绿色高里程全钢载重子午线轮胎的设计研发

吕 伟，刘永强，孙宗涛，王慎平，曲家玉，鞠 浩

[浦林成山（山东）轮胎有限公司，山东 荣成 264300]

随着公路物流运输企业之间的竞争日趋激烈，伴随国家对车辆超载治理的不断深入，如何最大程度地降低运输成本成为各物流运输企业的终极追求。轮胎使用成本作为运输的重要成本之一，对物流公司及从业者有着重要影响。适应公路物流运输新形势的高里程、低生热绿色产品，已成为全钢载重子午线轮胎的发展趋势。对国内市场调研表明，仅有较少轮胎企业的载重轮胎产品在实际使用中行驶里程达到40万km以上。为此我公司开发了一款绿色、高里程全钢载重子午线轮胎，现将产品设计情况介绍如下。

1 仿真技术

在产品开发设计阶段运用我公司自主开发的TDSS轮胎设计与仿真系统评估产品性能，保证轮胎性能达到设计目标。主要仿真内容如下。

（1）轮胎的接地印痕和压力分布。通过对比不同方案，优选方案使轮胎的接地压力分布更均匀，从而提高产品的耐磨性能，并确保轮胎具有较高的行驶里程[1]。轮胎的接地印痕云图如图1所示。

图1 轮胎的接地印痕云图

（2）轮胎内部的温度场分布。通过仿真得到轮胎滚动时的稳态温度场分布情况（见图2），优选出生热较低的方案，以保证轮胎具有优异的耐久性能。

图2 轮胎滚动时的稳态温度场分布

（3）轮胎花纹块刚度。轮胎花纹块刚度与耐磨性能相关度较高，通过有限元分析对比不同花纹块刚度（见图3），选择高刚度花纹块方案以提高轮胎的行驶里程。

图3 轮胎花纹块刚度仿真

2 结构设计

2.1 技术要求

根据GB/T 2977—2016，确定轮胎技术参数为：测量轮辋 9.00，充气外直径（D′）1 085（1 068～1 100）mm，充气断面宽（B′）300（288～312）mm，负荷指数 152，速度级别149L，层级 18，标准充气压力 830 kPa，单胎最大负荷 3 550 kg。

2.2 结构参数

根据产品的实际使用条件，本次设计轮胎外直径膨胀率[D′/D（外直径）]为1.003，即D取1 082 mm，断面宽膨胀率[B′/B（断面宽）]为1.034，即B取290 mm。行驶面宽度（b）和弧度高（h）对轮胎的牵引性能和路面抓着力的影响较大，为保证轮胎的耐磨性能，本次设计b取240 mm，h取6.5 mm，h/H（断面高）取0.025[1-4]。轮胎材料分布如图4所示。

图4 轮胎材料分布

2.3 花纹设计

为保证产品的耐磨性能，同时兼顾低生热性能，花纹设计参数如下：花纹深度 17.5 mm，采用3种节距设计，节距总数 80，花纹节距比0.91∶1∶1.1，花纹饱和度 78.1%。

采用钻石沟壁设计使花纹块稳定性和刚度达到最佳，减轻花纹块受力时的变形蠕动，从而提高轮胎的耐磨性能；采用2层台设计，合理设计沟壁的倾斜角度，有利于防夹石和弹出石子，从而保护花纹沟底不受损伤。

增大边块比例设计，增加轮胎肩块的体积，提高肩部刚性，从而改善花纹肩部偏磨和畸形磨损的情况[5-8]。

轮胎三维造型如图5所示。

图5 轮胎三维造型

3 施工设计

3.1 胎冠

胎冠是轮胎与地面直接接触的部分，因此要求其具有优异的耐磨、抗刺扎、抗崩花掉块等特点。运用新型稀土顺丁橡胶，高结构、小粒径超耐磨炭黑和新型加工助剂的合理配比，同时应用补充母炼混炼工艺，实现胶料各组分的均匀分散和门尼粘度的稳定。在提高胎冠胶料耐磨性能的同时使胶料具有更低的生热和滚动阻力，提高轮胎综合性能。

为加快产品的研发进度，成品轮胎室内耐磨性能试验与产品设计同步进行，使用室内转鼓磨耗试验机对成品轮胎（不同胎冠胶配方）进行耐磨性能试验，通过模拟调整路面的摩擦因数、轮胎负荷、横向力、纵向力和滑移角等参数，使测试条件更接近实际使用条件。

设竞品轮胎的耐磨指数为1，经第1次室内转鼓磨耗测试，方案1，2，3和基础配方轮胎的耐磨指数分别为0.54，0.65，0.82和0.64，其中方案3最接近竞品轮胎。于是在方案3的基础上对配方进行了改善得到方案A和B并进行了第2次室内转鼓磨耗测试，2个试验方案轮胎的耐磨指数均有了进一步的提高，分别达到了0.89和0.85。由于室内转鼓磨耗无法完全与轮胎的实际装车使用条件相符，使用方案A和B试制轮胎进行实车对比路试。

选用前期试验耐磨性能最佳的胎冠胶配方，工艺上采用定速、定量、稳定的挤出方式，降低半成品气孔率，从而保证胶料的密实度。

3.2 骨架材料

根据轮胎的市场定位及使用条件，本次设计胎体采用3＋9＋15×0.175＋0.15钢丝帘线，安全倍数达到6.78，满足设计的安全性能要求。制作工艺使用霍尼韦尔钢丝压延厚度自动调整装置，保证钢丝帘布的厚度稳定，并保证轮胎有足够承载能力。

采用4层带束层结构，根据轮胎受力分析，2#和3#带束层为主要受力层，均采用3＋8×0.33HT钢丝帘线，1#带束层采用3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线，4#带束层采用5×0.35HI钢丝帘线，1#—4#带束层帘线角度依次为50°，18°，18°和18°，带束层安全倍数达到6.3。

钢丝圈排列结构为8-9-10-11-10-9-8，胎圈钢丝使用Φ1.65 mm的镀青铜回火胎圈钢丝，单根缠绕法生产，钢丝圈安全倍数为6.4，达到设计要求，保证胎圈具有足够的强度和刚性。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

成品轮胎充气外缘尺寸按照GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行测量，在标准充气压力下，D′为1 085.4 mm，B′为300.4 mm，符合国家标准要求。

4.2 强度性能

按照GB/T 4501—2016《载重汽车轮胎性能室内试验方法》进行轮胎强度性能试验，试验条件为：充气压力 930 kPa，压头直径 38 mm。成品轮胎的强度性能测试结果如表1所示。

表1 成品轮胎的强度性能测试结果

从表1可以看出，成品轮胎的强度性能良好，符合国家标准要求。

4.3 耐久性能

成品轮胎的耐久性能按照企业标准进行测试，试验条件为：充气压力 930 kPa，试验负荷3 550 kg。成品轮胎的耐久性测试结果如表2所示。

表2 成品轮胎的耐久性测试结果

从表2可以看出，成品轮胎耐久性测试的累计行驶时间为67 h，试验结束时轮胎未损坏，符合企业标准（累计行驶时间≥67 h）的要求。

4.4 高速性能

成品轮胎的高速性能按照企业标准进行试验，试验条件为：充气压力 930 kPa，试验负荷3 550 kg。成品轮胎高速性能试验结果如表3所示。

表3 成品轮胎高速性能试验结果

从表3可以看出，成品轮胎的高速性能试验累计行驶时间为75 min，试验结束时轮胎未损坏，符合企业标准要求。

4.5 路试情况

2019年5月，选取有代表性的北方、中原、南方多种作业环境，分别在山东荣成、山东聊城、广东潮州和吉林4个地区设置了11部2-DD＋3型长途标准载荷车辆并进行同车对比路试，行驶路线覆盖全国大部分地区。路试历经7—9月的高温、高湿季节，在相同使用环境和车型条件下，试验轮胎A和B行驶里程均超出竞品1/3以上，轮胎的耐磨性能优异，自洁性能、驾乘舒适性和性价比均优于竞品。

5 结论

以该规格为代表的高行驶里程、绿色轮胎产品的开发项目，在2019年8月通过了山东省橡胶行业协会专家组的科技成果评价，综合技术达到国际先进水平。该产品将以高里程、极高性价比的特点在长途公路运输物流市场取得一席之地。

该轮胎的充气外缘尺寸、强度性能、耐久性能和高速性能均符合相应国家或企业标准要求，均达到设计要求。高里程产品主要为长途物流车辆设计，可大幅度带动中小型物流公司及个人车主使用。该规格轮胎经市场验证，性能良好，为企业创造了良好的收益。