高负荷工业车辆专用12.00R20全钢载重子午线轮胎的设计

高同舜，王秀梅，杨 萌，赵玉娜，李园园

（青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

随着船舶工业的发展，船舶行业的运输显得尤为重要，轮胎作为运输车辆的重要部件之一，对其负荷的要求越来越高。高负荷工业车辆专用全钢载重子午线轮胎属国内空白产品，由于国外同类产品采购周期长，船舶工厂对国内产品需求日益增大。我公司根据用户需求，开发了高负荷工业车辆专用12.00R20全钢载重子午线轮胎，增强了企业的竞争力。现将其设计情况介绍如下。

1 技术要求

根据欧洲ETRTO 2012标准要求，并通过市场调研及与客户沟通，确定高负荷工业车辆专用12.00R20全钢载重子午线轮胎的主要技术参数为：标准轮辋 8.5，充气外直径（D′） 1 135（1 107～1 143） mm，充气断面宽（B′） 317（303～327） mm，标准充气压力 1 000 kPa，标准负荷 7 100 kg，最高行驶速度 25 km·h-1。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

轮胎的充气外缘尺寸关系到轮胎的使用性能，而模型尺寸决定了轮胎的充气外缘尺寸。相比于多层缠绕锦纶帘布的斜交轮胎，全钢载重子午线轮胎的结构特性以及钢丝帘布的高刚性使其周向尺寸具有充气前后低增大率的特点。根据以往产品的设计经验及实际生产过程的工艺情况，本次设计D取1 130 mm，外直径膨胀率（D′/D）为1.004 4。

轮胎充气后断面宽的影响因素较多，包括胎体钢丝材料的选用、带束层的结构和角度等，综合考虑，B取315 mm，断面宽膨胀率（B′/B）为1.006 3。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b的取值决定了轮胎的使用性能，如高速性能、附着性能、牵引性能、耐久性能、耐磨性能和滚动阻力等。该产品设计时主要考虑轮胎的承载能力和使用寿命，适当调整b以降低单位接地面积的压力，改善轮胎冠部的受力分布[1-2]，提高产品的耐磨性能。根据设计经验及工业车辆专用轮胎性能要求，本次设计b取290 mm，b/B为0.921。

h取值对轮胎的接地性能有很大影响，h取值合理，轮胎的接地形状近似于矩形，胎面磨损均匀；若h取值过小，会导致轮胎肩部较厚，生热高，影响轮胎的使用寿命；若h取值过大，则影响轮胎接地性能，使接地面积减小，接地印痕呈椭圆形，胎面磨损多由中央部分承担，出现磨胎冠现象。综合考虑各种因素，h取9.6 mm，h/断面高（H）为0.031。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

载重子午线轮胎除了要求与内胎垫带有良好的密封性外，胎圈与轮辋之间的配合也是影响轮胎气密性的重要因素，d和C取值既应该满足轮胎与轮辋的配合，又要考虑轮胎的装卸问题。如果轮辋与胎圈装配的过盈量过大，不仅装卸轮胎困难，对轮胎安全性能也会产生不良影响；如果过盈量过小，则轮辋与轮胎不能紧密结合。为避免出现以上问题，参考以往设计经验，d取511 mm。

对于有内胎轮胎，C一般采用比轮辋宽度大12.7～25.4 mm（0.5～1英寸）设计。综合考虑，C采取比轮辋宽度大24 mm设计，取240 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

断面水平轴位于轮胎断面最宽处，是胎体最薄、变形最大的部位，在轮胎使用过程中该部位在断面方向的弯曲变形及弯曲应力较大，H1/H2取值对轮胎寿命和使用性能有很大的影响[3-5]。H1/H2取值偏小，会造成下胎侧与胎圈部位的应变增大，断面内剪切应力增大，即胎圈部位应力集中[4]，导致胎圈断裂或脱层；H1/H2取值偏大，会造成胎肩及下胎侧部位应变增大，断面内骨架材料层间剪切应力增大，即胎肩部位应力集中，导致肩空或肩裂等早期损坏。根据该产品特殊的花纹形式和加深花纹沟设计，本次设计H1/H2取0.926。

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

工业车辆轮胎负荷大、充气压力高，胎冠接地变形后压力分布的均匀性是设计的关键，对轮胎的耐磨性能、使用寿命以及车辆运行的平稳性具有重要影响[5]。在对影响胎冠压力分布的主要因素——带束层材料及结构优化的基础上，结合工业轮胎行驶速度和生热低（采用低生热胶料配方）的特点，胎面花纹主沟采用纵向花纹，超深的花纹沟设计增大了胎冠厚度和刚性，以保证胎冠接地后的压力分布及轮胎性能[6-7]。胎肩使用开放式花纹设计，提供良好的散热性能。根据目标市场的实际应用情况，该产品花纹深度为35 mm，花纹饱和度为76.15%，花纹周节数为48。

胎面花纹展开示意见图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

为满足35 mm深花纹沟的需求，胎面采用双胎面复合设计，即胎面一采用单胶种挤出，以保证胎面硬度和耐磨性能，胎面二采用大基部胶挤出，低生热胶料保证肩部的耐久性能。为增加双胎面复合的粘合性能，胎面一和胎面二复合件的底部加贴缓冲胶片。

3.2 带束层

带束层作为子午线轮胎的主要受力部件，其设计的合理性直接影响轮胎的使用性能，它需承受轮胎内压负荷的60%～75%，还起到防止异物刺穿胎体并缓和路面冲击力的作用。本产品采用4层带束层＋2层锦纶冠带层的结构，经研究设计，3＋9＋15×0.22＋0.15钢丝帘线应用于1#，2#和3#带束层，5×0.30HI钢丝帘线应用于4#带束层，锦纶冠带层使用1400dtex/2V2锦纶66帘线，除1#带束层角度设计为55°以外，其他带束层角度均设计为20°。带束层安全倍数为6.56，达到客户的使用要求。

3.3 胎体

在轮胎行驶过程中，胎体不仅需要承担内压负荷，还承受轮胎负载所带来的法向及横向作用力。针对客户提供的实际路况及车况，得出轮胎负荷、刚性及屈挠等性能的设计需求，将3＋9＋15×0.225HT高强度钢丝帘线应用于胎体，胎体安全倍数为9.3，可以达到客户使用要求。

3.4 胎圈

钢丝圈在胎圈部件中主要起到支撑作用，并提供一定的刚性。钢丝圈使用直径为1.55 mm的高碳钢丝，截面呈正六角形，排列方式为8-9-10-11-12-11-10-9-8，共88根钢丝，胎圈安全倍数为8.392，达到客户的使用要求。

3.5 成型

成型机机头直径为493.5 mm，平面宽为758 mm，成型采用侧包冠工艺。为保证轮胎质量的稳定性，各部件接头要求按一定角度均匀分布，胶部件接头要求刷汽油打毛后压实，胎体帘布用电动拉链式接头机对接。

3.6 硫化

采用液氮热板式硫化机硫化，采用RB12003硫化胶囊。硫化条件为：蒸汽温度 （207±3） ℃，模套温度 （160±2） ℃，热板温度 （152±2）℃，蒸汽压力 （1.8±0.1） MPa，高压氮气压力（2.6±0.15） MPa，总硫化时间 84.2 min，胎坯硫化完成后，成品轮胎外观良好。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

成品轮胎外缘尺寸按照客户要求进行测定，安装在标准轮辋上的轮胎在1 000 kPa的充气压力下，充气外直径为1 134 mm，充气断面宽为318 mm，达到设计要求。

4.2 强度性能

强度性能采用客户提供标准进行测定，试验充气压力为1 000 kPa，试验压头直径为38 mm。检测结果表明，第5点破坏能为7 304.5 J，为国家标准值（3 061.1 J）的239.41%，达到设计要求。

4.3 耐久性能

轮胎的耐久性能主要通过在规定的负荷和一定速度下的运行距离来评价。耐久性能采用客户要求的标准进行测定，试验充气压力为1 000 kPa，试验负荷为7 100 kg，行驶速度为20 km·h-1，按照国家标准规定的试验程序进行试验。试验结果表明，轮胎累计行驶时间为47 h，试验结束时轮胎未发生损坏，符合标准要求。

5 结语

高负荷工业车辆专用12.00R20全钢载重子午线轮胎的充气外缘尺寸、强度性能和耐久性能达到设计和相关标准要求，其成功开发补充了公司的产品组合。该产品初步投入市场，达到了客户的预期要求，为公司带来一定的经济效益。