B′/B为1.007。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

为了增加轮胎与路面的接触面积，提升轮胎的负荷能力，b取值较大，比普通标准负荷轮胎的b稍大，加大b使轮胎冠部的接地压力分布更均匀，急转弯时不易发生侧向滑移，可有效防止轮胎畸形磨损，提高耐磨性能以确保轮胎的行驶里程，同时行驶过程也更加安全可靠。宽基轮胎替代双胎并装可以使汽车整体质量减小，油耗降低，提升货物装载量。现有385/65R22.5轮胎在标准负荷4 500 kg下b一般取270～300 mm，针对本次高层级、高负荷产品设计，从耐磨性能、耐久性能、使用寿命等方面考虑确定b取310 mm，b/B为0.803。

本设计宽基轮胎的扁平率较低，负荷大、充气压力高、设计行驶面较宽，轮胎与路面的接地形状不易控制，h设计的关键是能使胎冠接地变形后压力分布更均匀，这对轮胎的使用寿命、耐久性能、磨耗性能具有重要影响。收集其他厂家的竞品进行分析，结合现有产品工艺，确定本次设计h取13.2 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和C

轮胎与轮辋类型关系密切，不同类型轮胎所用轮辋不同，以标准轮辋曲线为依据进行设计，通常无内胎子午线轮胎d的取值比标准轮辋直径小，使胎圈与轮辋过盈配合，确保轮胎的气密性，本次设计d取569.5 mm，比标准轮辋直径小2 mm。轮胎胎圈从胎踵至胎趾设计成2段带有一定倾斜角度的着合面，便于与轮辋部位紧密配合。

385/65R22.5轮胎扁平率低，轮胎的胎侧部位变形区域小，C在标准轮辋宽度基础上加大设计，进而提高轮胎的生产工艺稳定性，对无内胎而言，C过小时无法与轮辋装配充气，因此C应稍大些，本次设计C采用大于标准轮辋宽度25.4 mm（1英寸）的设计，取324 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

轮胎各部位的受力分布受断面水平轴位置高低的影响。断面水平轴偏上，轮胎肩部和冠部应变与应力较大，易损坏，影响轮胎的使用寿命；断面水平轴偏下，轮胎胎圈部位的受力变大，行驶时在轮胎负荷增大的情况下，容易造成胎圈部位随应力增大而损坏。由于本次设计的24PR产品负荷大，行驶面宽，冠部的受力较大，适当降低H1/H2以缓解轮胎肩部的受力和变形，提高轮胎的耐久性能。根据主要设计参数，制定H1/H2不同的设计方案，利用有限元进行仿真分析，通过结果对比，本次设计H1/H2取0.925。轮胎断面轮廓见图1。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

为了使轮胎与地面更好地附着，提升转向、制动及抗湿滑性能，延长轮胎的使用寿命，优化胎面花纹设计。胎面花纹的主花纹沟为4条不同折度的纵向沟，边部折沟提供轮胎一定驱动性能，中间两道直沟提供轮胎出色的导向性能，当车辆在泥泞或潮湿的路面上行驶时，边部折沟能有效防止轮胎打滑，折沟与直沟的搭配设计使轮胎具有更好的牵引性能和抗湿滑性能；主花纹沟壁上镶嵌横向细小沟槽，有效避免车辆刹车时轮胎的前滑和侧滑；主花纹沟之间采用横向沟槽连接，横向沟槽使轮胎在湿滑路面上的抓着力有效提升，进而使轮胎的抗湿滑性能进一步提高；花纹沟底优化弹石块的设计，有效防止夹石子和轮胎沟底裂口，减少胎体扎伤，安全性更高；花纹饱和度为78%，优化花纹节距排列，周节数为69，花纹深度为17.5 mm。胎面花纹展开见图2，胎面花纹立体效果见图3。

图2 胎面花纹展开示意

图3 胎面花纹立体效果

3 施工设计

3.1 胎面

胎面是决定轮胎耐磨性能和使用寿命的关键部位，胎面与路面接触，不断地承受路面的磨损和冲击，胎面胶料的选择是胎面设计的重点。胎面胶料根据使用条件来确定，高速及铺装路况采用耐磨性能好、生热低的胶料，碎石等非铺装路况采用抗刺扎、抗撕裂的胶料。本次针对高负荷、高层级轮胎的使用状况，设计胎面为胎面胶加小翼胶结构，胎面下方贴一层增加粘合性的胶片，胎面胶选择高层级专用的超耐磨胶料，确保轮胎的行驶里程，翼胶选择生热较低的胶料。根据设计的b及材料分布，确定胎面总宽度为360 mm，胎面肩宽为280 mm。

3.2 胎体

在负荷下车辆行驶过程中胎体频繁承受复杂的屈挠变形，受超载情况的影响，胎体屈挠变形大，导致U形爆、拉链爆等损坏现象较多，针对层级为24PR、单胎负荷为5 000 kg的轮胎性能要求，需从产品结构设计上提高轮胎胎侧部位的刚性，从而提高轮胎的耐屈挠性能，胎体帘线要有足够强度。本设计胎体选用3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线，胎体帘布半成品厚度为3.0 mm，胎体安全倍数为8.5。

3.3 带束层

带束层是影响轮胎轮廓形状、强度、负荷下耐久性能的因素。设计时应保证带束层的刚性，带束层的刚性由钢丝帘线类型、裁断角度等因素决定。本设计24PR宽基轮胎采用4层带束层结构，1#带束层采用3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线，裁断角度为52°；2#和3#带束层采用3＋8×0.33ST钢丝帘线，裁断角度为19°；4#带束层采用5×0.30HI钢丝帘线，裁断角度为19°。带束层安全倍数为6.7。

3.4 钢丝圈

胎圈的作用将轮胎外缘与轮辋紧密地扣住，使轮胎固定在轮辋上，支撑轮胎的轮廓形状。胎圈中设置高强度的按一定形状排列的钢丝圈，钢丝圈与带束层、胎体配合支撑着轮胎所承受的负荷及内压。本设计钢丝圈采用倾斜的六角形设计，高强度钢丝直径为1.55 mm、钢丝圈缠绕前的覆胶钢丝直径为1.67 mm，钢丝排列形式为9-10-11-12-11-10-19，共72根。

3.5 成型和硫化

通过各半成品在成型鼓上的平铺图分布，确定各半成品部件的定位参数，调整成型机工艺参数使各半成品接头均匀错开，操作过程上正、压实，保证产品质量，提高轮胎的动平衡和均匀性，成型机的胶囊为大胶囊，帘布反包为胶囊内压增大推动式反包，成型方式为一次法成型。

硫化以氮气为加热介质，硫化后的产品质量相对稳定，硫化过程中控制好温度、时间、压力3个要素，硫化机类型为热板式，便于调整胎侧部位的硫化温度。硫化参数为：热板温度 （150±2） ℃，模套温度 （155±2） ℃，内部蒸汽压力 （1.8±0.1）MPa，外部蒸汽压力 （0.39±0.02） MPa，氮气压力 （2.6±0.15） MPa，进氮气时间 49.3 min，总硫化时间 55 mim。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

将成品轮胎安装于11.75×22.5轮辋上，在充气压力930 kPa下，依据GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行外缘尺寸测试。轮胎的B′为382 mm，D′为1 076 mm，满足设计要求。

4.2 强度性能

成品轮胎强度性能检测依据GB/T 4501—2016《载重汽车轮胎性能室内试验方法》进行，试验条件：压头直径为38 mm，测试压力为930 kPa。试验结束时轮胎在第5点压穿的破坏能为5 333.9 J，为标准值的242.1%，满足设计要求。

4.3 静负荷性能和接地压力分布

将成品轮胎安装于11.75×22.5标准轮辋上，在充气压力930 kPa、标准负荷5 000 kg下，依据HG/T 2443—2012进行静负荷和接地印痕检测，负荷下接地长度为249 mm，接地宽度为306 mm，接地印痕面积为762 cm2，单位面积平均压力为656.4 kPa，接地系数为0.81，静负荷半径为496 mm，下沉量为41.6 mm，下沉率为16.5%。

4.4 耐久性能

385/65R22.5 24PR成品轮胎按照企业标准进行耐久性试验，试验条件和结果如表1所示。

表1 耐久性试验条件和结果

由表1可知，试验结束后，成品轮胎的损坏病象为肩部分型面位置裂口，累计行驶时间为81.3h，符合设计和企业标准（≥67 h）要求。

5 结论

385/65R22.5 24PR宽基轮胎胎面肩部花纹块宽度与中部花纹块宽度采用大比例设计，直沟与边沟搭配、增加沟底弹石块设计，应用高强度骨架材料，使轮胎具有优异的操控稳定性和抗冲击性，行驶里程更长、更安全。该轮胎自投放市场以来，得到中东地区、俄罗斯、韩国等客户的认可，满足了用户需求，提升了企业竞争力。