工程科技子午线轮胎结构设计

工程科技子午线轮胎结构设计第1页/共59页学习目的与要求

通过学习掌握子午线轮胎的技术设计及施工设计方法；掌握子午线轮胎的配方设计原则和成型工艺；熟练了解子午线轮胎的构造和结构特点；了解子午线轮胎各部件胶料配方设计方法；了解半成品部件准备及硫化工艺。第2页/共59页第四章子午线轮胎设计与制造第一节子午线轮胎结构特点第二节子午线轮胎结构设计第三节子午线轮胎施工设计第3页/共59页第一节子午线轮胎结构特点一、子午线轮胎的外胎构造

子午线轮胎(RadialTire)从所采用的骨架材料来分类，可分为全钢丝子午线轮胎、半钢丝子午线轮胎和全纤维子午线轮胎三种。一般载重胎多数采用全钢丝，而轿车胎和轻卡胎则多采用半钢丝或全纤维，详细构造分别介绍如下。第4页/共59页①载重子午线结构轮胎的结构胎体:多数采用单层钢丝帘布构成（或人造丝、尼龙、芳纶等）带束层:3-4层钢丝帘布组成，胎肩垫胶:胎体与带束层之间有中间胎圈部分:由钢丝圈、上下三角胶芯、钢丝包布加强层和子口护胶等部件构成。胎面胶:胎面上层胶、下层胶胎侧胶:见图4-1。第5页/共59页第6页/共59页②轿车子午线轮胎结构轿车子午线轮胎一般由胎面胶、胎面下层胶、胎侧胶、胎体（1-2层纤维布组成）、带束层（二层钢丝帘布层）、冠带（按技术设计要有时加一至二层尼龙帘布层，以提高轿车胎的高速性能）、胎圈（由钢丝圈、复合硬胶芯和子口护胶）、内衬层等构成。胎圈结构见图4-2所示。第7页/共59页第8页/共59页第9页/共59页胎面胶胎面下层胶胎侧胶子口护胶带束层1带束层2冠带层1胎面胶冠带层2胎脚胎侧胶三角胶钢丝圈内衬层胎体层胎肩垫胶第10页/共59页二、子午线轮胎与斜交轮胎结构特征比较。（1）斜交轮胎胎体中的帘线按一定角度排列，各层间帘线相互交叉，胎体帘线层数为偶数，胎体承受内压引起的初始应力的80～90%。（2）子午线轮胎胎体各帘面层间的帘线，系相互平行地由一胎圈至另一胎圈呈了午线方向的排列（与胎胎冠中心线夹角为90度）。胎冠有大角度基本不伸张的刚性带束层箍紧，这种结构使：

①带束层承受由内压引起的初始应力的60～75%；第11页/共59页第12页/共59页②胎体帘线强力得到了充分的利用，层数减少，一般比斜交胎少40～50%，胎体层数可为偶数，也可为奇数。③胎圈所受应力比斜交胎大30～40%，钢丝圈中的钢丝根数比斜交胎多。

④由于胎体层数少、胎侧柔软、容易变形和刺伤，胎侧承受的应力比斜交轮胎大。因此，这两种结构的轮胎，它们的断面形状、胎圈结构、带束层结构有很大的差别。子午线轮胎和斜交轮胎的帘线排列如图4-3所示。第13页/共59页图4－3子午线轮胎与斜交轮胎帘线排列第14页/共59页第二节子午线轮胎结构设计一、子午线轮胎结构设计程序二、技术要求的确定三、轮廓设计主要结构参数的选取四、断面轮廓曲线的设计五、子午线轮胎带束层的设计与计算六、子午线轮胎胎体帘线的应力计算第15页/共59页子午线轮胎由于其结构上的特点，应与斜交轮胎的设计方法有所不同。然而，就其设计原理来说，至今仍是普遍采用薄膜理论，只不过在具体设计方法上，近年来却涌现出了许多创见。由于电于计算机软件技术的开发，使轮胎各部位受力均匀的自然平衡轮廓设计方法，逐步演变为各部位应力合理分布的非平衡轮廓设计方法，特别是有限元分析法的引用，有可能真实地模拟轮胎在实际使用状态下的断面轮廓形状，并分析其应力—应变的分布合理匹配，从而得到优化方案以设讨轮胎的最佳轮廓形状。第16页/共59页自80年代起呈现出许多新的轮胎设计方法，如：日本石桥（普利斯通）公司的RCOT

(最佳滚动轮廓)理论，适用于轿车子午线轮胎的设计；TCOT(最佳张力控制)理论，适用于载重子午线轮胎的设计；日本横滨公司的STEM(应变能量最小化)理论。日本东洋公司的DSOC(动态模拟最佳化轮胎形状)理论，适用于载重子午线轮胎的设计；前苏联的CSSOT(应力－应变周期优化)理论，它除考虑轮胎几何形状外，还研究了材料分布对周期性应力－应变的影响。第17页/共59页子午线轮胎结构设计与斜交轮胎一样分两阶段进行。第一阶段为技术设计：主要任务是：

①收集为设计提供依据的技术资料②确定轮胎的技术性能要求③设计外胎内外轮廓曲线④设计外胎面花纹⑤设计绘制外胎花纹总图

一、子午线轮胎结构设计程序第18页/共59页第二阶段为施工设计：主要任务是：

①确定外胎成型方法②确定成型鼓直径及机头宽度③绘制材料分布图④制定施工标准表

最后提出结构设计文件（包括技术设计和施工设计说明书）。虽然子午胎的设计与斜交轮胎相同，但在各个设计阶段，其设计参数的取值，特别是施工设计与斜交轮胎差别很大，需用专门的成型机才能完成。第19页/共59页1．子午线轮胎设计前的准备（1）搜集技术资料作为设计依据

与斜交轮胎设计前一样，必须搜集有关的技术资料。例如：车辆类型及技术资料车速及路面条件，轮轴情况，轮胎使用要求及经济性，安全性等。

（2）确定技术性能轮胎类型、规格、层级、帘布层数及胎面花纹型式；最大负荷和相应内压；轮辋规格、尺寸及轮廓曲线；充气外胎外缘尺寸等。二、技术要求的确定第20页/共59页（3）确定骨架材料

子午线轮胎按其采用的骨架材料来分，有全纤维子午线轮胎，半钢丝子午线轮胎(即胎体为纤维帘线，带束层为钢丝帘线)和全钢丝子午线轮胎三种，根据用途、规格、类型不同，考虑选择。

人造丝尼龙或聚酯帘线纤维胎体子午线轮胎

芳纶帘线是一种新型骨架材料，是子午线轮胎理想的胎体材料，很有发展前途。

第21页/共59页钢丝帘线主要用于子午线轮胎的胎体及带束层，其主要特点是耐热性极好，强度高，同时伸长率极小，对保持轮胎尺寸稳定性极为有利。

例如:全纤维子午线轮胎主要为轻型轿车轮胎和拖拉机轮胎，半钢丝子午线轮胎主要为高速轿车轮胎和轻型载重轮胎，9.00R20以下的中型载重轮胎。全钢丝子午线轮胎主要适用于重型载重轮胎和工程轮胎，9.00R20可用全钢丝，亦可用半钢丝。第22页/共59页2．轮胎负荷能力计算

负荷能力计算与斜交轮胎采用相同的计算方法，一般根据美国轮胎协会TRA年鉴介绍的公式进行计算。该公式是在轮辋宽度W1与充气断面宽S1的比值等于62.5%的标准条件下经试验得出的经验公式。故应用此公式时、需有在理想轮辋上轮胎断面宽的换算公式与之配套使用。近年来，轮胎向低断面发展，越来越扁平化，其理想轮辋上的充气断面宽公式还必须另有公式进行再校正使用。由于轮胎规格品种繁多，因此出现一系列不同的计算理想轮辋上充气断面宽的配套公式，这里仅以轻型载重汽车轮胎和轿车轮胎为例做一简单介绍。

第23页/共59页轻型载重汽车轮胎负荷计算公式为:第24页/共59页式中W—负荷能力，KN；

K—负荷系数(轻卡普通断面子午线轮胎单胎=l.197，双胎=0.88×单胎负荷)；

P—内压，kPa；DR—轮辋名义直径，cm；S—为62.5%的理想轮辋上的轮胎充气断面宽，cm；

W1—设计轮辋宽度，cm；

S1—在设计轮辋上的轮胎断面宽度，cm；

H1—新胎断面高度，cm；第25页/共59页轿车轮胎负荷能力计算公式为：第26页/共59页式中W—负荷能力，KNK—负荷系数(78系列，82系列套用K=1.745,70

系列K=1.655);P—内压，kPaDR—轮辋名义直径，cmW1—设计轮辋宽度，cm;S1—在设计轮辋上的轮胎断面宽度，cmH—新胎断面高度(普通断面轮胎为1.0l×设计断面高，扁平轮胎为1.02×设计断面高)，cm第27页/共59页负荷计算示例以6.50R16-10PR轮胎为例已知条件:P=549kPa,W1=14.0cm，DR=40.6cm，H=17.2CM，S1＝18.5cm计算公式为:第28页/共59页先计算

计算dd=0.96×17.85－17.2=－0.064(cm)计算S计算Sd

Sd=17.13-0.637×(-0.064)=17.17(cm)

计算W=0.88×9.485=8.437KN

KN第29页/共59页1、模型外直径D和断面宽B的确定

到目前为止，还没有科学的方法来确定轮胎硫化模型尺寸与充气压后轮胎尺寸之间的关系，因此子午胎的设计也只能根据经验考虑不同的胎体帘线的伸长性能、轮胎断面轮廓形状、带束层角度和长度等的影响来选择充气轮胎与硫化模型之间断面宽和外直径的膨胀比。下表列出载重和轻卡子午线轮胎充气断面宽(B′)和模型断面宽(B)对不同胎体帘线的断面膨胀比的取值范围。三、轮廓设计主要结构参数的选取第30页/共59页有关轿车子午线轮胎的B′/B值，应随其系列H／B扁平比的不同而变化。以人造丝胎体而言，B′/B取值约为1.005～1.03，一般来讲，扁平比低的取值小；反之，就取大值。不同胎体帘线的断面宽膨胀比值胎体帘线类型B′/B钢丝帘线1.01~1.02人造丝帘线1.02~1.04聚酯帘线1.05～1.07尼龙帘线1.06～1.10第31页/共59页

因为子午线轮胎的外直径膨胀率要比斜交轮胎小很多，故其充气后的外直径变化甚小(大致增加1～2mm)。据此，模型断面外直径一般可取与标准规定的新胎充气外直径相当或稍小的尺寸。根据国家标准确定轮辋类型、宽度、充气外直径D′、充气断面宽B′之后，就应着手确定模型尺寸，可确定模型外直径D与模型断面宽B。因为轮胎在充气状态下工作，充气外缘尺寸大，但增大的程度远比斜交轮胎小，特别是低断面纤维胎体钢丝带束的轿车胎，断面宽和外径的膨胀率就更小。第32页/共59页轿车子午线轮胎，高宽比为0.7～0.8时(人造丝胎体钢丝带束层结构)充气后外径一般膨胀0～2mm,断面宽膨胀0～2%。根据经验，子午线轮胎D′/D值大约在1.000～1.003之间，B′/B值为1.00～1.02左右。几种轿车子午线轮胎断面膨胀率如表4-1所示。第33页/共59页轮胎规格D'/DB'/B205/75R151.00221.016185SR141.00151.000185/70SR141.0001.002185/70SR130.9981.000165SR141.0011.007175SR141.0011.011表4-1几种轿车子午胎断面膨胀率

根据轮胎外直径和内直径，可计算得到断面高H：第34页/共59页2、断面水平轴位置确定

断面水平轴位于断面最宽点，是轮胎法向变形最大部位，用数值H1/H2表示。普通斜交轮胎H1/H2值大约在0.83～0.95间，而子午线轮胎通常在1.0～1.12左右，轿车轮胎约在1.00～1.20之间。

子午线轮胎值H1/H2大于普通斜交轮胎，原因在于子午线轮胎胎体帘线垂直于钢圈呈辐射形排列，故胎圈所受应力远远大于普通斜交轮胎。水平轴远离胎圈，使法向变形最大值靠近胎冠，可减少胎圈变形，改善胎圈脱层相磨损。第35页/共59页

子午线轮胎断面最宽点半径的位置要比斜交轮胎的高，能使其变形落在水平轴以上带束层端点以下的上胎侧高(H2)区域之内，并减小下胎侧高(H1)区域的应力和胎圈的应力。由于子午线轮胎胎体帘线呈径向排列，其钢丝圈承受力要比斜交轮胎的大，故断面最宽点半径要取得高一些来减轻承受力。

一般轿车子午胎的H1/H2取值为1.0~1.2，载重子午线胎最高可达1.4。第36页/共59页据美国专利介绍，载重子午线轮胎的断面高(H)与断面宽(B)之比为1时的H2确定方法，计算公式为：H2＝(H－FH)×0.59式中H2—轮胎断面上胎侧高；

FH—轮辋的轮缘高。根据RCOT理论设计轿车子午线轮胎的断面最宽点半径，要比传统法设计的取值大。第37页/共59页3、行驶面宽度b和弧度高h的确定

子午线轮胎行驶面弧度的选取，主要与轮胎扁平比和带束层刚性有关，此外，行驶面弧度半径(ρn)与行驶面宽度(b)、带束层宽度(Bw)与行驶面宽度、行驶面弧度高(A)与断面高、行驶面宽度与断面宽度之比及胎体帘线类型等都有相当大的影响。第38页/共59页

带束层刚性对行驶面宽度内的花纹磨耗均匀性有很大的关系，如二层带束层轮胎的行驶面边端直径增大，要比四层的大得多。因此，对多层钢丝带束层轮胎来说，应采用较小的行驶面弧度，因在此情况下，行驶面弧度大会减小接地面积，从而对胎面的耐磨性、磨耗均匀性和抓着性都会有不良的影响。第39页/共59页

为保证轮胎与路面之间在行驶面宽度范围之内有较大的接地面积，子午胎的h与H之比一般宜取0.02～0.04，b与B之比为0.7～0.85。

ρn与b之比和Bw与b之比对轮胎的耐磨性和耐久性也有较大的影响，为了兼顾两者的性能，Bw/b值为0.94～1.05较为适宜，而ρn/b之值，轿车子午线轮胎为2.1~2.5、载重子午线轮胎为1.3～1.8。子午线轮胎属低断面，外直径较小，因此接地印痕长轴较短，为了不减少轮胎的接地面积，应随着高宽比的减少而适当增加行驶面宽度b，减少弧度高h既可改进轮胎的制动性，又可提高胎面的耐磨性能。第40页/共59页

b、h的取值与轮胎类型;花纹型式，路面条件有关，取决于带束层刚性，亦要考虑行驶面弧度半径R与行驶面宽b的比值，带束层宽度BW与b的比值。带束层刚性对胎面磨耗均匀性影响很大，多层刚性大的钢丝带束层子午线轮胎应采用较小的行驶面弧度高，以增大轮胎与路面的接地面积。第41页/共59页

一般子午线轮胎h/H为0.02～0.04,相应，b/B取值为0.70～0.85。轿车子午线轮胎间增大b和减小h的趋势发展，但行驶面宽度一般不应超过下胎侧弧度与轮辋曲线交点之间的距离。高速轮胎行驶面宽度应比常速轮胎窄，通常取断面宽的65～70%，以改善胎肩部应变状况和减小滚动损失。第42页/共59页4、胎圈间距的选取

胎圈间距(C)一般选用与轮辋宽度相等或者也可小于轮搁间距，但不超过15～25mm，C值小于轮辋宽度可提向轮胎的耐磨性能和侧向刚性。

C与B之比，一般而言，轿车子午线轮胎为0.7～0.8，载重子午线轮胎为0.7～0.75。第43页/共59页5、断面高与断面宽之比

对子午线轮胎而言，H/B之比可不必直接选取，这是由于子午线轮胎外直径变化很小，断面高也就成了定值。断面宽主要受胎体帘线性能的影响，由B′/B的膨胀比来确定。另外，轿车子午线轮胎和宽轮辋载重子午线轮胎都有相应的系列，其H／B之比大体上成为定值。据介绍载重子午线轮胎H／B为0.96～1.05，轿车子午线轮胎为0.80～0.85。但对宽轮辋低断面载重子午线轮胎和轿车子午线轮胎来说，都因有相应的系列分类，H／B比值的选取可由其系列分类而定。第44页/共59页美藉华人黄祟期先生和欧杰先生推荐的一种子午线轮胎结构设计方法，即是以平衡轮廓理论为依据，以薄膜-网络理论为基础。该理论最初应用于斜交轮胎轮廓设计，后来也用于子午钱轮胎，假设的条件是：①认为充气压力是唯一的作用应力，而且应力仅仅作用于薄膜壁之上；②对剪切和屈挠力均可忽略不计，当轮胎充气时，胎体所受应力是均匀分布的。这样的轮廓曲线称为“自然平衡轮廓曲线”。见图所示。四、断面轮廓曲线的设计第45页/共59页

从静态力学平衡方程式中得出充气轮胎平衡轮廓曲率半径公式（1）如下。由于子午线轮胎胎体帘线角度为90°。(也有称0°)，其曲率半径公式可简化为公式(2)。1－带束层；2－均匀胎体应力，3－胎圈自然平衡轮廓曲线第46页/共59页斜交轮胎式中ρ－轮廓任意点的曲率半径

rk－胎冠点半径

rm－断面最宽点半径－胎冠点帘线角

r－轮廓任意点半径（1）第47页/共59页子午线轮胎从公式(2)中可以看出，只要确定rk和rm后，即可求得轮廓上任意点的曲率半径(ρ)。根据各点不同的曲率半径作出平衡轮廓曲线。由于胎体具有一定厚度，故应以胎体层的中线来计算平衡轮廓曲线较为合理。具体设计步骤分述如下：（2）第48页/共59页1、确定有关设计参数

需要先确定的轮胎设计参数有：轮胎外半径(R)，轮胎断面宽(B)，胎圈间距(或轮辋宽度)(C)，子口着合半径(rt)，轮胎行驶面弧度半径(ρ1)，胎面至帘布层中线的厚度(m)，胎侧至帘布层中线的厚度(n)，轮辋边缘半径(即轮辋边缘至旋转轴的距离)(rf)。第49页/共59页2、求出断面上某些点至旋转轴的半径

从理论上来讲，平衡轮廓曲线上各点的曲率半径均不相同，但在实际上为了方便计算和合理制造模型，可不必要求很多曲率半径，而只需寻求几个典型位置点的曲率半径和曲率过渡节点位置，如胎冠点(A)、断面最宽点(B)等，见图2所示。第50页/共59页典型点位置的确定求出典型点至旋转铀的半径：rk=R-mrm=(R+rt)/2(或按确定的断面最宽点半径)下胎侧k点半径：rk=rm-k/2第51页/共59页3、求出断面上典型点的曲率半径胎冠点曲率半径(ρ2)：ρ2＝ρ1－m断面最宽点胎侧曲率半径（ρ3）：ρ3＝（rk2-rm2）/2rm胎肩曲率半径（ρ4）：ρ4＝（rk2-rm2）/2rk下胎侧k点曲本半径(ρ5)：ρ5＝（rk2-rm2）/2rf

根据上述公式求得的曲率半径进行断面轮廓曲线的绘制。曲率半径的圆心O2、O3分别在纵、横轴上，O4、O5以内切圆用几何作图法找出圆心。第52页/共59页4、胎圈部位轮廓曲线的设计

由于轮胎胎圈厚度大大超过胎体层的厚度，所以平衡轮廓曲线的中线应设在胎圈的中央部位。必须先确定钢丝圈中心点E的坐标，可根据胎圈结构