随着各国政府对轮胎综合性能不断出台的法律法规要求,单纯强调高里程、耐超载的普通载重子午线轮胎已经越来越不适应社会发展的需求。如何能够设计更高里程、更安全、更节油的高性能载重子午线轮胎是一个非常值得投入研究力量的领域。本研究关注载重子午线轮胎基本设计元素对关键性能的影响机理,借助有限元仿真分析方法优化轮胎带束层结构、胎冠弧高度、花纹深度等结构设计,结合实验设计(DOE)方法优化橡胶体系、填料体系和硫化体系等配方设计,并研究层状硅酸盐和针状硅酸盐等新材料在轮胎胎面、气密层、胎圈填充胶中的应用。通过对结构、花纹、配方、材料等多方面优化,以期实现载重子午线轮胎的高性能化设计要求。本文第一部分重点关注载重子午线轮胎的静特性(外缘尺寸、静负荷、接地印痕/压力分布)和动特性(滚动阻力和磨耗性能)的仿真分析方法,具体包括:首先是结合所要求的工况条件,完成载重子午线轮胎可靠的有限元仿真模型的建立;其次是轮胎静态特性和动态特性分析方法的准确建立;最后是对比分析轮胎结构(带束层结构、胎冠弧高度和花纹深度)变化对上述轮胎静态和动态特性的影响,并结合轮胎成品实测结果分析有关变量影响的内在原因。研究结果表明:零度带束层结构在滚动阻力方面有独特的优势,但不利于均匀磨耗。零度带束层结构在胎肩部位有较强的刚性,但会影响行驶过程中的舒适性,因此单层的零度带束层结构可以起到一定的折中作用,交叉带束层结构的优势在于均匀磨耗和舒适性。对于胎冠弧而言,随着胎冠弧区域趋于平缓,轮胎的接地印痕面积会有所增加,同时轮胎的接地长轴和接地系数会有所降低。胎冠弧结构对滚动阻力影响较小,但随着胎冠弧高度的减小,磨耗性能会有较大提升。降低花纹深度会相应降低滚动阻力,但也会降低轮胎磨耗寿命。从仿真分析的结果来看,对恶劣行驶条件下易产生畸形磨损问题的轮胎而言,浅花纹深度不失为一种兼顾磨耗和滚动阻力的设计优化方式。本文第二部分采用DOE方法对载重子午线轮胎胎面配方(橡胶体系、填料体系及硫化体系)进行研究。首先基于混料设计方案,明晰了天然橡胶、丁二烯橡胶和丁苯橡胶三元共混体系对载重子午线轮胎胎面胶性能的影响规律,统计得出各性能值与橡胶用量关系的回归方程式,并绘制出胎面各性能值的等值线图,为橡胶体系的配方设计提供数据支撑。其次,研究了六种炭黑类型及与白炭黑并用对轮胎胎面胶性能的影响,发现N121和N234炭黑的综合性能较好,进一步研究这两种炭黑用量及N234并用不同份数白炭黑对胎面性能的影响,建立了各项性能值与填料用量关系的回归方程式,发现胶料的扯断伸长率、邵氏硬度、弹回率和磨耗等性能跟填料用量有很好的线性相关性。最后,采用三因子两水平的设计方案研究了炭黑用量、硫磺用量和促进剂用量对胎面各项性能的影响规律,结果发现扯断伸长率、邵氏硬度、弹回率、切割量、滚动阻力与三因子的回归结果较好,此部分研究可对实际配方设计给予很好的指导。本文第三部分重点关注层状硅酸盐在胎面、气密层,针状硅酸盐在胎圈填充胶中的应用,并进行了实际轮胎的试制和测试,以期为新材料在轮胎中的应用提供行之有效的路线和方案。研究结果表明:通过层状硅酸盐预改性方法实现层状硅酸盐在溴化丁基橡胶中均匀的纳米分散,层状硅酸盐与炭黑形成互穿网络结构,与橡胶分子链的作用力强,层状硅酸盐能够沿着受力方向取向并诱导分子链取向,延长气体扩散路径,提高溴化丁基橡胶的气密性能,提升幅度最高可达25.7%。层状硅酸盐补强的载重子午线轮胎胎面胶料具有显著的增强效果,定伸应力、硬度和撕裂强度提升,耐磨耗,抗切割性能优异。层状硅酸盐成品轮胎高速、耐久测试良好,轮胎路试表现出优异的抗崩花掉性能,并能有效的防止花纹沟底裂问题。针状硅酸盐补强的胎圈填充胶定伸高、硬度大、撕裂强度优,经过成品轮胎的耐久性能测试,采用针状硅酸盐补强胶料作为轮胎胎圈填充胶试制的轮胎比现用轮胎的耐久寿命提高67.6%,能够显著提高轮胎的使用寿命。