第四章子午線輪胎結(jié)構設計.ppt

1、輪胎結(jié)構設計,第四章 子午線輪胎設計與制造,學習目的與要求 通過學習掌握子午線輪胎的技術設計及施工設計方法；掌握子午線輪胎的配方設計原則和成型工藝；熟練了解子午線輪胎的構造和結(jié)構特點；了解子午線輪胎各部件膠料配方設計方法；了解半成品部件準備及硫化工藝。,第四章 子午線輪胎設計與制造,第一節(jié) 子午線輪胎結(jié)構特點 第二節(jié) 子午線輪胎結(jié)構設計 第三節(jié) 子午線輪胎施工設計,第一節(jié) 子午線輪胎結(jié)構特點,一、子午線輪胎的外胎構造 子午線輪胎(Radial Tire)從所采用的骨架材料來分類，可分為全鋼絲子午線輪胎、半鋼絲子午線輪胎和全纖維子午線輪胎三種。一般載重胎多數(shù)采用全鋼絲，而轎車胎和輕卡胎則多采用半

2、鋼絲或全纖維，詳細構造分別介紹如下。,載重子午線結(jié)構輪胎的結(jié)構 胎體:多數(shù)采用單層鋼絲簾布構成（或人造 絲、尼龍、芳綸等） 帶束層:3-4層鋼絲簾布組成， 胎肩墊膠:胎體與帶束層之間有中間 胎圈部分:由鋼絲圈、上下三角膠芯、鋼絲 包布加強層和子口護膠等部件構成。 胎面膠:胎面上層膠、下層膠 胎側(cè)膠: 見圖4-1。,轎車子午線輪胎結(jié)構 轎車子午線輪胎一般由胎面膠、胎面下層膠、胎側(cè)膠、胎體（1-2層纖維布組成）、帶束層（二層鋼絲簾布層）、冠帶（按技術設計要有時加一至二層尼龍簾布層，以提高轎車胎的高速性能）、胎圈（由鋼絲圈、復合硬膠芯和子口護膠）、內(nèi)襯層等構成。胎圈結(jié)構見圖4-2所示。,胎面膠,胎面

3、下層膠,胎側(cè)膠,子口護膠,帶束層1,帶束層2,冠帶層1,胎面膠,冠帶層2,胎腳,胎側(cè)膠,三角膠,鋼絲圈,內(nèi)襯層,胎體層,胎肩墊膠,二、子午線輪胎與斜交輪胎結(jié)構特征比較。 （1）斜交輪胎胎體中的簾線按一定角度排列，各層間簾線相互交叉，胎體簾線層數(shù)為偶數(shù)，胎體承受內(nèi)壓引起的初始應力的8090%。 （2）子午線輪胎胎體各簾面層間的簾線，系相互平行地由一胎圈至另一胎圈呈了午線方向的排列（與胎胎冠中心線夾角為90度）。胎冠有大角度基本不伸張的剛性帶束層箍緊，這種結(jié)構使： 帶束層承受由內(nèi)壓引起的初始應力的6075%；,胎體簾線強力得到了充分的利用，層數(shù)減少，一般比斜交胎少4050%，胎體層數(shù)可為偶數(shù)，也可

4、為奇數(shù)。 胎圈所受應力比斜交胎大3040%，鋼絲圈中的鋼絲根數(shù)比斜交胎多。 由于胎體層數(shù)少、胎側(cè)柔軟、容易變形和刺傷，胎側(cè)承受的應力比斜交輪胎大。 因此，這兩種結(jié)構的輪胎，它們的斷面形狀、胎圈結(jié)構、帶束層結(jié)構有很大的差別。 子午線輪胎和斜交輪胎的簾線排列如圖4-3所示。,圖43子午線輪胎與斜交輪胎簾線排列,第二節(jié) 子午線輪胎結(jié)構設計,一、子午線輪胎結(jié)構設計程序 二、技術要求的確定 三、輪廓設計主要結(jié)構參數(shù)的選取 四、斷面輪廓曲線的設計 五、子午線輪胎帶束層的設計與計算 六、子午線輪胎胎體簾線的應力計算,子午線輪胎由于其結(jié)構上的特點，應與斜交輪胎的設計方法有所不同。然而，就其設計原理來說，至今仍

5、是普遍采用薄膜理論，只不過在具體設計方法上，近年來卻涌現(xiàn)出了許多創(chuàng)見。由于電于計算機軟件技術的開發(fā)，使輪胎各部位受力均勻的自然平衡輪廓設計方法，逐步演變?yōu)楦鞑课粦侠矸植嫉姆瞧胶廨喞O計方法，特別是有限元分析法的引用，有可能真實地模擬輪胎在實際使用狀態(tài)下的斷面輪廓形狀，并分析其應力應變的分布合理匹配，從而得到優(yōu)化方案以設討輪胎的最佳輪廓形狀。,自80年代起呈現(xiàn)出許多新的輪胎設計方法，如： 日本石橋（普利斯通）公司的RCOT (最佳滾動輪廓)理論，適用于轎車子午線輪胎的設計；TCOT(最佳張力控制)理論，適用于載重子午線輪胎的設計； 日本橫濱公司的STEM(應變能量最小化)理論。 日本東洋公司

6、的DSOC(動態(tài)模擬最佳化輪胎形狀)理論，適用于載重子午線輪胎的設計； 前蘇聯(lián)的CSSOT(應力應變周期優(yōu)化) 理論，它除考慮輪胎幾何形狀外，還研究了材料分布對周期性應力應變的影響。,子午線輪胎結(jié)構設計與斜交輪胎一樣分兩階段進行。 第一階段為技術設計：主要任務是： 收集為設計提供依據(jù)的技術資料 確定輪胎的技術性能要求 設計外胎內(nèi)外輪廓曲線 設計外胎面花紋 設計繪制外胎花紋總圖,一、子午線輪胎結(jié)構設計程序,第二階段為施工設計：主要任務是： 確定外胎成型方法 確定成型鼓直徑及機頭寬度 繪制材料分布圖 制定施工標準表 最后提出結(jié)構設計文件（包括技術設計和施工設計說明書）。 雖然子午胎的設計與斜交輪胎

7、相同，但在各個設計階段，其設計參數(shù)的取值，特別是施工設計與斜交輪胎差別很大，需用專門的成型機才能完成。,1子午線輪胎設計前的準備 （1）搜集技術資料作為設計依據(jù) 與斜交輪胎設計前一樣，必須搜集有關的技術資料。例如：車輛類型及技術資料 車速及路面條件，輪軸情況，輪胎使用要求及經(jīng)濟性，安全性等。 （2）確定技術性能 輪胎類型、規(guī)格、層級、簾布層數(shù)及胎面花紋型式；最大負荷和相應內(nèi)壓；輪輞規(guī)格、尺寸及輪廓曲線；充氣外胎外緣尺寸等。,二、技術要求的確定,（3）確定骨架材料 子午線輪胎按其采用的骨架材料來分，有全纖維子午線輪胎，半鋼絲子午線輪胎(即胎體為纖維簾線，帶束層為鋼絲簾線)和全鋼絲子午線輪胎三種，

8、根據(jù)用途、規(guī)格、類型不同，考慮選擇。 人造絲尼龍或聚酯簾線纖維胎體子午線輪胎 芳綸簾線是一種新型骨架材料，是子午線輪胎理想的胎體材料，很有發(fā)展前途。,鋼絲簾線主要用于子午線輪胎的胎體及帶束層，其主要特點是耐熱性極好，強度高，同時伸長率極小，對保持輪胎尺寸穩(wěn)定性極為有利。 例如:全纖維子午線輪胎主要為輕型轎車輪胎和拖拉機輪胎，半鋼絲子午線輪胎主要為高速轎車輪胎和輕型載重輪胎，9.00R20以下的中型載重輪胎。全鋼絲子午線輪胎主要適用于重型載重輪胎和工程輪胎，9.00R20可用全鋼絲，亦可用半鋼絲。,2輪胎負荷能力計算 負荷能力計算與斜交輪胎采用相同的計算方法，一般根據(jù)美國輪胎協(xié)會TRA年鑒介紹的

9、公式進行計算。該公式是在輪輞寬度W1與充氣斷面寬S1的比值等于62.5%的標準條件下經(jīng)試驗得出的經(jīng)驗公式。故應用此公式時、需有在理想輪輞上輪胎斷面寬的換算公式與之配套使用。近年來，輪胎向低斷面發(fā)展，越來越扁平化，其理想輪輞上的充氣斷面寬公式還必須另有公式進行再校正使用。 由于輪胎規(guī)格品種繁多，因此出現(xiàn)一系列不同的計算理想輪輞上充氣斷面寬的配套公式，這里僅以輕型載重汽車輪胎和轎車輪胎為例做一簡單介紹。,輕型載重汽車輪胎負荷計算公式為:,式中 W負荷能力，KN； K負荷系數(shù)(輕卡普通斷面子午線輪胎單 胎=l.197，雙胎=0.88單胎負荷)； P內(nèi)壓，kPa； DR輪輞名義直徑，cm； S 為62

10、.5%的理想輪輞上的輪胎充 氣斷面寬，cm； W1設計輪輞寬度，cm； S1在設計輪輞上的輪胎斷面寬度，cm； H1新胎斷面高度，cm；,轎車輪胎負荷能力計算公式為：,式中 W負荷能力，KN K負荷系數(shù)(78系列，82系列套用 K=1.745,70 系列K=1.655); P內(nèi)壓，kPa DR輪輞名義直徑，cm W1設計輪輞寬度，cm; S1在設計輪輞上的輪胎斷面寬度，cm H新胎斷面高度(普通斷面輪胎為1.0l設計斷面 高，扁平輪胎為1.02設計斷面高)，cm,負荷計算示例 以6.50R16-10PR輪胎為例,已知條件: P=549kPa, W1 =14.0cm，DR =40.6cm，H=1

11、7.2CM，S118.5cm,計算公式為:,先計算,計算d,d=0.9617.8517.2=0.064(cm),計算S,計算Sd,Sd=17.13-0.637(-0.064)=17.17(cm),計算 W,=0.889.485=8.437KN,KN,1、模型外直徑D和斷面寬B的確定 到目前為止，還沒有科學的方法來確定輪胎硫化模型尺寸與充氣壓后輪胎尺寸之間的關系，因此子午胎的設計也只能根據(jù)經(jīng)驗考慮不同的胎體簾線的伸長性能、輪胎斷面輪廓形狀、帶束層角度和長度等的影響來選擇充氣輪胎與硫化模型之間斷面寬和外直徑的膨脹比。下表列出載重和輕卡子午線輪胎充氣斷面寬(B)和模型斷面寬(B)對不同胎體簾線的斷面

12、膨脹比的取值范圍。,三、 輪廓設計主要結(jié)構參數(shù)的選取,有關轎車子午線輪胎的B/B值，應隨其系列HB扁平比的不同而變化。以人造絲胎體而言，B/B取值約為1.0051.03，一般來講，扁平比低的取值?。环粗?，就取大值。,不同胎體簾線的斷面寬膨脹比值,因為子午線輪胎的外直徑膨脹率要比斜交輪胎小很多，故其充氣后的外直徑變化甚小(大致增加12mm)。據(jù)此，模型斷面外直徑一般可取與標準規(guī)定的新胎充氣外直徑相當或稍小的尺寸。 根據(jù)國家標準確定輪輞類型、寬度、充氣外直徑D、充氣斷面寬B之后，就應著手確定模型尺寸，可確定模型外直徑D與模型斷面寬B。因為輪胎在充氣狀態(tài)下工作，充氣外緣尺寸大，但增大的程度遠比斜交輪

13、胎小，特別是低斷面纖維胎體鋼絲帶束的轎車胎，斷面寬和外徑的膨脹率就更小。,轎車子午線輪胎，高寬比為0.70.8時(人造絲胎體鋼絲帶束層結(jié)構)充氣后外徑一般膨脹02mm,斷面寬膨脹02%。根據(jù)經(jīng)驗，子午線輪胎D/D值大約在1.0001.003之間，B/B值為1.001.02左右。 幾種轎車子午線輪胎斷面膨脹率如表4-1所示。,表4-1 幾種轎車子午胎斷面膨脹率,根據(jù)輪胎外直徑和內(nèi)直徑，可計算得到斷面高H：,2、斷面水平軸位置確定 斷面水平軸位于斷面最寬點，是輪胎法向變形最大部位，用數(shù)值H1/H2表示。 普通斜交輪胎H1/H2值大約在0.830.95間，而子午線輪胎通常在1.01.12左右，轎車輪

14、胎約在1.001.20之間。 子午線輪胎值H1/H2大于普通斜交輪胎，原因在于子午線輪胎胎體簾線垂直于鋼圈呈輻射形排列，故胎圈所受應力遠遠大于普通斜交輪胎。水平軸遠離胎圈，使法向變形最大值靠近胎冠，可減少胎圈變形，改善胎圈脫層相磨損。,子午線輪胎斷面最寬點半徑的位置要比斜交輪胎的高，能使其變形落在水平軸以上帶束層端點以下的上胎側(cè)高(H2)區(qū)域之內(nèi)，并減小下胎側(cè)高(H1)區(qū)域的應力和胎圈的應力。由于子午線輪胎胎體簾線呈徑向排列，其鋼絲圈承受力要比斜交輪胎的大，故斷面最寬點半徑要取得高一些來減輕承受力。 一般轎車子午胎的H1/ H2取值為1.01.2，載重子午線胎最高可達1.4。,據(jù)美國專利介紹，

15、載重子午線輪胎的斷面高(H)與斷面寬(B)之比為1時的H2確定方法，計算公式為： H2(HFH)0.59 式中 H2輪胎斷面上胎側(cè)高； FH輪輞的輪緣高。 根據(jù)RCOT理論設計轎車子午線輪胎的斷面最寬點半徑，要比傳統(tǒng)法設計的取值大。,3、行駛面寬度b和弧度高h的確定 子午線輪胎行駛面弧度的選取，主要與輪胎扁平比和帶束層剛性有關，此外，行駛面弧度半徑(n)與行駛面寬度(b)、帶束層寬度(Bw)與行駛面寬度、行駛面弧度高(A)與斷面高、行駛面寬度與斷面寬度之比及胎體簾線類型等都有相當大的影響。,帶束層剛性對行駛面寬度內(nèi)的花紋磨耗均勻性有很大的關系，如二層帶束層輪胎的行駛面邊端直徑增大，要比四層的大

16、得多。因此，對多層鋼絲帶束層輪胎來說，應采用較小的行駛面弧度，因在此情況下，行駛面弧度大會減小接地面積，從而對胎面的耐磨性、磨耗均勻性和抓著性都會有不良的影響。,為保證輪胎與路面之間在行駛面寬度范圍之內(nèi)有較大的接地面積，子午胎的h與H之比一般宜取0.020.04，b與B之比為0.70.85。 n與b之比和Bw與b之比對輪胎的耐磨性和耐久性也有較大的影響，為了兼顧兩者的性能，Bw/b值為0.941.05較為適宜，而n/b之值，轎車子午線輪胎為2.12.5、載重子午線輪胎為1.31.8。子午線輪胎屬低斷面，外直徑較小，因此接地印痕長軸較短，為了不減少輪胎的接地面積，應隨著高寬比的減少而適當增加行駛

17、面寬度b，減少弧度高h既可改進輪胎的制動性，又可提高胎面的耐磨性能。,b、h的取值與輪胎類型;花紋型式，路面條件有關，取決于帶束層剛性，亦要考慮行駛面弧度半徑R與行駛面寬b的比值，帶束層寬度BW與b的比值。 帶束層剛性對胎面磨耗均勻性影響很大，多層剛性大的鋼絲帶束層子午線輪胎應采用較小的行駛面弧度高，以增大輪胎與路面的接地面積。,一般子午線輪胎h/H為0.020.04,相應，b/B取值為0.700.85。轎車子午線輪胎間增大b和減小h的趨勢發(fā)展，但行駛面寬度一般不應超過下胎側(cè)弧度與輪輞曲線交點之間的距離。高速輪胎行駛面寬度應比常速輪胎窄，通常取斷面寬的6570%，以改善胎肩部應變狀況和減小滾動

18、損失。,4、胎圈間距的選取 胎圈間距(C)一般選用與輪輞寬度相等或者也可小于輪擱間距，但不超過1525mm，C值小于輪輞寬度可提向輪胎的耐磨性能和側(cè)向剛性。 C與B之比，一般而言，轎車子午線輪胎為0.70.8，載重子午線輪胎為0.70.75。,5、斷面高與斷面寬之比 對子午線輪胎而言，H/B之比可不必直接選取，這是由于子午線輪胎外直徑變化很小，斷面高也就成了定值。斷面寬主要受胎體簾線性能的影響，由B/B的膨脹比來確定。另外，轎車子午線輪胎和寬輪輞載重子午線輪胎都有相應的系列，其HB之比大體上成為定值。據(jù)介紹載重子午線輪胎HB為0.961.05，轎車子午線輪胎為0.800.85。但對寬輪輞低斷面

19、載重子午線輪胎和轎車子午線輪胎來說，都因有相應的系列分類，HB比值的選取可由其系列分類而定。,美藉華人黃祟期先生和歐杰先生推薦的一種子午線輪胎結(jié)構設計方法，即是以平衡輪廓理論為依據(jù)，以薄膜-網(wǎng)絡理論為基礎。該理論最初應用于斜交輪胎輪廓設計，后來也用于子午錢輪胎，假設的條件是： 認為充氣壓力是唯一的作用應力，而且應力僅僅作用于薄膜壁之上； 對剪切和屈撓力均可忽略不計，當輪胎充氣時，胎體所受應力是均勻分布的。這樣的輪廓曲線稱為“自然平衡輪廓曲線”。見圖所示。,四、斷面輪廓曲線的設計,從靜態(tài)力學平衡方程式中得出充氣輪胎平衡輪廓曲率半徑公式（1）如下。由于子午線輪胎胎體簾線角度為90。(也有稱0)，其

20、曲率半徑公式可簡化為公式(2)。,1帶束層；2均勻胎體應力，3胎圈,自然平衡輪廓曲線,斜交輪胎,式中 輪廓任意點的曲率半徑 rk胎冠點半徑 rm斷面最寬點半徑 胎冠點簾線角 r輪廓任意點半徑,（1）,子午線輪胎,從公式(2)中可以看出，只要確定rk和rm后，即可求得輪廓上任意點的曲率半徑()。根據(jù)各點不同的曲率半徑作出平衡輪廓曲線。由于胎體具有一定厚度，故應以胎體層的中線來計算平衡輪廓曲線較為合理。具體設計步驟分述如下：,（2）,1、確定有關設計參數(shù) 需要先確定的輪胎設計參數(shù)有：輪胎外半徑(R)，輪胎斷面寬(B)，胎圈間距(或輪輞寬度)(C)，子口著合半徑(rt)，輪胎行駛面弧度半徑(1)，胎

21、面至簾布層中線的厚度(m)，胎側(cè)至簾布層中線的厚度(n)，輪輞邊緣半徑(即輪輞邊緣至旋轉(zhuǎn)軸的距離)(rf)。,2、求出斷面上某些點至旋轉(zhuǎn)軸的半徑 從理論上來講，平衡輪廓曲線上各點的曲率半徑均不相同，但在實際上為了方便計算和合理制造模型，可不必要求很多曲率半徑，而只需尋求幾個典型位置點的曲率半徑和曲率過渡節(jié)點位置，如胎冠點(A)、斷面最寬點(B)等，見圖2所示。,典型點位置的確定,求出典型點至旋轉(zhuǎn)鈾的半徑： rk=R-m rm=(R+rt)/2 (或按確定的斷面最寬點半徑) 下胎側(cè)k點半徑： rk=rm-k/2,3、求出斷面上典型點的曲率半徑 胎冠點曲率半徑(2)： 21m 斷面最寬點胎側(cè)曲率半徑（3） ： 3（rk2-rm2）/2rm 胎肩曲率半徑（4）： 4（rk2-rm2）/2rk 下胎側(cè)k點曲本半徑(5)： 5（rk