第四章子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).ppt

1、輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),第四章 子午線輪胎設(shè)計(jì)與制造,學(xué)習(xí)目的與要求 通過(guò)學(xué)習(xí)掌握子午線輪胎的技術(shù)設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)方法；掌握子午線輪胎的配方設(shè)計(jì)原則和成型工藝；熟練了解子午線輪胎的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；了解子午線輪胎各部件膠料配方設(shè)計(jì)方法；了解半成品部件準(zhǔn)備及硫化工藝。,第四章 子午線輪胎設(shè)計(jì)與制造,第一節(jié) 子午線輪胎結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 第二節(jié) 子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三節(jié) 子午線輪胎施工設(shè)計(jì),第一節(jié) 子午線輪胎結(jié)構(gòu)特點(diǎn),一、子午線輪胎的外胎構(gòu)造 子午線輪胎(Radial Tire)從所采用的骨架材料來(lái)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(xì)構(gòu)造分別介紹如下。,載重子午線結(jié)構(gòu)輪胎的結(jié)構(gòu) 胎體:多數(shù)采用單層鋼絲簾布構(gòu)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(qiáng)層和子口護(hù)膠等部件構(gòu)成。 胎面膠:胎面上層膠、下層膠 胎側(cè)膠: 見(jiàn)圖4-1。,轎車子午線輪胎結(jié)構(gòu) 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(shù)設(shè)計(jì)要有時(shí)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(fù)合硬膠芯和子口護(hù)膠）、內(nèi)襯層等構(gòu)成。胎圈結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-2所示。,胎面膠,胎面

3、下層膠,胎側(cè)膠,子口護(hù)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(gòu)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(yīng)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(gòu)使： 帶束層承受由內(nèi)壓引起的初始應(yīng)力的6075%；,胎體簾線強(qiáng)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(yīng)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(yīng)力比斜交輪胎大。 因此，這兩種結(jié)構(gòu)的輪胎，它們的斷面形狀、胎圈結(jié)構(gòu)、帶束層結(jié)構(gòu)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(gòu)設(shè)計(jì),一、子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序 二、技術(shù)要求的確定 三、輪廓設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取 四、斷面輪廓曲線的設(shè)計(jì) 五、子午線輪胎帶束層的設(shè)計(jì)與計(jì)算 六、子午線輪胎胎體簾線的應(yīng)力計(jì)算,子午線輪胎由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，應(yīng)與斜交輪胎的設(shè)計(jì)方法有所不同。然而，就其設(shè)計(jì)原理來(lái)說(shuō)，至今仍

5、是普遍采用薄膜理論，只不過(guò)在具體設(shè)計(jì)方法上，近年來(lái)卻涌現(xiàn)出了許多創(chuàng)見(jiàn)。由于電于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使輪胎各部位受力均勻的自然平衡輪廓設(shè)計(jì)方法，逐步演變?yōu)楦鞑课粦?yīng)力合理分布的非平衡輪廓設(shè)計(jì)方法，特別是有限元分析法的引用，有可能真實(shí)地模擬輪胎在實(shí)際使用狀態(tài)下的斷面輪廓形狀，并分析其應(yīng)力應(yīng)變的分布合理匹配，從而得到優(yōu)化方案以設(shè)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(shè)計(jì)方法，如： 日本石橋（普利斯通）公司的RCOT (最佳滾動(dòng)輪廓)理論，適用于轎車子午線輪胎的設(shè)計(jì)；TCOT(最佳張力控制)理論，適用于載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)； 日本橫濱公司的STEM(應(yīng)變能量最小化)理論。 日本東洋公司

6、的DSOC(動(dòng)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(shè)計(jì)； 前蘇聯(lián)的CSSOT(應(yīng)力應(yīng)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(duì)周期性應(yīng)力應(yīng)變的影響。,子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與斜交輪胎一樣分兩階段進(jìn)行。 第一階段為技術(shù)設(shè)計(jì)：主要任務(wù)是： 收集為設(shè)計(jì)提供依據(jù)的技術(shù)資料 確定輪胎的技術(shù)性能要求 設(shè)計(jì)外胎內(nèi)外輪廓曲線 設(shè)計(jì)外胎面花紋 設(shè)計(jì)繪制外胎花紋總圖,一、子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序,第二階段為施工設(shè)計(jì)：主要任務(wù)是： 確定外胎成型方法 確定成型鼓直徑及機(jī)頭寬度 繪制材料分布圖 制定施工標(biāo)準(zhǔn)表 最后提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件（包括技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）。 雖然子午胎的設(shè)計(jì)與斜交輪胎

7、相同，但在各個(gè)設(shè)計(jì)階段，其設(shè)計(jì)參數(shù)的取值，特別是施工設(shè)計(jì)與斜交輪胎差別很大，需用專門(mén)的成型機(jī)才能完成。,1子午線輪胎設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備 （1）搜集技術(shù)資料作為設(shè)計(jì)依據(jù) 與斜交輪胎設(shè)計(jì)前一樣，必須搜集有關(guān)的技術(shù)資料。例如：車輛類型及技術(shù)資料 車速及路面條件，輪軸情況，輪胎使用要求及經(jīng)濟(jì)性，安全性等。 （2）確定技術(shù)性能 輪胎類型、規(guī)格、層級(jí)、簾布層數(shù)及胎面花紋型式；最大負(fù)荷和相應(yīng)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(shù)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(lái)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(diǎn)是耐熱性極好，強(qiáng)度高，同時(shí)伸長(zhǎng)率極小，對(duì)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(jī)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(fù)荷能力計(jì)算 負(fù)荷能力計(jì)算與斜交輪胎采用相同的計(jì)算方法，一般根據(jù)美國(guó)輪胎協(xié)會(huì)TRA年鑒介紹的

9、公式進(jìn)行計(jì)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(biāo)準(zhǔn)條件下經(jīng)試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式。故應(yīng)用此公式時(shí)、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(lái)，輪胎向低斷面發(fā)展，越來(lái)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(jìn)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(jì)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(jiǎn)單介紹。,輕型載重汽車輪胎負(fù)荷計(jì)算公式為:,式中 W負(fù)荷能力，KN； K負(fù)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(fù)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(shè)計(jì)輪輞寬度，cm； S1在設(shè)計(jì)輪輞上的輪胎斷面寬度，cm； H1新胎斷面高度，cm；,轎車輪胎負(fù)荷能力計(jì)算公式為：,式中 W負(fù)荷能力，KN K負(fù)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(shè)計(jì)輪輞寬度，cm; S1在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)斷面 高，扁平輪胎為1.02設(shè)計(jì)斷面高)，cm,負(fù)荷計(jì)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(jì)算公式為:,先計(jì)算,計(jì)算d,d=0.9617.8517.2=0.064(cm),計(jì)算S,計(jì)算Sd,Sd=17.13-0.637(-0.064)=17.17(cm),計(jì)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(méi)有科學(xué)的方法來(lái)確定輪胎硫化模型尺寸與充氣壓后輪胎尺寸之間的關(guān)系，因此子午胎的設(shè)計(jì)也只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮不同的胎體簾線的伸長(zhǎng)性能、輪胎斷面輪廓形狀、帶束層角度和長(zhǎng)度等的影響來(lái)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(duì)不同胎體簾線的斷面

12、膨脹比的取值范圍。,三、 輪廓設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取,有關(guān)轎車子午線輪胎的B/B值，應(yīng)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(lái)講，扁平比低的取值??；反之，就取大值。,不同胎體簾線的斷面寬膨脹比值,因?yàn)樽游缇€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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的新胎充氣外直徑相當(dāng)或稍小的尺寸。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定輪輞類型、寬度、充氣外直徑D、充氣斷面寬B之后，就應(yīng)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?yàn)檩喬ピ诔錃鉅顟B(tài)下工作，充氣外緣尺寸大，但增大的程度遠(yuǎn)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(shí)(人造絲胎體鋼絲帶束層結(jié)構(gòu))充氣后外徑一般膨脹02mm,斷面寬膨脹02%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(diǎn)，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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通斜交輪胎。水平軸遠(yuǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yīng)力和胎圈的應(yīng)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(diǎn)半徑要取得高一些來(lái)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(dá)1.4。,據(jù)美國(guó)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(shí)的H2確定方法，計(jì)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(shè)計(jì)轎車子午線輪胎的斷面最寬點(diǎn)半徑，要比傳統(tǒng)法設(shè)計(jì)的取值大。,3、行駛面寬度b和弧度高h(yuǎn)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(guān)，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(dāng)大的影響。,帶束層剛性對(duì)行駛面寬度內(nèi)的花紋磨耗均勻性有很大的關(guān)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(duì)多層鋼絲帶束層輪胎來(lái)說(shuō)，應(yīng)采用較小的行駛面弧度，因在此情況下，行駛面弧度大會(huì)減小接地面積，從而對(duì)胎面的耐磨性、磨耗均勻性和抓著性都會(huì)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(duì)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(zhǎng)軸較短，為了不減少輪胎的接地面積，應(yīng)隨著高寬比的減少而適當(dāng)增加行駛

17、面寬度b，減少弧度高h(yuǎn)既可改進(jìn)輪胎的制動(dòng)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(guān)，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(duì)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(yīng)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(yīng)，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(shì)發(fā)展，但行駛面寬度一般不應(yīng)超過(guò)下胎側(cè)弧度與輪輞曲線交點(diǎn)之間的距離。高速輪胎行駛面寬度應(yīng)比常速輪胎窄，通常取斷面寬的6570%，以改善胎肩部應(yīng)變狀況和減小滾動(dòng)

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(guò)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(duì)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(lái)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(yīng)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(duì)寬輪輞低斷面

19、載重子午線輪胎和轎車子午線輪胎來(lái)說(shuō)，都因有相應(yīng)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(gòu)設(shè)計(jì)方法，即是以平衡輪廓理論為依據(jù)，以薄膜-網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)。該理論最初應(yīng)用于斜交輪胎輪廓設(shè)計(jì)，后來(lái)也用于子午錢(qián)輪胎，假設(shè)的條件是： 認(rèn)為充氣壓力是唯一的作用應(yīng)力，而且應(yīng)力僅僅作用于薄膜壁之上； 對(duì)剪切和屈撓力均可忽略不計(jì)，當(dāng)輪胎充氣時(shí)，胎體所受應(yīng)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(jiàn)圖所示。,四、斷面輪廓曲線的設(shè)計(jì),從靜態(tài)力學(xué)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(jiǎn)化為公式(2)。,1帶束層；2均勻胎體應(yīng)力，3胎圈,自然平衡輪廓曲線,斜交輪胎,式中 輪廓任意點(diǎn)的曲率半徑 rk胎冠點(diǎn)半徑 rm斷面最寬點(diǎn)半徑 胎冠點(diǎn)簾線角 r輪廓任意點(diǎn)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(diǎn)的曲率半徑()。根據(jù)各點(diǎn)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(yīng)以胎體層的中線來(lái)計(jì)算平衡輪廓曲線較為合理。具體設(shè)計(jì)步驟分述如下：,（2）,1、確定有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù) 需要先確定的輪胎設(shè)計(jì)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(diǎn)至旋轉(zhuǎn)軸的半徑 從理論上來(lái)講，平衡輪廓曲線上各點(diǎn)的曲率半徑均不相同，但在實(shí)際上為了方便計(jì)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(gè)典型位置點(diǎn)的曲率半徑和曲率過(guò)渡節(jié)點(diǎn)位置，如胎冠點(diǎn)(A)、斷面最寬點(diǎn)(B)等，見(jiàn)圖2所示。,典型點(diǎn)位置的確定,求出典型點(diǎn)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(diǎn)半徑) 下胎側(cè)k點(diǎn)半徑： rk=rm-k/2,3、求出斷面上典型點(diǎn)的曲率半徑 胎冠點(diǎn)曲率半徑(2)： 21m 斷面最寬點(diǎn)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(diǎn)曲本半徑(5)： 5（rk