305/70R22.5全钢载重子午线轮胎的轻量化设计

梁千顷，李 昭，马向前，石亚玲

（风神轮胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

随着电动汽车的兴起，相关高科技零配件的研发也备受关注。早在1993年9月，已有轮胎巨头企业宣布开始研制电动汽车轮胎[1-2]。由于电动汽车能量输出及电量储存受限，电动汽车轮胎具有质量减小的要求，同时由于电动汽车动力输出响应快，轮胎瞬间应力较大，对胎圈有很大考验，传统设计方法易出现胎圈早期损坏。为满足电动汽车的使用要求，我厂重新开发了305/70R22.5全钢载重子午线轮胎。

1 技术要求

根据GB 2977—2016《载重汽车轮胎、尺寸、气压与负荷》[3-4]，确定全钢子午线轮胎的技术参数为：标准轮辋宽度 228.6 mm（9.00英寸），允许使用轮辋宽度 209.55 mm（8.25英寸）；充气外直径（D′） 1 000（988～1 012） mm，充气断面宽（B′）305（293～317） mm，标准充气压力 900 kPa，标准负荷 3 550 kg。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

胎冠设计结合以往经验，周向伸张极小，轮胎充气后外直径相对于模具外直径变化不大。并且带束层结构及帘线配置直接影响到轮胎充气后的性能，本设计继续使用3层带束层＋2层0°冠带条结构。依据我公司多年的开发经验，充气后D一般在0～4 mm内变化，因此本设计D取996 mm，B取303 mm，外直径膨胀率（D′/D）为1.004，断面宽膨胀率（B′/B）为1.006。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h是影响轮胎接地形状、耐磨性能和使用寿命的重要技术参数。为了获得更好的轮胎接地形状和耐磨性能，采用有限元分析方法优化b和h。本设计b取260 mm，b/B为0.858，h取11.2 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

d是决定轮辋装配紧密性的关键，直接影响到轮胎的气密性和使用安全性，同时也直接影响轮胎装配的难易程度。一般过盈量取1～2 mm，本设计d取570.5 mm。

为保证顺利充气，本设计C比标准轮辋宽度大0.5英寸，取241.3 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

胎冠和胎圈位置是轮胎承载受力的最大区域，一般断面高度（H）被水平轴分为上下2个部分，下半部分为H1，上半部分为H2。因为电动汽车扭力响应速度快，轮胎胎圈瞬间应力大，胎圈位置易发生损坏。为加强胎圈位置刚性，本设计H1/H2取0.795。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

胎面花纹对轮胎的通过性和耐久性能都有直接影响[5-7]。由于本设计轮胎主要用于市内公交，路面一般为柏油路面，胎面花纹采用高饱和度公路花纹，设计花纹深度为19 mm，花纹饱和度为75%，花纹周节数为52，可以抵抗电动汽车高扭矩对胎面的损伤，保证轮胎耐磨性能好且磨耗均匀。为提高胎面的附着性能，主花纹沟采用Z字形设计，并在冠中3条肋条增加Z字形深沟槽。同时，为提高轮胎的自清洁性，花纹沟底增加排石台设计，使花纹沟底泥沙更易清除，石子更易排出。

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

胎面半制品截面如图3所示。根据实际使用环境，胎面采用翼型结构，采用3种配方：上半部分采用超耐磨配方以保证行驶里程；两翼采用特殊的配方以减小肩部生热；基部增加粘合性能优异的胶片。

图3 胎面结构示意

3.2 胎体

胎体采用低成本钢丝帘线，钢丝帘线规格为3＋9＋15×0.175＋0.15。钢丝帘线应力计算采用比德尔曼公式，计算得到胎体安全倍数为7.8，满足设计要求。

3.3 带束层

载重子午线轮胎冠部带束层通常为2—4层，本设计冠部带束层采用3层钢丝帘布，靠近胎体的为1#带束层，称为过渡层，帘线角度呈24°；2#带束层为工作层，帘线角度呈15°；3#带束层为保护层，帘线角度呈15°[8]。根据多年设计及实际使用经验，该产品结构胎肩位置0°带束层起到明显的箍紧效果，可减少胎肩损坏，所以本设计胎肩使用0°带束层，1#和2#带束层均采用3＋9＋15×0.22＋0.15钢丝帘线，3#带束层采用5×0.30HI钢丝帘线，带束层安全倍数为9.8，满足设计要求。

3.4 胎圈

胎圈钢丝直径为1.65 mm，钢丝覆胶后直径为1.80 mm，材质选用镀铜回火胎圈专用钢丝。钢丝圈呈平行四边形排列，计算应力安全倍数为9，满足设计要求。

3.5 成型和硫化

本设计采用一次法三鼓成型机成型。根据现有设计经验，主鼓直径为530 mm，钢丝圈扣圈宽度为636 mm，带束层贴合鼓周长为2 875 mm。成型中各半部件贴合密实，保证轮胎的动平衡性能和均匀性。

硫化采用活络模模具硫化，加热方式选用蒸锅式硫化，总硫化时间为52 min。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

新胎安装于标准轮辋上，按照标准充气压力要求[9]充气至900 kPa，实测轮胎D′为999 mm，B′为302 mm，均符合设计要求。

4.2 强度性能

按照国家标准压穿试验方法测试成品轮胎强度性能[8-11]，充气压力为900 kPa，压头直径为38 mm。轮胎被压穿时的破坏能为5 500.9 J（国家规定值为3 051 J），达到国家标准规定值的180%。

4.3 胎圈耐久性能

将胎冠花纹打磨至磨耗标志处，充气压力为950 kPa，试验负荷为4 900 kg（标准负荷的138%），行驶速度始终保持为20 km·h-1，成品轮胎累计行驶时间为370 h，符合设计要求（公司控制要求不短于250 h）。

4.4 成品耐久性能

按照国家标准试验方法测试成品耐久性能，充气压力为900 kPa，负荷为3 550 kg且保持恒定，试验过程保持恒定速度为65 km·h-1，持续行驶至国家标准强制要求（47 h）后，停机检查轮胎并未发生损坏。按企业标准（限值为57 h）继续进行试验[12-13]，如表1所示，负荷增加10%持续行驶10 h后，持续增加负荷，直到轮胎损坏为止，最终累计行驶时间为69.4 h。试验结束时轮胎花纹沟底部有裂口导致漏气，成品轮胎耐久性能满足国家标准要求。

表1 成品轮胎耐久性能测试结果

5 结论

305/70R22.5全钢载重子午线轮胎设计着重考虑了安全性和承载能力，体现电动汽车轮胎的使用特点。成品轮胎的充气外缘尺寸、强度性能和耐久性能均符合国家标准要求。轮胎投放市场后，其优良的安全性和承载性能得到用户的好评。