低肩冠比12R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎的开发

徐 钦，张 颖

（中策橡胶集团股份有限公司，浙江 杭州 310018）

我国汽车产业的高速发展和公共交通基础设施建设的巨大投入，带动了轮胎制造业的繁荣。轮胎产量的增大也带来了环境保护压力以及资源有效利用等多方面的问题[1-3]。随着我国“力争于2030年前实现碳排放、2060年前实现碳中和”目标的不断推进，合理高效的资源利用对生产制造企业的重要性越来越突出，绿色环保型轮胎成为轮胎企业开发与制造的重点产品[4-7]。12R22.5轮胎作为我公司产量很大的产品，推进其绿色环保品种的开发尤为重要。

较低肩冠比（胎肩厚度与胎冠中部厚度之比）无内胎全钢载重子午线轮胎的开发是从产品设计初期就注重轮胎的肩冠比，通过减小肩冠比，实现轮胎的轻量化设计[8-10]。国内主流轮胎厂的轮胎肩冠比范围为1.4～1.6，米其林、普利司通和固特异等外资品牌的轮胎肩冠比范围为1.3～1.5。外资品牌的轮胎整体肩冠比设计较国内品牌的轮胎更有竞争力。

本工作基于我公司预应变轮廓理论（Prestrain contour theory，PSCT）技术系统，通过调整轮胎肩冠比开发更小质量、更低滚动阻力的12R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎。

1 产品设计

1.1 轮胎有限元模型

根据轮胎不同部位的性能差异，在有限元模型中定义不同的材料属性，采用三维实体单元模拟轮胎各部位材料。在骨架材料端部和胎圈等结构复杂、容易损坏的部位，加大网格划分密度。考虑轮胎充气压力、负荷等情况，轮胎与轮辋和路面接触的部分设为接触单元。轮胎胎圈部位与轮辋接触，受到轮辋与钢丝圈的约束。12R22.5轮胎有限元模型如图1所示。

图1 12R22.5轮胎有限元模型

1.2 主要结构设计参数

12R22.5轮胎主要结构设计参数有行驶面宽度（a）、胎冠弧高度（b）、胎肩厚度（c）、胎冠中部厚度（d），如图2所示。

图2 12R22.5轮胎结构设计参数示意

1.3 优化模型建立

本工作的重点是通过肩冠比的优化，达到轮胎轮廓材料成本与轮胎耐磨性能的平衡。本研究涉及的部分数学模型在此处统一规定，肩冠比（V）的定义如下：

引用Archard提出的轮胎磨耗模型，计算公式如下：

式中，q为磨耗量，k为磨耗因数，P为轮胎接地法向压力，A为轮胎接地面积，γ为轮胎接地面的滑移率，H为材料硬度。

根据磨耗模型可以得出，轮胎磨耗量与轮胎接地压力成正比。根据无内胎全钢载重子午线轮胎的轮廓设计经验，肩冠比越大则轮胎接地压力越小，耐磨性能越佳，但是肩冠比越大，轮胎设计成本也越高，因此结合公司实际需求提出下述3个优化目标：（1）轮胎肩冠比最小化；（2）轮胎接地面积最大化；（3）轮胎磨耗量最小化。

1.4 PSCT技术系统参数优选

通过我公司PCST技术系统，结合哈尔滨工业大学有限元仿真分析软件（TYSYS4.0），对自变量a，b和V进行有限元分析，结果见表1。试验结果表明，当肩冠比减小至1.25时，有限元模拟的轮胎耐磨性能较好，设计材料成本的经济收益率较大。

表1 不同肩冠比的轮胎接地性能与成本分析数据

2 成品轮胎性能

将设计的1.25肩冠比12R22.5无内胎全钢载重子午线轮胎进行成品轮胎生产，并进行室内性能测试。

2.1 外缘尺寸

按照GB/T 2977—2016，使用228.6 mm×571.5 mm（9.00英寸×22.5英寸）标准轮辋，在930 kPa标准充气压力下测量轮胎外缘尺寸，轮胎充气外直径和充气断面宽符合国家标准要求，满足公司新产品投产要求。

2.2 强度性能

按照GB/T 6327—1996要求进行压穿强度性能试验，试验条件为：充气压力 930 kPa，压头直径 38 mm。结果表明，轮胎试验破坏能为3 304.5 J，试验结束时未压穿，试验破坏能达到国家标准规定值（2 203 J）的150%，强度性能满足设计和投产要求。

2.3 耐久性能

按照全钢子午线轮胎性能测试企业标准（Q/HCR A05202-001—2020）进行轮胎耐久性能测试，转鼓直径为（1 700±17） mm，试验充气压力为单胎最大充气压力，转鼓速度为65 km·h-1，具体测试条件见表2。

表2 轮胎耐久性能测试条件

轮胎耐久性能测试累计行驶时间为127.62 h，损坏形式为肩部裂开，达到企业标准要求（≥97 h），耐久性能优异。

2.4 高速性能

按照全钢子午线轮胎性能测试企业标准（Q/HCR A05202-001—2020）进行轮胎高速性能测试，充气压力为930 kPa，额定负荷为3 550 kg。成品轮胎最高行驶速度达到160 km·h-1，超过企业标准L速度级别要求（120 km·h-1），满足设计和投产要求。

2.5 滚动阻力

按照ISO 28580—2018进行轮胎滚动阻力测试。试验结果表明，轮胎滚动阻力系数小于5.5 N·kN-1，满足配套主机厂要求。

2.6 静态接地压力分布

按照GB/T 22038—2018进行轮胎静态接地压力分布试验，并使用Tekscan软件进行轮胎静态接地压力分布测试和分析。共加工2个不同肩冠比方案轮胎轮廓模型（方案1和2的肩冠比分别为1.29和1.25），对有限元分析结果进行量化指标的检验和论证，两个方案轮胎轮廓模型的接地印痕如图3所示，接地压力分布对比分析如表3所示。

表3 两个方案轮胎接地印痕数据对比分析

图3 两个方案轮胎接地印痕对比

由图3和表3可见：与方案2轮胎相比，方案1轮胎的接地印痕矩形因数更大，同时锥形因数更小，可以有效降低轮胎出现偏磨的风险；方案1轮胎轮廓模型的接地面积更大。由此可得方案1轮胎的耐磨性能更优异。

2.7 经济效益

12R22.5低肩冠比轮胎开发完成后，达到绿色环保轮胎的先进水平，将会提升公司的轮胎市场占有率。新产品实现单胎质量减小约3%，即减小2 kg，节约原材料成本约10元·kg-1，实现单胎材料成本降低约20元。轮胎肩部厚度减小3 mm，可以缩短硫化时间3 min（蒸汽价格约0.2元·kg-1），按照年产20万条轮胎计算，预计每年节约原材料成本400万元，节约蒸汽能耗成本80万元，同时可以提高硫化生产效率8%，全年可缩短硫化时间10 000 h。该轮胎的开发对我公司经济效益贡献显著，达到规模生产效益，产品一经问世，市场反馈良好，需求量逐步提升，工厂生产排产、生产工艺过程控制、成品合格率均超过公司平均水平。

3 结论

肩冠比的设计主要影响轮胎的接地性能和材料成本，通过规划产品设计的目标函数，并采用有限元模拟的分析工具，可以提高结构设计的准确性和产品开发效率。本工作开发的12R22.5轮胎是我公司设计的肩冠比、材料成本都最低的一款产品，成品轮胎的充气外缘尺寸和强度性能均符合国家标准要求，耐久性能和高速性能满足设计和企业标准要求，接地性能和滚动阻力性能较原产品更优秀。该产品自2020年3月份投放市场，累计产量超过70万条，售后理赔轮胎比例小于12R22.5规格轮胎平均值，用户口碑良好。

该产品既能满足企业经济效益的要求，又能满足绿色环保轮胎节能减排的要求，同时提高了公司轮胎结构设计的含金量与竞争力。