轮胎Chapter3

1、 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院第三章第三章 轮胎结构设计轮胎结构设计3-1 轮胎结构设计的理论基础轮胎结构设计的理论基础一、轮胎结构设计的经典理论一、轮胎结构设计的经典理论1薄膜网络理论薄膜网络理论(Membrance Netting Theory)薄膜网络理论的假设条件：薄膜网络理论的假设条件： （1）轮胎胎体无厚度；）轮胎胎体无厚度；（2）胎体应力都由网络帘线承担，并在断面方向上无剪切应力；）胎体应力都由网络帘线承担，并在断面方向上无剪切应力；（3）胎体帘线无伸长；）胎体帘线无伸长；（4）轮胎只受唯一的内压应力作用。）轮胎只受唯一的内压应力作用。2. 层合理论（层合理论（Lam

2、inate Theory） 轮胎是由多层帘线轮胎是由多层帘线/橡胶复合单层板所组成。研究由两层或两层以上单层板橡胶复合单层板所组成。研究由两层或两层以上单层板组合成为整体结构叠层板的力学性能，称为层合（叠层）理论。组合成为整体结构叠层板的力学性能，称为层合（叠层）理论。 （1） 层和理论在轮胎结构力学中应用状况：层和理论在轮胎结构力学中应用状况： 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院 考虑了轮胎各部位不同的材料性质，更反映了轮胎结构的真实性。考虑了轮胎各部位不同的材料性质，更反映了轮胎结构的真实性。能用于研究子午胎的带束层结构力学性质问题。能用于研究子午胎的带束层结构力学性质问题。 对研究

3、斜交胎的断面形状与应力对研究斜交胎的断面形状与应力-应变分析颇为有效。应变分析颇为有效。计算过程比较复杂，必须与薄壳理论结合应用。计算过程比较复杂，必须与薄壳理论结合应用。（2）层合理论的局限性：）层合理论的局限性： 假定帘线假定帘线/橡胶复合材料的应变较小，与应力呈线性关系，但在轮胎使用过程橡胶复合材料的应变较小，与应力呈线性关系，但在轮胎使用过程中，某些部位的中帘线与橡胶间会发生较大的变形并属非线性。中，某些部位的中帘线与橡胶间会发生较大的变形并属非线性。 假定帘线假定帘线/橡胶复合材料的压缩模量和拉伸模量相等。实际上覆胶帘线拉伸模橡胶复合材料的压缩模量和拉伸模量相等。实际上覆胶帘线拉伸模

4、 量与压缩模量之比相差较大。量与压缩模量之比相差较大。 假设橡胶与帘线的界面之间有完好的粘合性能，但实际上帘线假设橡胶与帘线的界面之间有完好的粘合性能，但实际上帘线/橡胶复合材料的橡胶复合材料的一些弹性常数与它们之间界面粘合的优劣有着明显的差异。一些弹性常数与它们之间界面粘合的优劣有着明显的差异。 假定变形速度和温度对帘线假定变形速度和温度对帘线/橡胶应力橡胶应力-应变影响很小，可以忽略不计，但实际上应变影响很小，可以忽略不计，但实际上复合材料模量与变形速度成幂函数关系。复合材料模量与变形速度成幂函数关系。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院二、轮胎的现代设计理论二、轮胎的现代设计理论1

5、、有限元法、有限元法(Finite Element Method)在轮胎设计中的应用在轮胎设计中的应用有限元法从结构分析方法来看，根据采用矩阵代数法的不同可分为：有限元法从结构分析方法来看，根据采用矩阵代数法的不同可分为：位移矩阵法：选用节点位移作未知变量，以解位移矩阵法：选用节点位移作未知变量，以解“平衡平衡”方程式来计算位移，方程式来计算位移， 在这些方程式中的系数构成在这些方程式中的系数构成“刚度刚度”矩阵。矩阵。力矩阵法：以残余力作未知变量，用解力矩阵法：以残余力作未知变量，用解“相似相似”方程式来计算力，在这些方程方程式来计算力，在这些方程 式中的系数构成式中的系数构成“柔度柔度”矩

6、阵。矩阵。混合法：混合法： 位移和力两者都计算，其系数矩阵包括刚度和柔度两种的组合。位移和力两者都计算，其系数矩阵包括刚度和柔度两种的组合。 假定叠层板的轮胎结构中所有帘布层平面相互平行，但实际上胎体中的帘布层假定叠层板的轮胎结构中所有帘布层平面相互平行，但实际上胎体中的帘布层并不平行，如靠近胎圈帘布层反包差级边部和带束层端部的垫胶。并不平行，如靠近胎圈帘布层反包差级边部和带束层端部的垫胶。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院平面模型及横截面上的边界条件The plane model and the boundary conditions on the crossing section接

7、触问题的三维模型The three-dimensional contacting model 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院 a b c下沉量不同时接触面内的应力分布The Von Mises stress distributions with respect to different sinking magnitude in the contacting area 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院a b 接地面内的摩擦力分布The shear stress distribution in the contacting area 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院图6

8、带束层应力分布Fig 6 The stress distribution in the breaker 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院轮胎横截面剪应力分布 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院 模拟结果 测量结果 相对误差 B（mm） 266.41 261 2.07%D（mm） 1028.89 1026 0.28%模拟结果与测量结果的比较 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院胎圈胎侧部位的应力分布The stress distributions in the bead and side 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院2、RCOT理论（理论（Rolling Conto

9、ur Optimization Theory） 最佳滚动轮廓理论最佳滚动轮廓理论 下沉量为28mm时轮胎接地印痕下沉量为28mm时轮胎接地法向应力分布 轮胎充气压力为800KPa时接触状态充气压力为800KPa时轮胎接触及变形 加载400Kg下沉量10mm时接地印痕加载400Kg下沉量10mm时接触摩擦力 下沉量10mm时接触法向力 下沉量14.6mm时接触法向力 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院)sin2(2110RbPaT式中：式中：T0-带束层应力带束层应力 b-带束层宽度带束层宽度 P-充气压力充气压力 R1-断面轮廓曲率半径断面轮廓曲率半径 a-带束层直径带束层直径3、TCO

10、T理论（理论（Tension Contour Optimization Theory）最佳张力控制理论）最佳张力控制理论 1988年年BS公司提出，在公司提出，在RCOT基础上，在不改变轮胎原有结构材料的基础上，基础上，在不改变轮胎原有结构材料的基础上，通过控制轮胎的充气后的断面应力分布和充气形状改变轮胎使用性能。通过控制轮胎的充气后的断面应力分布和充气形状改变轮胎使用性能。RCOT理论的基本依据是薄膜理论，应用了轮胎断面轮廓结构参数与带束层应力理论的基本依据是薄膜理论，应用了轮胎断面轮廓结构参数与带束层应力的关系式：的关系式： 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院大大提高轮胎的耐久性。大

11、大提高轮胎的耐久性。 提高行驶安全性。提高行驶安全性。 降低滚动阻力，提高了节油率。降低滚动阻力，提高了节油率。提高了耐磨耗性能。提高了耐磨耗性能。 改善操纵稳定性。改善操纵稳定性。 4STEM理论（理论（Strain Energy Minimization）负荷时应变能最小理论）负荷时应变能最小理论 采用采用STEM理论进行轮胎设计的效果：理论进行轮胎设计的效果： 降低应变能降低应变能 。降低行驶中轮胎的表面温度。降低行驶中轮胎的表面温度。 提高了耐偏磨性能和操纵稳定性。提高了耐偏磨性能和操纵稳定性。采用采用TCOT轮廓的轮胎比传统轮廓的轮胎改善了如下几方面的性能：轮廓的轮胎比传统轮廓的轮胎

12、改善了如下几方面的性能： 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院5DSOC 、DSOC-T理论理论（1）DSOC理论的分析过程可分为两个阶段，理论的分析过程可分为两个阶段，DS阶段和阶段和OC阶段。阶段。DS阶段（阶段（Dynamic Simulation）,意思是动态模拟。意思是动态模拟。OC阶段（阶段（Optimized Contour）, 意思是最佳轮廓。意思是最佳轮廓。 （2）DSOC-T理论理论 日本东洋公司在提出日本东洋公司在提出DSOC理论之后，又推出的一种新理论理论之后，又推出的一种新理论DSOC-T（Dynamic Stability Optimized Contact T

13、heory动态稳定最佳化接地面理论）。动态稳定最佳化接地面理论）。6PSP和和PSP-F理论理论 PSP PSP为为PrestressPrestress Profile Profile的缩写即预应力轮廓的意思，是由日本佳的缩写即预应力轮廓的意思，是由日本佳友公司在友公司在19871987年提出的理论年提出的理论 。其设计思想是通过模型轮廓设计使充气后。其设计思想是通过模型轮廓设计使充气后的轮胎肩部变形大于胎面中心来实现胎面平坦化，同时带束层端部也得的轮胎肩部变形大于胎面中心来实现胎面平坦化，同时带束层端部也得到一定的预应力，使带束层端部和中部应力差减少。到一定的预应力，使带束层端部和中部应力差

14、减少。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院“PSP-F”又增加了又增加了“时间因素时间因素”，称为，称为“第四代理论第四代理论”(F即为即为Fourth的简写的简写).PSP-F理论的技术特点是：理论的技术特点是： 胎体轮廓曲率半径胎体轮廓曲率半径R1/ R2之比设定在最佳范围，以保证行驶时的胎体之比设定在最佳范围，以保证行驶时的胎体形状变化最小；形状变化最小； 采用平坦的胎面弧度，以达到最佳接地形状和接地压力分布，可大幅度采用平坦的胎面弧度，以达到最佳接地形状和接地压力分布，可大幅度提高在行驶作用中的耐偏磨性；提高在行驶作用中的耐偏磨性；胎肩厚度减薄，有利于提高耐久性。胎肩厚度减薄，有

15、利于提高耐久性。6CSSOT理论（理论（Circle Strain Optimization Theory ）周期性应力）周期性应力-应变优化理论应变优化理论 周期性应力周期性应力-应变优化理论（应变优化理论（CSSOT）的主要内容：）的主要内容：静态和动态应力静态和动态应力-应变分量的数学模型与计算步骤应变分量的数学模型与计算步骤多种复合应力状态下增强弹性体的疲劳强度多种复合应力状态下增强弹性体的疲劳强度 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院三、薄膜理论轮胎骨架材料及钢丝圈受力三、薄膜理论轮胎骨架材料及钢丝圈受力（1）正弦定理）正弦定理kkRrsinsin00推导过程如下：推导过程如下：

16、 假设帘线是非伸长的，各帘布层之间帘线交叉的节点不发生滑动位移，假设帘线是非伸长的，各帘布层之间帘线交叉的节点不发生滑动位移，因此通过任意两点所作的圆周夹角因此通过任意两点所作的圆周夹角 在帘布筒和轮胎中是不变化的。在帘布筒和轮胎中是不变化的。ddlAB 111dlBA帘布筒上一小单元帘线段帘布筒上一小单元帘线段AB的长度的长度 成品轮胎上一小单元帘线段成品轮胎上一小单元帘线段11BA的长度的长度 对应的圆周角为对应的圆周角为d，相应在圆周上的投影为，相应在圆周上的投影为dr 0, r, r0 0为帘布筒半径为帘布筒半径 由于成品轮胎上的帘线段位于同一个径向断面内，对应圆周角由于成品轮胎上的帘

17、线段位于同一个径向断面内，对应圆周角d在圆周方向上的投影等于在圆周方向上的投影等于,这里这里r为成品轮胎中帘线段至车轮旋转轴的距离为成品轮胎中帘线段至车轮旋转轴的距离 dr 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院由此分别出半成品帘布筒和成品轮胎径向断面上帘线角度的正弦函数关系式为：由此分别出半成品帘布筒和成品轮胎径向断面上帘线角度的正弦函数关系式为：（帘布筒）（帘布筒） dldr00sin( (轮胎轮胎) ) 1sindldr式中式中0与与分别表示帘布筒和轮胎中的帘线角度。假设帘线是非伸长的，即在分别表示帘布筒和轮胎中的帘线角度。假设帘线是非伸长的，即在1dldl 的条件下，得到的条件下，得

18、到 00sinsinrr 但在实际使用中多数不是非伸长帘线，因此该定律只适用于成品轮胎中胎冠点但在实际使用中多数不是非伸长帘线，因此该定律只适用于成品轮胎中胎冠点和断面内轮廓线上任一点的帘线角度变化关系。按以上所述，可找出胎冠点帘线角和断面内轮廓线上任一点的帘线角度变化关系。按以上所述，可找出胎冠点帘线角度的正弦定律关系式：度的正弦定律关系式：00sinsinrrkk 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院（2）骨架帘线受力）骨架帘线受力 kkkkiRrRpN2202cos2)(（3 3）钢丝圈受力）钢丝圈受力kckrRpTcoscos2)(2202 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院

19、 3-2 3-2 轮胎结构设计轮胎结构设计一、设计目的一、设计目的二、主要技术参数的确定二、主要技术参数的确定 技术参数可以查国家标准或根据厂家要求对技术资料进行收集和研究。技术参数可以查国家标准或根据厂家要求对技术资料进行收集和研究。内容包括如下数项：内容包括如下数项：1、车辆技术性能；、车辆技术性能；2、车辆使用条件；、车辆使用条件；3、同规格轮胎资料、同规格轮胎资料其中几个主要技术参数有：其中几个主要技术参数有：1 1、轮辋（宽度，直径，形式）、轮辋（宽度，直径，形式）2 2、负荷、负荷 Q Q3 3、气压、气压 P P4 4、充气断面宽、充气断面宽 3%3%B5 5、轮胎充气外直径、轮

20、胎充气外直径 1%1%D 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院三、外胎外轮廓曲线设计三、外胎外轮廓曲线设计1.1.外胎外轮廓的轮廓尺寸外胎外轮廓的轮廓尺寸B B、D D、d d、C C、H H、b b、h h、H H1 1 、H H2 2轮廓尺寸：轮胎硫化模具的内缘尺寸轮廓尺寸：轮胎硫化模具的内缘尺寸（1 1） 断面宽断面宽B B的确定的确定BB- - 断面膨胀率断面膨胀率BBBBB - 轮胎断面宽轮胎断面宽B-充气轮胎断面宽充气轮胎断面宽在在1.091.091.171.17之间。断面高宽比之间。断面高宽比一般断面高宽比一般断面高宽比BH1 1的斜交胎，断面宽膨胀率的斜交胎，断面宽膨胀率B

21、B/BH1 1 的斜交轮胎，的斜交轮胎，断面宽膨胀率在断面宽膨胀率在1.001.07之间。之间。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院影响膨胀率的因素：影响膨胀率的因素： （1 1）, 1BHBH大的膨胀率大。大的膨胀率大。（2 2）kk越大，越大，越大。越大。BB/（3 3）BCBC越小，越小，BB/越小。越小。（4 4）材料模量）材料模量E EE E越大，越大，越小。越小。BB/（5 5）花纹）花纹 花纹深，花纹深，大（工程胎必须考虑花纹，其他的不考虑）大（工程胎必须考虑花纹，其他的不考虑）BB/（6 6）工艺：）工艺： 压延（烘干温度，压延（烘干温度，PA6 100 PA6 100

22、105105C C PA66 105PA66 105115115C C 张力张力5.88N/5.88N/根）根）硫化（用硫化机或硫化罐硫化的尼龙胎体轮胎，断面膨胀率硫化（用硫化机或硫化罐硫化的尼龙胎体轮胎，断面膨胀率BB/应分别取值。应分别取值。 用硫化机硫化的尼龙轮胎用硫化机硫化的尼龙轮胎 BB/相对大一些相对大一些, ,一般取一般取1.151.151.161.16。）。） 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院D-D-轮胎外直径轮胎外直径 （D D - -充气轮胎外直径）充气轮胎外直径）)(/DDDD （2）外直径）外直径D和断面高和断面高H及断面水平轴的确定及断面水平轴的确定轮胎外直径

23、的确定轮胎外直径的确定在在0.9900.9900.9990.999之间，即充气后外直径呈收缩状态。之间，即充气后外直径呈收缩状态。 而尼龙胎体的斜交胎，充气后外直径都增大，一般而尼龙胎体的斜交胎，充气后外直径都增大，一般增大增大0.10.12.5%2.5%。一般断面高宽比一般断面高宽比 1 1 的人造丝胎体斜交轮胎的人造丝胎体斜交轮胎 1 1 ，BHDD 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院)(21dDH断面高的确定断面高的确定D-轮胎外直径轮胎外直径d-着合直径着合直径断面水平轴位置的确定断面水平轴位置的确定 断面水平轴位于断面最宽处，是轮胎在负荷下法向变形最大的位置，用断面水平轴位于断

24、面最宽处，是轮胎在负荷下法向变形最大的位置，用H1/H2表示。一般表示。一般H1/H2值在值在0.800.95范围内，其大小根据材料分布图内轮廓曲线确定。范围内，其大小根据材料分布图内轮廓曲线确定。H1:胎圈基部至断面中心线高度胎圈基部至断面中心线高度H2：断面中心线至胎冠的高度：断面中心线至胎冠的高度H1和和H2值可以通过值可以通过H1/H2值计算求得。值计算求得。 H= H1+H2 H1= H1/H2*H2 H2= H- H1 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院 F1、F2范围内胎侧厚，基本相等，才能保证从坚硬的胎圈和胎肩向柔软胎范围内胎侧厚，基本相等，才能保证从坚硬的胎圈和胎肩向柔

25、软胎侧均匀过渡，才能保证最大曲挠度位于水平轴上。此外，侧均匀过渡，才能保证最大曲挠度位于水平轴上。此外， F1、F2应尽可能大应尽可能大些，以求胎侧部位有较大曲挠范围。些，以求胎侧部位有较大曲挠范围。H1/H2的影响因素：的影响因素：a. H/B值值 H/B取值大，胎侧长，取值大，胎侧长， H1/H2易取大些，使易取大些，使 水平轴适当高些，以防应力集中于胎圈。反之水平轴适当高些，以防应力集中于胎圈。反之H/B小，小，则胎侧短，则胎侧短， H1/H2值应取小些，使水平轴适当低些，以值应取小些，使水平轴适当低些，以免应力集中于胎肩。免应力集中于胎肩。 b. C/B值值 C/B值大，值大， H1/

26、H2取值应小些。取值应小些。c. 花纹深度花纹深度 花纹沟比较深，即胎冠比较厚时，花纹沟比较深，即胎冠比较厚时， H1/H2值应取小些。反之，取大些。值应取小些。反之，取大些。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院（3 3）行驶面宽度）行驶面宽度b b和弧度高和弧度高h h的确定的确定 b b的确定的确定)(BbBb H1/H2值过小即断面水平线位置偏低，接近下胎侧，使用过程中，应力、应值过小即断面水平线位置偏低，接近下胎侧，使用过程中，应力、应变较集中，易造成胎侧子口折断；变较集中，易造成胎侧子口折断；H1/H2值过大则断面水平轴位置较高，应力和应变集中于胎肩部位，容易造值过大则断面水平

27、轴位置较高，应力和应变集中于胎肩部位，容易造成肩空或肩裂。成肩空或肩裂。 b的大小不宜超过胎圈外缘曲线和轮辋边缘曲线相交点宽度，负的大小不宜超过胎圈外缘曲线和轮辋边缘曲线相交点宽度，负荷下有荷下有9598%的宽度与路面接触。的宽度与路面接触。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院b值过大时即行使面过宽时，胎肩增厚，生热量过高，散热困难，以致造成胎值过大时即行使面过宽时，胎肩增厚，生热量过高，散热困难，以致造成胎肩、胎冠脱层而早期损坏，影响轮胎的使用寿命；肩、胎冠脱层而早期损坏，影响轮胎的使用寿命；b值过小即行使面过窄，胎面与路面接触面积小，平均单位压力增大，极易早值过小即行使面过窄，胎面与

28、路面接触面积小，平均单位压力增大，极易早期磨损。期磨损。 h h值的确定值的确定)(HhHh h值过大即胎冠曲率过大，胎面与路面接触面积小，耐磨性能差；值过大即胎冠曲率过大，胎面与路面接触面积小，耐磨性能差；h值过小时，虽然耐磨性能和附着性能得以提高，但胎肩过厚，影响散热。值过小时，虽然耐磨性能和附着性能得以提高，但胎肩过厚，影响散热。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院（4）着合宽度）着合宽度C和着合直径和着合直径d的确定的确定 C C值的确定值的确定 轮胎两胎踵间的距离，称为胎圈着合宽度轮胎两胎踵间的距离，称为胎圈着合宽度C,其值根据设计轮辋宽度其值根据设计轮辋宽度W而定，一般等于或

29、略小于而定，一般等于或略小于W，但不易减小过大，以，但不易减小过大，以1525mm为宜。为宜。 轮胎适用于一种轮辋的，两者采用相同的数值，轮胎适用两种轮辋的，轮胎适用于一种轮辋的，两者采用相同的数值，轮胎适用两种轮辋的，以窄轮辋为准，或者兼顾。以窄轮辋为准，相当于使轮胎的断面水平轴上移，以窄轮辋为准，或者兼顾。以窄轮辋为准，相当于使轮胎的断面水平轴上移，使剪切应力上移到胎肩部位；切忌按宽轮辋取值，以免在窄轮辋上使用时，使剪切应力上移到胎肩部位；切忌按宽轮辋取值，以免在窄轮辋上使用时，造成胎圈应力集中，而早期损坏。造成胎圈应力集中，而早期损坏。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院 d d

30、的确定的确定 胎圈着合直径胎圈着合直径d,根据轮辋的类型和直径设计。其设计原则应满足轮根据轮辋的类型和直径设计。其设计原则应满足轮胎装卸方便和着合紧密两点要求。胎装卸方便和着合紧密两点要求。a.平底轮辋平底轮辋 胎圈着和直径大于轮辋直径胎圈着和直径大于轮辋直径1.01.5毫米。毫米。b.斜底轮辋斜底轮辋 胎踵部分着合直径较轮辋相应部分直径小胎踵部分着合直径较轮辋相应部分直径小1.0 2.0毫米，以便毫米，以便着合紧密。胎趾着合部分直径应较轮辋相应部分直径大着合紧密。胎趾着合部分直径应较轮辋相应部分直径大1.0 1.5毫米。毫米。c.深式轮辋深式轮辋 为着合紧密，胎圈着合直径小于轮辋直径为着合紧

31、密，胎圈着合直径小于轮辋直径1.01.5毫米。毫米。d.无内胎轮辋无内胎轮辋 为保证气密性，胎圈着合直径比轮辋直径小为保证气密性，胎圈着合直径比轮辋直径小2 3毫米。毫米。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院2.外胎各部位弧度的确定外胎各部位弧度的确定Rn R1 R2 R3 R4 R5nRnR（1）胎冠弧度半径）胎冠弧度半径Rn 的设计的设计nRnR 一个弧度半径一个弧度半径R Rn n的设计的设计适于在胎冠较窄，弧度高较小的情况下使用。适于在胎冠较窄，弧度高较小的情况下使用。圆心位于断面水平轴上。圆心位于断面水平轴上。282hhbRn胎冠弧度有两个弧度构成，可收到提高胎冠弧度有两个弧度

32、构成，可收到提高胎面耐磨性能和分散胎肩应力的良好效果。胎面耐磨性能和分散胎肩应力的良好效果。 两个弧度半径两个弧度半径Rn 的设计的设计nR 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院282hhbRn=（2540%）RnnRnR 三个弧度半径三个弧度半径Rn 的设计的设计 nR这种设计既能保证胎冠行驶面的平坦性，提高这种设计既能保证胎冠行驶面的平坦性，提高胎面耐磨性能，又不至于增加胎肩厚度。胎面耐磨性能，又不至于增加胎肩厚度。（2）胎侧弧度半径的确定）胎侧弧度半径的确定上胎侧弧度半径上胎侧弧度半径R R1 1计算公式为：计算公式为：bBLbBhHR22221)(41)(221HL 高分子科学与工

33、程学院高分子科学与工程学院式中式中 L：胎肩切线长度：胎肩切线长度 （L在轮胎断面中心轴的投影长在轮胎断面中心轴的投影长 度约为度约为H2的的50% ，见右图），见右图） aCBcHHaCBR22)1(2)2(412下胎侧弧度半径下胎侧弧度半径R R2 2的确定的确定式中式中 Hc为轮辋轮缘高度为轮辋轮缘高度,由测量所得。由测量所得。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院胎圈曲线弧度半径胎圈曲线弧度半径R R4 4、R R5 5的设计的设计胎圈曲线弧度依据轮辋边缘曲线弧度设计。设计原则是两者要很好的吻合。胎圈曲线弧度依据轮辋边缘曲线弧度设计。设计原则是两者要很好的吻合。胎踵半径胎踵半径R

34、R5 5要大于轮辋相应部位半径要大于轮辋相应部位半径R RE E0.50.51.51.5毫米。毫米。轮辋边缘接触的胎圈半径轮辋边缘接触的胎圈半径R R4 4小于轮辋边缘半径小于轮辋边缘半径R RD D0.5 0.5 1.01.0毫米，圆心低毫米，圆心低1.0 1.0 1.51.5毫米。毫米。下胎侧自由半径下胎侧自由半径R R3 3R R2 2和胎圈轮廓半径和胎圈轮廓半径R R4 4用用R R3 3连接，连接，一般一般R R3 3约为约为R R2 2的的252540%,40%,R R3 3值易小，便于增加下胎侧至胎圈过值易小，便于增加下胎侧至胎圈过渡位置的厚度，加强胎圈强度。渡位置的厚度，加强胎

35、圈强度。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院四、花纹四、花纹1 1、设计原则：、设计原则：花纹要尽可能耐磨，且滚动阻力小。花纹要尽可能耐磨，且滚动阻力小。花纹应生热小，散热快，自洁性能好。花纹应生热小，散热快，自洁性能好。花纹与路面纵向和横向有良好的接着性能。花纹与路面纵向和横向有良好的接着性能。花纹要坚实，耐刺扎，不裂口，不掉块。花纹要坚实，耐刺扎，不裂口，不掉块。还应做到低噪声和美观。还应做到低噪声和美观。2 2、花纹种类、花纹种类1 1）普通花纹：又分横向和纵向花纹）普通花纹：又分横向和纵向花纹适用于沥青路、水泥路、条件好的沙石路。适用于沥青路、水泥路、条件好的沙石路。饱和度饱和度

36、70%-80%70%-80%饱和度指花纹块的面积占行驶面面积的百分比。饱和度指花纹块的面积占行驶面面积的百分比。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院3 3）混合花纹）混合花纹适用于城乡结合部的路况；适用于城乡结合部的路况；饱和度饱和度 50%-60%50%-60%。2 2）越野花纹）越野花纹 适用于崎岖的山路及泥泞的路。饱和度适用于崎岖的山路及泥泞的路。饱和度 40%-50%40%-50% 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院3 3、花纹设计、花纹设计1 1）花纹深度）花纹深度 花纹深度是胎面结构的基

37、本特性之一，可根据国标或计算获得。花纹深度是胎面结构的基本特性之一，可根据国标或计算获得。2 2）花纹角度）花纹角度 与帘线角度差与帘线角度差3 3以上以上3 3）节距）节距 块的宽度块的宽度花纹深度的花纹深度的2 2倍；倍； 块与块之间的距离沟宽的块与块之间的距离沟宽的2 2倍。倍。4 4）截面）截面 五、其它五、其它1 1、排气孔、排气孔 胎肩处加排气孔，所有花纹拐角处加。胎肩处加排气孔，所有花纹拐角处加。2 2、防擦线、防擦线 3 3、定心分度线、定心分度线 定心，防水。定心，防水。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院六、轮胎的内缘曲线六、轮胎的内缘曲线 在设计过程中，首先确定帘布

38、层层数和单层厚度，缓冲层结构和厚度在设计过程中，首先确定帘布层层数和单层厚度，缓冲层结构和厚度以及端点位置，胎面胶、胎侧胶的厚度，以及端点位置，胎面胶、胎侧胶的厚度，然然后进行钢丝圈根数计算和包圈后进行钢丝圈根数计算和包圈方法设计。方法设计。1.1.帘布层数及安全倍数的确定：帘布层数及安全倍数的确定：kkkkniRrRPN2202cos2)(1 . 0单根帘线所受张力计算公式：单根帘线所受张力计算公式：式中式中 N N 单根帘线所受张力，单根帘线所受张力，N/N/根根 P - P - 内压，内压，kPakPa R Rk k - - 胎里半径（胎冠部第一帘布层）胎里半径（胎冠部第一帘布层） R

39、R0 0 - - 零点半径（外胎断面水平轴至旋转轴间的距离）零点半径（外胎断面水平轴至旋转轴间的距离）, cm, cm k k - - 胎冠帘线角度胎冠帘线角度kni- - 胎冠各层帘线密度之和，根胎冠各层帘线密度之和，根/cm/cm 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院332211kkkkinininni帘线密度帘线密度ninik k的计算的计算kKkRRiicoscos000kkRrsin*sin01式中式中 i ik k - - 胎冠帘线密度，胎冠帘线密度， 根根/cm/cm i ik1k1 - - 内帘布层的胎冠帘线密度内帘布层的胎冠帘线密度, ,根根/cm/cm i ik2k2

40、- - 外帘布层的胎冠帘线密度外帘布层的胎冠帘线密度, ,根根/cm/cm i ik3 - k3 - 缓冲层的胎冠帘线密缓冲层的胎冠帘线密, ,根根/cm/cm i i0 - 0 - 帘布层帘线原始密度帘布层帘线原始密度, ,根根/cm/cm n - n - 帘布层数帘布层数 n n1 1 - - 内帘布层数内帘布层数 n n2 2 - - 外帘布层数外帘布层数 r r0 0 - - 第一层帘布筒半径第一层帘布筒半径 0 0 - - 帘布裁断角，度帘布裁断角，度 1 1 - - 帘线假定伸张值（尼龙帘线取帘线假定伸张值（尼龙帘线取 1.0151.035 1.0151.035，人造丝帘线取，人造

41、丝帘线取1.031.0451.031.045） 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院帘线安全倍数确定帘线安全倍数确定 NSK （ K=810）N N 单根帘线所受张力，单根帘线所受张力，N/N/根根S - S - 单根帘线强度，单根帘线强度，N/N/根根计算实例计算实例 以载重轮胎以载重轮胎9.00-209.00-20为例计算胎体强度，并确定帘布层层数。已知条件：为例计算胎体强度，并确定帘布层层数。已知条件：P=588kPa, P=588kPa, R Rk k=47.9cm, R=47.9cm, R0 0=37.25cm, =37.25cm, 0 0=30, =30, k k=50.92,

42、 r=50.92, r0 0=30cm, =30cm, i i0101=10=10根根/cm(1400dtex/2), i/cm(1400dtex/2), i0202=7.4=7.4根根/cm(1400dtex/2), /cm(1400dtex/2), i i0303=6=6根根/cm(930dtex/2), /cm(930dtex/2), 1400dtex/21400dtex/2帘线的帘线的S=215.6N/S=215.6N/根根 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院2.挂胶帘布和胶层厚度的确定挂胶帘布和胶层厚度的确定挂胶帘布厚度挂胶帘布厚度 帘布层之间胶层厚度不宜过厚或过薄，可控制帘线

43、之间胶层厚度与帘布层之帘布层之间胶层厚度不宜过厚或过薄，可控制帘线之间胶层厚度与帘布层之间胶层厚度比值约为间胶层厚度比值约为0.70.71.0左右，一般纤维帘布表面附胶厚度约为左右，一般纤维帘布表面附胶厚度约为0.20.3mm,钢钢丝绳表面附胶约为丝绳表面附胶约为0.60.8mm。胶层厚度胶层厚度 隔离胶层通常贴合在受剪切应力最大的胎冠部外层帘布上。隔离胶层的厚度隔离胶层通常贴合在受剪切应力最大的胎冠部外层帘布上。隔离胶层的厚度和层数可根据轮胎规格和使用条件确定。隔离胶厚度一般为和层数可根据轮胎规格和使用条件确定。隔离胶厚度一般为0.40.40.6mm.其宽度大其宽度大于缓冲层宽度，各胶层宽度

44、的差级为于缓冲层宽度，各胶层宽度的差级为1020mm均匀分布。均匀分布。 油皮胶厚度约为油皮胶厚度约为0.60.61.0mm，不同规格选值不同，小规格轮胎一般为，不同规格选值不同，小规格轮胎一般为0.40.6mm，中规格轮胎取，中规格轮胎取0.60.8mm，大规格轮胎取，大规格轮胎取0.81.0mm。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院3.3.缓冲层厚度和宽度的确定缓冲层厚度和宽度的确定 缓冲胶片厚度视缓冲层结构而异。帘布缓冲胶片厚度视缓冲层结构而异。帘布-胶片复合结构缓冲层，上缓冲胶胶片复合结构缓冲层，上缓冲胶 片为片为1.01.2mm，下缓冲胶片为，下缓冲胶片为0.41.0mm。全胶

45、缓冲层，缓冲胶片厚度为。全胶缓冲层，缓冲胶片厚度为 2mm左右。左右。4.4.胎面胶和胎侧胶厚度的确定胎面胶和胎侧胶厚度的确定 胎面胶厚度等于花纹沟深度与基部胶厚度之和；胎肩胶厚度较厚，一般为胎面胶厚度等于花纹沟深度与基部胶厚度之和；胎肩胶厚度较厚，一般为胎冠胶厚度的胎冠胶厚度的1.31.4倍；胎侧胶厚度宜薄，根据轮胎类型和规格确定。倍；胎侧胶厚度宜薄，根据轮胎类型和规格确定。缓冲层宽度本着避开胎肩应力集中区的原则确定。胎肩应力集中区缓冲层宽度本着避开胎肩应力集中区的原则确定。胎肩应力集中区在胎肩切线部位距胎肩端点在胎肩切线部位距胎肩端点 范围内。范围内。2132 高分子科学与工程学院高分子科

46、学与工程学院钢丝圈强度计算钢丝圈强度计算一个胎圈一个胎圈钢丝圈所受应力计算公式为：钢丝圈所受应力计算公式为：knkrRpTcoscos2)(102024kknnRrsinsin式中式中 T - T - 一个胎圈钢丝圈所受应力，一个胎圈钢丝圈所受应力，KNKN； P - P - 内压，内压，KPaKPa； R Rk k - - 胎里半径，胎里半径，cmcm； R R0 0 - - 零点半径，零点半径，cmcm； k k - - 胎冠帘线角度，度；胎冠帘线角度，度； n n - - 轮辋点连线角度，度；轮辋点连线角度，度； R Rn n - - 轮辋点半径，轮辋点半径，cmcm。5.5.胎圈结构和

47、强度的计算胎圈结构和强度的计算 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院一个胎圈钢丝根数计算公式为：一个胎圈钢丝根数计算公式为：1*SKTn 式中式中 n - n - 钢丝根数；钢丝根数； S S1 1 钢丝强度，钢丝强度，N/N/根；根； K - K - 钢丝圈强度安全倍数，不低于钢丝圈强度安全倍数，不低于5 57 7倍；倍；钢丝圈直径的计算钢丝圈直径的计算02kTdDg式中式中 Dg - 钢丝圈直径，钢丝圈直径，mm； d - 轮胎着合直径，轮胎着合直径，mm； T - 压缩前钢丝圈底部材料总厚度，压缩前钢丝圈底部材料总厚度，mm； K0 - 压缩系数（一般取压缩系数（一般取0.951.0

48、0） 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院胎圈结构的包圈方法胎圈结构的包圈方法 一般一般6层以下的轮胎用层以下的轮胎用 单钢丝圈，包圈方法有单钢丝圈，包圈方法有2-2结构和结构和4-2结构；结构；6层以上层以上轮胎用双钢丝圈，包圈方法有轮胎用双钢丝圈，包圈方法有3-3-2，4-4-2，4-4-4，6-4-4，5-5-4，6-6-4等等结构；三个钢丝圈的包圈方法有结构；三个钢丝圈的包圈方法有6-4-4-4结构。结构。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院6.外胎各部位厚度确定外胎各部位厚度确定7.外胎内轮廓绘制原则外胎内轮廓绘制原则外胎成品断面各部位厚度等于半成品断面各部位压缩率乘积，外

49、胎成品断面各部位厚度等于半成品断面各部位压缩率乘积，胎面胶和胎侧胶半成品厚度则根据成品厚度确定，不必计算压缩率。胎面胶和胎侧胶半成品厚度则根据成品厚度确定，不必计算压缩率。%100半成品厚度成品厚度半成品厚度压缩率内轮廓曲线从胎冠、胎肩、胎侧直至胎圈内轮廓曲线从胎冠、胎肩、胎侧直至胎圈 各部位必须均匀过渡；各部位必须均匀过渡；要本着客观的原则。要本着客观的原则。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院七、外胎施工设计（半成品）七、外胎施工设计（半成品）1、机头设计、机头设计1）类型）类型 鼓式鼓式 （ 断面窄，外径大的胎）断面窄，外径大的胎） 半鼓式半鼓式 （单钢丝圈、帘布层为（单钢丝圈、帘

50、布层为6层以下的汽车胎）层以下的汽车胎） 芯轮式芯轮式 （规格大的摩托胎）（规格大的摩托胎） 半芯轮式半芯轮式 （双钢丝圈、帘布层大于（双钢丝圈、帘布层大于6层的）层的） 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院2）直径）直径DC D Dc c越小越好，当过小会导致胎冠部伸张值越小越好，当过小会导致胎冠部伸张值增大，则导致胎体强度降低。增大，则导致胎体强度降低。通常通常=1.30=1.301.61.6kcDD式中式中 Dc成型机头直径，成型机头直径，mm； Dk胎里直径，胎里直径，mm； 成型胎坯冠部伸张值。成型胎坯冠部伸张值。 高分子科学与工程学院3）肩部曲线）肩部曲线成型机头肩部轮廓曲线设

51、计原则：成型机头肩部轮廓曲线设计原则：机头肩部轮廓曲线与外胎胎圈内轮廓曲线接机头肩部轮廓曲线与外胎胎圈内轮廓曲线接近一致。近一致。半芯轮式机头肩部深度半芯轮式机头肩部深度b b尽可能取小值，便尽可能取小值，便于成型操作，保证成型质量。于成型操作，保证成型质量。机头肩部轮廓曲线展开长度机头肩部轮廓曲线展开长度P PB B与成型后的胎与成型后的胎坯最外层帘布展开长度坯最外层帘布展开长度P PH H之差尽可能为小值，之差尽可能为小值， P PH H- P- PB B20mm20mm为宜。为宜。 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院4）机头的宽度）机头的宽度BsClLBcs2cos)22(1 1

52、1 假定伸长值假定伸长值 （在压延硫化状态下产生的）（在压延硫化状态下产生的）1 1=L=L成品成品/L/L半成品半成品1 12L 2L 成品帘线长度成品帘线长度肩部帘线长肩部帘线长l 2式中式中 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院求解机头宽度求解机头宽度Bs的步骤：的步骤：求出成品帘线长度求出成品帘线长度2L2L选取假定伸长值选取假定伸长值1 1，其取值范围在，其取值范围在1.031.031.051.05之间，之间，L L半成品半成品的计算的计算肩部帘线长肩部帘线长2 2 的计算的计算机头上帘线角度机头上帘线角度 的计算的计算机头宽度的计算机头宽度的计算lc 高分子科学与工程学院高分子

53、科学与工程学院2、施工标准、施工标准1）帘布的长宽角）帘布的长宽角2）缓冲层的长宽角）缓冲层的长宽角3）包布的长宽角）包布的长宽角4）油皮、隔离胶）油皮、隔离胶5）胎面）胎面 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院3-3 3-3 子午胎的结构设计子午胎的结构设计一、子午线轮胎的优点一、子午线轮胎的优点 1 胎面耐磨胎面耐磨 因为子午线轮胎胎体角度为因为子午线轮胎胎体角度为0，滚动时帘线之间无剪切应力，滞后损失小。，滚动时帘线之间无剪切应力，滞后损失小。3 牵引性能好牵引性能好 胎体帘线角度为胎体帘线角度为0，带束层帘线角度为，带束层帘线角度为1524，角度小、刚性大。，角度小、刚性大。 胎体

54、中带束层的纵向刚性大，刹车距离短，胎面不歪扭，使之在干温路面胎体中带束层的纵向刚性大，刹车距离短，胎面不歪扭，使之在干温路面上的性能都比较优越。上的性能都比较优越。2 滚动阻力小滚动阻力小 4 转弯能力大转弯能力大 子午线轮胎的侧向力比斜交轮胎高。子午线轮胎的侧向力比斜交轮胎高。 5 舒适性舒适性好好6 生热小、散热快、高速行驶性能好生热小、散热快、高速行驶性能好7 耐刺扎（耐机械损伤）耐刺扎（耐机械损伤） 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院1.1. 子午线轮胎与斜交轮胎结构的对比子午线轮胎与斜交轮胎结构的对比 子午胎：子午胎： 由胎面胶、胎侧胶、胎体帘布层、带束帘布层、胎肩垫胶、由胎面

55、胶、胎侧胶、胎体帘布层、带束帘布层、胎肩垫胶、 胎束帘布层差及胶、内衬层（油皮胶）、三角胶芯（有时分上下胶芯）、胎束帘布层差及胶、内衬层（油皮胶）、三角胶芯（有时分上下胶芯）、 胎圈包布（或加强层）、钢丝圈（包括钢丝圈包布或包胶）以及各种填充等。胎圈包布（或加强层）、钢丝圈（包括钢丝圈包布或包胶）以及各种填充等。a a断面结构断面结构 二、子午线轮胎的结构特征二、子午线轮胎的结构特征斜交轮胎：由胎面胶、胎侧胶、胎体帘布层、缓冲层、斜交轮胎：由胎面胶、胎侧胶、胎体帘布层、缓冲层、 钢丝圈（包括三角胶芯及包布）、油皮胶、隔离胶及胎圈包布等组成。钢丝圈（包括三角胶芯及包布）、油皮胶、隔离胶及胎圈包布

56、等组成。b b子午线轮胎与斜交轮胎结构特征对比子午线轮胎与斜交轮胎结构特征对比 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院序号序号 斜交轮胎斜交轮胎 子午线轮胎子午线轮胎1 1胎体层胎体层+ +缓冲层缓冲层胎体层为主要受力部件，胎体层为主要受力部件，承担内压应力的承担内压应力的808090%90%胎体层胎体层+ +带束层带束层带束层为主要受力部件，带束层为主要受力部件，承担内压应力的承担内压应力的606075%75%，胎体层所受，胎体层所受应力小，因此胎体层数少应力小，因此胎体层数少2 2胎体强力随轮胎规格增大而增大胎体强力随轮胎规格增大而增大带束层的强力随轮胎规格增大而增大带束层的强力随轮胎规

57、格增大而增大3 3胎体层数为偶数胎体层数为偶数胎体各层帘线呈交叉排列胎体各层帘线呈交叉排列胎体层数可偶可奇胎体层数可偶可奇胎体各层帘线平行排列胎体各层帘线平行排列4 4胎体帘线，胎冠角度胎体帘线，胎冠角度k k=34=344242（k k=48=485656） 缓冲层的角度一般与胎体相同，有时比胎体层缓冲层的角度一般与胎体相同，有时比胎体层大大1122带束层帘线角度带束层帘线角度k k=15=152424（k k=66=667575）胎体帘线胎冠角度胎体帘线胎冠角度 k k=90=905 5钢丝圈个数为钢丝圈个数为1 13 3格，使轮胎规格的大小层数格，使轮胎规格的大小层数而定，其断面为方形或

58、长方形而定，其断面为方形或长方形一般为单钢丝圈，其断面形状为六角一般为单钢丝圈，其断面形状为六角形或圆形（轿车子午胎，现多用方形形或圆形（轿车子午胎，现多用方形或长方形）或长方形）6 6胎圈所受应力比子午胎小，胎圈所受应力比子午胎小，钢丝圈中的钢丝根数较子午线轮胎少钢丝圈中的钢丝根数较子午线轮胎少胎圈所受应力比斜交胎大胎圈所受应力比斜交胎大303040%40%，钢，钢丝圈中的钢丝根数比斜交胎多丝圈中的钢丝根数比斜交胎多7 7胎侧较厚，变形较小胎侧较厚，变形较小胎侧薄、变形大，胎侧薄、变形大，胎侧胶相对比斜交轮胎厚胎侧胶相对比斜交轮胎厚 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院2 2 子午线轮胎

59、与斜交轮胎应力与变形对比子午线轮胎与斜交轮胎应力与变形对比A. A. 在充气状态下在充气状态下 a .a .斜交轮胎斜交轮胎 胎体各层帘线交叉排列成菱形，缓冲层的角度与胎体层帘线胎体各层帘线交叉排列成菱形，缓冲层的角度与胎体层帘线 角度相似。胎体为主要受力部件，承担内压应力的角度相似。胎体为主要受力部件，承担内压应力的808090%90%， 决定轮胎的形状。决定轮胎的形状。 子午线轮胎子午线轮胎 胎体帘线相互平行，帘线角度为胎体帘线相互平行，帘线角度为90，带束层帘线排列接近周向，带束层帘线排列接近周向， 为为1524，带束层为主要受力部件，承担内压应力的，带束层为主要受力部件，承担内压应力的

60、6075%， 它的结构决定轮胎的形状。它的结构决定轮胎的形状。b .b .斜交轮胎充气时，外直径和断面宽膨胀较大。斜交轮胎充气时，外直径和断面宽膨胀较大。 子午线轮胎充气后，外直径变化很小，或基本不变，断面宽膨胀的大小，子午线轮胎充气后，外直径变化很小，或基本不变，断面宽膨胀的大小， 随胎体帘线的类型及高宽比的变化而有不同，但尼龙斜交轮胎小很多。随胎体帘线的类型及高宽比的变化而有不同，但尼龙斜交轮胎小很多。 人造革基本不变人造革基本不变2% 高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院c .c .在内压作用下，斜交轮胎胎体帘线应力，在胎冠部达到最大，然后由胎冠在内压作用下，斜交轮胎胎体帘线应力，在