355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎的设计

姚斌

摘 要：355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎主要是为打开欧洲市场，后期完成试验论证及市场测试后，将投产于欧洲市场，经济效益可观。355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎开发设计主要是根据欧标初步设计宽基低断面全钢载重子午线轮胎结构，根据不同的结构设计方案，利用有限元分析轮胎充气轮廓及胎肩、胎圈位置受力情况，通过优选确定最终轮胎轮廓及骨架材料等参数。完成结构设计后，对本项目开发的轮胎进行施工设计。最后对该轮胎进行成品性能试验，主要包括强度性能和耐久性能试验。

关键词：全钢载重子午线轮胎 结构设计 有限元分析 施工设计

Design of 355/50R22.5 Wide Base Low Profile All-steel Radial Truck Tire

Yao Bin

Abstract：The 355/50R22.5 wide-base and low-profile all-steel radial truck tire is mainly to open up the European market. After the completion of test demonstration and market testing in the later stage， it will be put into production in the European market with considerable economic benefits. The development and design of the 355/50R22.5 wide-base low-profile all-steel radial truck tire is mainly based on the preliminary design of the wide-base low-profile all-steel radial truck tire structure based on the European standard. According to different structural design schemes， the finite element analysis of the tire inflation profile and tire， the position of the shoulder and the bead force is determined by optimization to determine the final tire profile and frame material parameters. After the structural design is completed， the construction design of the tire developed in this project will be carried out. Finally， the finished product performance test of the tire mainly includes strength performance and durability performance test.

Key words：all-steel radial truck tire， structural design， finite element analysis， construction design

在目前的轮胎市场中，主要有斜交轮胎和子午线轮胎两种主要的结构类型，与斜交胎相比，子午线轮胎具有较好的操作稳定性、滚动阻力小、耐疲劳性能好以及高速性能好等一系列显著的优点，因此在许多应用领域，子午线轮胎都取得了非常明显的市场优势。因未来的市场限高限载的趋势，宽基低断面全钢载重子午线轮胎越来越成为市场主流。为满足市场需求，本论文设计开发的355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎，其带束层均采用钢丝帘线，主要用于载重及工程机械车辆上，在欧美国家市场销量较大。

1 355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎设计技术要求

355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎设计参考国标及国际标准，欧洲ETRTO、ISO的相关轮胎标准执行，轮胎各项性能须符合国家标准GB/T 4502-2016测试，性能指标要求按照杭州朝阳橡胶有限公司企业标准QHZR A0512执行，本企标高于欧共体ECE及美国交通运输部DOT相关轮胎最新要求的标准，以保证产品稳定及高的安全储备，外缘尺寸符合企标、国标GB、ECE及FMVSS 相关标准。具体确定355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎的技术参数如下：

2 355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎开发设计

355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎开发设计包括结构设计和施工设计，其中，结构设计是根据客户需求及设计技术资料，确定355/50R22.5轮胎的技术性能，设计出符合性能要求的轮廓主要参数、胎面花纹，并由此得轮胎外轮廓总图;施工设计是在结构设计基础上，设计出轮胎生产制造的工藝核心方法。

2.1 结构设计

轮胎自然状态下外缘尺寸与充气后尺寸是有所区别，由于存在一定的膨胀率，轮胎充气后一般其断面轮廓会有一定的增大，即充气后的外缘尺寸大于硫化模型中的外缘尺寸。本论文中的轮胎外轮廓尺寸设计，是基于充气后外缘尺寸，及其他影响轮胎充气膨胀率的因素而设计的。

2.1.1 外直径D及断面宽B设计

根据生产经验统计数据及选用骨架材料性能确定355/50R22.5轮胎的外直径D及模型断面宽B。轮胎采用宽钢丝带束层配合环形缠绕尼龙66，具有更好的高速稳定性;高密度聚酯胎体设计，强化轮胎的刚度和性能;高硬度的三角胶设计，更好的转向和操作应答性;六边形钢丝圈设计，改善均匀性和轮胎装配。由于全钢载重子午线轮胎其骨架材料的箍紧效果好，充气后外直径膨胀很小，根据以往规格相近产品的开发设计经验，取外直径D为1073mm。

全钢载重子午线轮胎断面宽的选择与其冠部变形有直接的关系，合理的断面宽的选择，将影响轮胎充气后轮廓的变形，进而对轮胎的使用性能产生影响。因此，B值的选取应综合考虑，当前断面宽的选择主要是根据设计经验，根据之前的设计经验，宽基底断面轮胎尤其是55系列以下的轮胎，轮胎充气后断面宽会有所缩小，所以，考虑到充气的断面宽在标准范围内，本论文B值选择390mm。

2.1.2 胎冠部位尺寸的确定

胎冠形状由行驶面宽b和胎面弧度高h等主要参数决定，其设计较直接影响到轮胎的使用性能。另外，胎冠尺寸设计还影响到轮胎的接地压力分布情况，因此，在综合考虑轮胎的牵引性、耐磨性、转向性和安全性的情况下，适当增大b，减小h。行驶面宽b 和胎面弧度高h应根据断面B和宽断面高H确定，b/B，h/H应控制在一个范围。根据有限元分析结果可知，h值比较合适的值为10mm左右，因为这个取值会是的轮胎充气后的接地压力分布结果比较理想，所有本次设计取10.5mm，行驶面宽度取为252mm。外直径为900mm底断面轮胎充气并且二者确定相关。

基于以上考虑，要增加轮胎综合性能，减小胎面应力集中，故设计取b为252mm、 h为10.5mm。

2.1.3 胎侧部位尺寸的确定

轮胎负荷下法向变形最大的位置是断面水平轴位于轮胎断面最宽处，用H1/H2 表示。H1表示下胎侧弧高度，H2表示上胎侧弧高度，在实际设计过程中，H1/H2过大会引起断面水平轴位置较高，则容易造成应力集中向轮胎肩部靠近，容易造成使用过程中的肩空或肩裂;H1/H2过小则会造成断面水平轴位置较低从而靠近轮胎子口部位，应力集中偏向胎圈则易造成子口开裂。根据轮胎设计经验，H1/H2最佳取值范围为 0.80-0.95。本论文设计H1取为 81.75mm，H2 取为 95.5mm，则 H1/H2为 0.856。H1和H2的值确定后，需要确定的值是轮胎胎侧的上下两端弧的半径。考虑到宽基底断面轮胎尤其是50系列的轮胎，由于轮胎断面高度较小，有限元分析结果显示，轮胎充气后的轮廓有断面宽变小的趋势，则上下胎侧弧度在允许的范围内尽量取值大些。本设计取值为R1为262mm，R2的值为80mm。

2.1.4 胎圈部位

胎圈部位主要通过标准轮辋曲线来设计，胎圈与轮辋要尽可能不发生相对移动，气密性要好，同时它们的配合需要一定的过盈量，但是为了易于装卸，过盈量又不能太大。本轮胎属于无内胎轮胎，因此胎圈和轮辋之间应采取过盈配合，以保证气密性，本次设计d值取571.5mm。

根据子午线轮胎设计经验，并结合市场实际使用轮辋尺寸，为了便于轮胎充气，着合宽度c的選取应比市场中实际使用的轮辋尺寸略大，因欧洲市场中355/50R22.5规格轮胎的使用轮辋尺寸为11.75寸，所有本论文设计选择c值为312mm，虽为等宽设计，但比市场中实际使用轮辋宽度略大半寸。

2.1.5 花纹设计

355/50R22.5产品的设计主要是针对欧洲市场，欧洲市场对轮胎的滚动阻力要求较高，一般在没有特殊要求（雪地轮胎）的情况下，花纹均设计成若干直花纹沟的花纹，并在花纹条上设计不同的浅沟槽进行装饰，浅沟槽的实际在考虑美观的前提下，要充分考虑降低噪音的要求。故采用条形花纹，可有效降低轮胎行驶过程中的滚动阻力和噪音。本论文设计355/50R22.5轮胎花纹沟深度为14 mm，花纹饱和度为76.9%，花纹饱和度高，可提升耐磨性能，但太高的话，影响胎冠不散热，对轮胎的耐久性能不利。

2.1.6 有限元分析计算

本次的结构设计已经是经过优选后的方案，对355/50R22.5轮胎结构进行ABAQUS有限元分析计算，对其应力-应变、接地压力分布、温度场以及作用在轮胎上的力和力矩等性能进行分析，优化轮胎轮廓曲线，有效避免轮胎应力-应变的集中产生，保证各项功能优异凸显，充气轮廓和设计轮廓对比如图1所示。

图1中，黑色线代表设计轮廓，红色线代表充气（气压为900Kpa）轮廓，从图中可知，充气后轮廓断面宽变小，实际值为368.4mm，在标准范围内，且接地压力印痕分布合理。

2.2 施工设计

施工设计是轮胎设集中非常重要的环节，直接关系到轮胎的充气变形和使用情况，在进行施工设计之前，需先设计轮胎的材料分布图，在设计材料分布图之前，需先确定轮胎的内轮廓曲线，根据轮胎的GUTT（轮胎充气最小变形理论）设计轮胎的内轮廓，进而设计轮胎的支配尺寸。

施工设计中带束层的设计尤其是2#带束层的设计宽度，是根据轮胎的花纹行驶面宽度来确定的，并同时确保2#带束层外侧端点到胎侧的距离要超过20mm（设计经验），否则会容易出现因2#带束层端点处往外延伸的肩裂损坏。

施工设计根据材料分布进行，在半制品的设计中，胎冠、胎侧、三角、垫胶的设计比较复杂，因为材料分布图中所显示的尺寸是复合延展后的尺寸，需根据复合延展后的尺寸设计原有的尺寸，但最终的结果就是成品轮胎的材料分布是上图所示的尺寸。

3 355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎成品性能

355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎成品进行强度检测与耐久性能试验，依据Q/HCR A05202-001-2016标准，该试验标准高于国标，室内机床耐久试验机器为德国进口机床设备，室内检测温度控制在33.5℃—37.6℃之间，轮胎的检测气压根据标准充900kpa气压，轮胎充气后停放24小时候进行测试。轮胎的耐久测试试验是破坏性试验，即轮胎要跑坏为止，并记录所用时间。经试验检测，355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎达到了国家标准的要求，符合设计预期。

4 结语

355/50R22.5宽基低断面全钢载重子午线轮胎充气外缘符合设计要求，其强度性能、耐久性能达到相应的标准要求。该轮胎研发基本能满足用户的使用要求，投产后将打开欧洲市场，经济效益可观。

基金项目：2020 年浙江农业商贸职业学院科研项目“355/50R22.5 宽基低断面全钢载重子午线轮胎的设计研发”（KY202017）

参考文献：

[1]俞淇，丁剑平.子午线轮胎结构设计与制造技术[M].化学工业出版社，2006.

[2]张明.全钢载重子午线轮胎花纹沟底裂影响因素研究[J].轮胎工业，2018，10（10）：583-587.

[3]吕勇军，乔光梅，张天福.全钢载重子午线轮胎花纹沟底裂影响因素研究[J].轮胎工业，2020，5（10）：278-282.