轻量化12R22.5无内胎全钢子午线轮胎的设计

武玉建，宋萌萌，杨万龙

（山东金宇轮胎有限公司 青岛分公司，山东 青岛 266100）

随着我国道路状况的改善以及GB 1589—2016《道路车辆外轮廓尺寸、轴荷及质量限值》的实施，整车轻量化成为国内各大主机厂的发展目标之一[1-3]。为满足主机厂对整车轻量化的需求，我公司成功开发了轻量化12R22.5无内胎全钢子午线轮胎，现将产品设计情况介绍如下。

1 技术要求

参照GB/T 2977—2016《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》，确定轻量化12R22.5无内胎全钢子午线轮胎的技术参数为：标准轮辋 9.00，充气外直径（D′） 1 077（1 068～1 100） mm，充气断面宽（B′） 295（288～312） mm，标准单胎负荷3 550 kg，标准充气压力 930 kPa。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

全钢载重子午线轮胎带束层的特点是刚性强且不易周向伸张[4-5]。带束层主要对轮胎冠部起到箍紧作用，由于12R22.5无内胎轮胎的带束层伸张和变形都较小，因此轮胎的外直径膨胀率（D′/D）较小，根据我公司现有普通12R22.5轮胎的D′与模型尺寸的关系，本次设计D′/D取1.004，D取1 073 mm。

B′变化的影响因素较多，本次设计参考现有普通12R22.5轮胎的设计经验，断面宽度膨胀率（B′/B）取1.01，B取292 mm。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h是决定轮胎胎冠形状的主要参数，b同时是轮胎行驶里程的主要影响因素之一，本次设计参考市场主流轻量化轮胎产品的参数设计，b取215 mm，同时还要保证轮胎的接地印痕形状趋于矩形以及接地压力分布均匀。当b确定后，h增大则轮胎的接地印痕趋近于圆形，圆形印痕可以降低轮胎的滚动阻力，但是控制不当可能会引发轮胎偏磨问题的出现；h减小，轮胎的接地印痕趋于矩形，矩形印痕可以减少轮胎偏磨的发生，但控制不当会导致肩部厚度过大，从而增大轮胎使用时肩空、U形爆等问题出现的几率。参考现有普通12R22.5轮胎的设计经验，本次设计h取5.5 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

胎圈与轮辋之间的配合影响轮胎的气密性及装配性能。根据以往设计经验，为保证无内胎轮胎的气密性，要求胎圈与轮辋之间的装配必须有适当的过盈量。结合我公司普通12R22.5轮胎的设计经验，本次设计d取569.5 mm。该规格轮胎的标准轮辋为9.00，本次设计C采取比标准轮辋宽度大12.7 mm（0.5英寸）设计，即C取240 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

轮胎的断面水平轴位于其轮廓的最宽处，轮胎滚动过程中此位置变形最大。由于全钢子午线轮胎采用1层胎体帘布层结构和单钢丝圈设计，若H1/H2取值偏大，则会使断面水平轴太高而导致胎肩部位带束层端点应力集中，导致轮胎出现肩空等异常损坏；H1/H2取值偏小，则会使断面水平轴太低而造成胎圈部位应力集中，使轮胎出现胎圈空等质量问题。结合我公司设计经验，本次设计H1/H2取0.98。

轮胎的断面轮廓如图1所示。

图1 轮胎的断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

胎面花纹样式主要由产品定位决定，本次设计的轻量化12R22.5无内胎轮胎主要用于中长途牵引车的导向轮和拖车轮位，因此采用4条纵向花纹，为使花纹更加新颖美观，花纹采用S形设计；胎肩封闭设计以增加肩部花纹刚性，从而减少胎肩偏磨，延长轮胎的使用寿命；采用花纹细钢片设计，以提高轮胎的抓着性能，同时有助于散发热量；采用变节距设计，以降低轮胎的噪声[6]。此外，花纹深度设计为15.5 mm，花纹饱和度设计为74.6%，花纹周节数设计为57。

胎面花纹展开如图2所示，轮胎的花纹立体效果如图3所示。

图2 胎面花纹展开示意

图3 轮胎的花纹立体效果

3 施工设计

3.1 胎面

胎面分为胎冠胶和基部胶两部分，两部分的胶料配方不同，胎冠胶主要保证耐磨性能，基部胶主要实现降低生热。使用双复合挤出机进行胎面挤出，胎面总宽度为280 mm，胎面最厚处厚度为23 mm，胎面中间厚度为15.5 mm。

胎面结构如图4所示。

图4 胎面结构示意

3.2 带束层和胎体

带束层是轮胎的主要受力部件[7-8]，本次设计采用3层带束层外加两肩用0°带束层进行束缚的结构，其中1#和2#带束层采用0.37＋6×0.32ST钢丝帘线，3#带束层采用5×0.30HI钢丝帘线，0°带束层采用3×7×0.20HE钢丝帘线。1#和2#带束层是工作层，带束层帘线角度分别为24°和15°，3#带束层是轮胎的保护层，带束层帘线角度为15°，带束层安全倍数为5.8。

胎体采用3×0.24/9×0.225ST超高强度钢丝帘线[9-10]，采用超高强度钢丝帘线可使轮胎的强度在满足轮胎使用要求的前提下减小帘布压延厚度，从而减小胎体帘布的质量。胎体安全倍数为6.7。

3.3 胎圈

采用传统的倾斜15°六角形钢丝圈结构，使用直径为1.65 mm胎圈钢丝，钢丝圈排列方式为8-9-10-11-10-9，共57根钢丝，安全倍数为5.5，此设计可确保胎圈部位的强度能满足使用要求。三角胶采用复合胶芯以实现胎圈部位向变形区刚性的平稳过渡；胎圈部位用钢丝帘布对钢丝圈进行U形包裹，不仅能提高胎圈的支撑性，也可以减少胎体帘布在负荷下发生移动，胎圈包布采用3×0.24/9×0.225CCHT钢丝帘线。

3.4 成型和硫化

为保证胎坯成型质量，在一次法胶囊成型机上成型，机头直径为532 mm，钢丝圈定位尺寸为690 mm。

采用蒸锅式硫化机进行硫化。硫化条件为：外压压力 （0.37±0.01） MPa，外压温度（145±3） ℃，蒸汽压力 （0.9±0.1） MPa，蒸汽温度 （175±3） ℃，总硫化时间 52 min。

4 成品轮胎的性能

4.1 外缘尺寸和质量

将经过外观、X光等检查合格的轮胎安装在9.00轮辋上，在930 kPa标准充气压力下按照GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行轮胎的外缘尺寸测量。轮胎的D′为1 076 mm，B′为294 mm，符合国家标准要求和设计要求。

实际称量轮胎的平均质量为54.35 kg，满足轻量化12R22.5无内胎轮胎对自身质量的要求（≤55 kg）。

4.2 强度性能

轮胎的强度性能按照GB/T 4501—2016《载重汽车轮胎性能室内试验方法》进行测试，测试条件为：充气压力 930 kPa，压头直径 38 mm。结果表明，第1—第5测试点的破坏能分别为2 206.3，2 206.9，2 206.4，2 205.8和4 021.3 J。第5测试点破坏能为4 021.3 J时轮胎未压穿，该值是标准规定值（2 203 J)的182.5%，即轮胎的强度性能较好，远远超过设计要求。

4.3 胎冠耐久性能

轮胎的胎冠耐久性能按照我公司研发标准进行测试。试验条件如表1所示。结果表明，轮胎在累计行驶91 h后出现胎冠脱层，轮胎的耐久性能达到企业研发标准要求（达到70 h)。

表1 轮胎的胎冠耐久性能试验条件

5 结语

轻量化12R22.5无内胎全钢子午线轮胎的外缘尺寸、强度性能和耐久性能均满足设计和相关标准要求，轮胎的质量小于主要竞品。该规格轮胎花纹设计新颖，已申请花纹外观专利，自产品上市以来花纹无偏磨和掉块等问题，轮胎的行驶里程和燃油经济性达到客户预期，目前已与中国几大主要牵引车主机厂开展配套合作，公司在配套市场的知名度提高。