第三章轮胎结构设计子午胎部分课件

第三期双星管理骨干轮胎技术培训

第四章汽车充气轮胎结构设计基础知识

双星轮胎技术中心200８年1月第一节轮胎轮辋基本知识

轮胎是汽车和其他车辆行走机构的重要组成部分，用以接触地面，承载重量，传递牵引力，转向力和制动力，吸收道路不平而产生的震动。充气轮胎是依靠充满内腔的压缩空气形成的空气垫弹性原理工作的，因此获得较高的行驶速度和较好的乘座舒适性。一、轮胎的组成轮胎的外胎由帘布层、缓冲（带束）层、胎面胶、胎侧胶、内衬（密封）层和胎圈构成。帘布层是轮胎的骨架，承受轮胎的内压负荷、载重负荷、牵引力、转向力和制动力，由纤维（尼龙、聚酯、人造丝、芳纶）帘线或钢丝帘线构成。

胎面胶通过与地面的接触，承受冲击和磨损，传递牵引力、转向力、和制动力。通常根据轮胎的不同用途和使用路况，在胎面胶上设计有不同类型和样式的花纹。新轮廓3

胎侧胶、内衬（密封）层是从轮胎的内外保护轮胎的胎体帘线免受机械和化学损伤（如摩擦和氧化）。无内胎轮胎的密封层还具有良好的防空气渗漏性。

缓冲（带束）层是增加轮胎行驶面部位的强度，承受轮胎的内压负荷，承受和分散冲击力、震动力和剪切力的重要部件。

胎圈的作用是将轮胎紧固于轮辋上。

现在轮胎按胎体帘布和缓冲（带束）层结构的不同，分为斜交轮胎和子午线轮胎两个基本类型，原来曾经出现过的形形色色结构类型的轮胎，随着轮胎和相关行业的发展而逐渐消失。4二、轮胎的类型（一）斜交轮胎斜交轮胎的结构特点是胎体帘布层帘线按一定角度相互交叉排列，帘线于胎冠中心线的垂直线相交的角度称为胎冠角，一般在48----54°的范围内。为使轮胎的受力分布均匀，帘布层数为偶数。缓冲层是用密度较小的帘布构成。斜交轮胎是一种沿用时间最长，使用最广泛的传统结构轮胎。

优点是胎体坚固、负荷辨析功能小、胎侧不易损伤、转向和制动性能良好。由于生产历史长，生产工艺易于掌握，生产效率高，加工费用低。但因为结构本身的特点，给这种轮胎带来了该结构自身难以克服的缺点：原材料消耗大，磨损大，与地面的附着力低，滚动阻力大，行驶温度高，不能满足日益提高的使用要求。5（二）子午线轮胎子午线轮胎的结构特点是：胎体帘线的排列象地球的子午线一样，与胎冠中心线呈90°夹角，在胎冠胶的底部有相互交叉排列的带束层，与胎冠中心线呈15----24°夹角，象刚性环带一样紧箍在胎体上。因为这种独特的结构，使子午线轮胎具有以下的优点：1、胎面耐磨子午线轮胎冠部刚性大，行驶中的滑移量小，滚动周长大于斜交胎，因此它的胎面耐磨性比斜交轮胎高40----120%。2、滚动阻力小一般比斜交轮胎小30----40%，节省燃料6----8%。因为子午线轮胎胎体帘线角度为90°，滚动时帘线之间无剪切应力，滞后损失小。63、通过性能好子午线轮胎的胎体柔软，下沉量大，与地面的接触面积大，接触压力分布均匀，钢丝带束层的纵向刚性大，周向滑移量小，与地面的附着性好，牵引性能比斜交轮胎高10----20%，使之在干湿路面上的通过性能都比较优越。4、舒适性好因为子午线轮胎的胎体柔软，周向刚性大，行驶中整体变形小，接地部分可以很好地吸收震动，所以乘座舒适，减少乘员和车辆机件的疲劳。5、行驶温度低、高速性能好、节省燃料胎体帘线子午线行驶的排列，消除了斜交结构轮胎交叉排列层间的剪切移动，因此能量消耗少，生热低。7此外，由于胎体层数少，胎侧较薄，便于散热，所以行驶温度比斜交结构轮胎低30----70%，例如斜交轮胎以69Km/h速度行驶，温度可达120℃；子午线轮胎以110Km/h速度行驶温度仅为104℃。由于行驶温度低，可以提高行驶速度，在通常情况下可以提高20----30%。伴随能量消耗的减少，耗油量比斜交轮胎可以降低5----10%，同时降低了空气污染。6、耐冲击、刺扎，安全性能好因为子午线轮胎的胎冠底部有交叉排列的钢丝带束层，所以具有较好的抗冲击、刺扎性能，行驶安全性能好。7、使用寿命长各项性能的优越最终反映在使用寿命上，子午线轮胎的使用寿命比斜交轮胎提高50----100%，在发达国家子午线轮胎现在追求50----100万公里的使用寿命。国内轮胎发展与现状8（三）宽断面轮胎

其结构特点是断面宽比一般轮胎的断面宽0.5----1倍，断面高宽比为0.60----0.75，胎侧与通常的轮胎一样。宽断面轮胎按行驶面形状分为单行驶面轮胎和双行驶面轮胎两种类型，宽断面轮胎负荷能力达，代替双胎并装具有以下优点：

1、行驶性能好

轮胎与路面的接触面积大，接触压力小，压力分布均匀，因而抓着、牵引、越野性能好，急转弯时不易发生侧向滑移。此外安全减震性能好，并且可以克服并装双胎磨耗不均匀的现象。92、经济意义大单胎替代双胎，轮胎和轮辋的重量都可以减轻，轮胎可以减轻15----20%，因而可以减轻车辆的载荷系数和耗油量。此外由于轮胎的重量轻，消耗的原材料及成本也相应减小15----20%，成本降低20----25%。3、改善车辆的使用性能因为轮胎的高宽比小，车辆重心低。单胎代替双胎，轮轴弹簧可以外移，轮胎间距可以增大。已经因此车辆的安全性和稳定性好，软硬路面均可行驶。

4、缺点是备胎携带不方便，前后轮不能互换。这种轮胎在发达国家已普遍使用，在我国还是空白。它也将成为我国轮胎发展的一个方向。10

（四）低断面轮胎随着汽车速度的加快，必须提高其稳定性。减小轮胎和轮辋直径，降低汽车重心，增大轮胎断面宽和轮辋的宽度，提高轮胎的侧向刚性，都可以提高其稳定性。但减小轮辋直径受到制动性限制，直径过小不能保证有效的制动性，因此降低轮胎轮胎断面高，增大断面宽的方法得以实现，从而出现了低断面轮胎。通常宽比在0.8以下就为低断面轮胎。11（五）无内胎轮胎无内胎轮胎的结构特点是省去了内胎、垫带，胎里有气密层，胎圈部位特殊的形状与专用的轮辋紧密着合，保证了充入胎里的压缩空气不会泄露。这种轮胎的优点是：使用方便，安全性能好，热量容易从轮辋散发，行驶温度低，可减轻胎面磨耗，改善胎体老化，延长轮胎使用寿命，由于不使用内胎、垫带，轮胎重量可减轻10----15%，节省原材料，降低油耗，轮胎的平衡性能进一步提高，利于高速行驶。12补强填充体系原材料子午线、低断面、无内胎三位一体是世界轮胎工业发展的方向，发达国家在很大的程度上已经达到了这个方向，在我国也得到较快的发展13三、轮胎的分类和表示方法轮胎的分类通常采用的是按用途、规格、气压进行分类，原来有过的许多分类方法已不多见了，比如以层级和速度分类，随着产品的发展已不采用。1、按用途分（1）汽车轮胎：包括载重汽车、轻型载重汽车、轿车、公共汽车、挂车用轮胎；（2）工程机械轮胎：包括装载机、挖掘机、压路机等车辆用轮胎；（3）农业机械用轮胎：拖拉机、收割机等车辆用轮胎；（4）航空轮胎；（5）摩托车轮胎；（6）力车轮胎。14

2、按规格分（1）巨型轮胎：断面宽17英寸以上的各种轮胎；（2）大型轮胎：断面宽11-16英寸范围内的各种轮胎；（3）中小型轮胎：断面宽10英寸以下的各种轮胎，但不包括乘用车和摩托车轮胎；（4）乘用车和摩托车轮胎。15

3、按气压分轮胎按使用的标准气压不同，通常有固定气压轮胎和调压轮胎两种，目前广泛使用的是固定气压轮胎，这种轮胎按使用的标准气压不同分为高压轮胎、低压轮胎、超低压轮胎三种。（1）高压轮胎：使用的标准气压在500Kpa以上；（2）低压轮胎：使用的标准气压在150----500Kpa范围内；（3）超低压轮胎：使用的标准气压在150Kpa以下；16表示方法

1、轮胎的规格表示（1）高压轮胎：32×6

公称断面宽，英寸；公称外直径，英寸。（2）低压轮胎：9.00-2014PR层级公称轮辋直径，英寸；公称断面宽，英寸；（3）超低压轮胎：

1140×700

公称断面宽，mm；

公称外直径，mm。17

（4）子午线轮胎：10.00R20146/143K速度级别；负荷指数；公称轮辋直径，英寸；子午线轮胎；公称断面宽，英寸。

315/80R22.5154/150M速度级别；负荷指数；公称轮辋直径，英寸；子午线轮胎；系列代号公称断面宽，mm。18

2、层级、负荷指数和速度级别的表示方法（1）层级：是表示同一个规格轮胎不同负荷能力的参数，通常的表示方法如8PR、10PR、12PR等。美国轮胎轮辋协会（TRA）标准年鉴规定了层级的表示符号，如下表。负荷级别层级PR负荷级别层级PRA2G14B4H16C6J18D8L20E10M22F12N2419

（2）负荷指数：欧洲轮胎轮辋技术组织（ETRTO）规定的轮胎负荷（Kg）的数字代号。（3）速度级别：世界各轮胎轮辋组织均采用了下表中所列的统一的速度等级符号。速度符号速度Km/h速度符号速度20

四、轮辋轮辋是车辆悬挂系统上用以与轮胎连接的零部件，轮胎的结构设计必须了解轮辋的型式和有关技术参数。轮辋按断面形状不同分为：深槽轮辋、深槽宽轮辋、半深槽轮辋、平底式轮辋、平底宽轮辋、全斜底轮辋和对开夹紧式轮辋八种。1、深槽轮辋、深槽宽轮辋：为小型乘用车采用，规格表示如：4.50B、6J、5K、6L、9.75等。数字表示轮辋宽度，单位英寸。英文字母表示轮缘形状；以上规格表示中数字表示轮辋宽度，单位英寸。英文字母表示轮缘形状；21

2、半深槽轮辋、平底式轮辋、平底宽轮辋：为载重车采用。半深槽轮辋规格表示如：4.50E、5.50F、6.00G、6.50H。平底轮辋规格表示如：5.00S、6.00T、8.50V；平底宽轮辋规格表示如：7.5。3、全斜底轮辋：为重型矿山用车辆采用，规格表示如8.25、12.00、10.00、14.00；4、开夹紧式轮辋：为超低压的越野车辆采用。规格表示如3.75A。22

三、子午线轮胎设计（一）外轮廓设计断面形状是决定轮胎变形的重要因素之一。子午胎胎侧柔软，变形大，侧向稳定性差，胎肩和胎圈容易早期损坏。因此断面设计应本着使应力比较集中于胎冠的原则进行。1、外直径D和断面宽B子午线轮胎由于采用起箍紧作用的钢丝帘线作带束层，胎体帘线采用伸张较小的钢丝帘线，所以其变化较小。则，D′/D=1.0~1.05B′/B=0.99~1.1023

2、胎圈着合直径d0的确定胎圈着合直径的确定，原则上应满足轮胎装卸方便和着合紧密，一般平底宽轮辋着合直径比轮辋相应部分直径小1.0~2.0mm。近年来由于轮胎进一步扁平化，从轮胎的应力分布和工艺需要，现在的轿车子午线轮胎普遍采用加宽轮辋设计。即在标准轮辋宽度的基础上加大其宽度作为设计轮辋宽度，一般：轿车子午线轮胎加宽0~2″；轻卡子午线轮胎加宽0~1″。24

3、外胎断面高H和H/B的参数确定当外胎的外直径和轮辋的着合直径确定以后，外胎断面高H就可以得出：H=（D-d0）/2以上就决定了H/B的取值，H/B使决定轮胎法向变形和侧向变形的重要参数，通常的取值范围在0.90----1.05之间。根据H/B值我们可以衡量D、B、H值确定的合理性，并进行调整、修正。254、断面水平轴位置的确定断面水平轴所在部位是轮胎断面最宽点的位置，是负荷下法向变形最大部位，该设计为保证在标准轮辋下使用变形仍发生在最宽点，通常取H1/H2=0.8~1.12。

H1/H2参数取值的合理性其实在很大程度上要衡量施工设计中带束层和胎圈的设计的方案。这个参数是使轮胎所受应力整体平衡的重要参数，并非是在取值范围内随便选取，这需要通过设计、试验和使用积累数据和经验。26

5、胎圈着合宽度C的设计轮胎两胎踵间距离，称为胎圈着合宽度C，一般情况下，在宽轮辋设计中，装在窄轮辋上，会造成胎圈应力集中，而早期损坏，所以，适当减小H1/H2的值。近年来由于轮胎进一步扁平化，从轮胎的应力分布和工艺需要，现在的轿车子午线轮胎普遍采用加宽轮辋设计。即在标准轮辋宽度的基础上加大其宽度作为设计轮辋宽度，一般：轿车子午线轮胎加宽0~2″；轻卡子午线轮胎加宽0~1″；载重子午线轮胎加宽0~0.5″。27

6、行驶面宽b和弧度高h的设计行驶面宽b和弧度高h的设计决定了轮胎接地面磨耗、压强分布的均匀性和与地面的附着性能。也对轮胎的耐久和高速性能、车辆的行驶稳定性带来重要的影响。通常我们可以通过b/B和h/H来衡量行驶面的设计，他们的取值范围通常分别在0.7----0.9之间和0.02----0.05之间。为了很好的平衡它们之间的取值我们还可以引入胎冠弧度Rn/b和B/b的参数来进一步衡量我们的设计，它们的取值范围通常在2.1----2.5之间和0.94----1.05之间。28

7、外轮廓弧度计算（1）胎冠弧度Rn=+（2）上胎侧弧半径R1=（3）下胎侧弧半径R2=（4）胎圈曲线弧度设计

胎圈曲线弧度设计，根据轮辋边缘曲线设计，设计上要求两者较好的吻合，一般胎踵半径R4小于轮辋半径R2，0.5~1.0mm。胎踵半径R5大于轮辋相应单位半径，一般来讲，对不同的轮辋不同的着合倾斜角取不同的半径。29二、花纹设计

1、胎冠弧长的计算

花纹根据胎冠弧长设计，因此要计算胎冠弧长。

胎冠由两个弧度半径组成的，弧长S的计算方法：

S=S1+2S2

式中：S1—胎冠第一个弧度半径Rn对应之弧长；

S2—胎冠第二个弧度半径Rn’对应之弧长。

S=0.01745Rn·α

式中：Rn—胎冠弧度半径；

α—胎冠弧度夹角。

α=2（arcsin-1/Rn）302、胎面花纹设计以往的各种花纹设计是我们今天设计的基础，轮胎胎面花纹设计对轮胎的性能及寿命有较大的影响，对汽车操纵稳定性起着关键作用。花纹的设计要从以下几个方面去考虑。（1）花纹形式花纹的样式一般分为横向花纹、纵向花纹、混合花纹、越野花纹以及雪泥花纹五种形式。设计采用哪一种形式，必须根据轮胎的规格、种类、速度等级、使用条件等，同时设计也要考虑花纹的美观和时尚。（2）纵向通过性、止动性和侧向稳定性胎面花纹设置的目的就是增加轮胎与地面的附着力。横向的花纹有利于增加轮胎的纵向通过性和止动性，纵向花纹有利于增加轮胎的侧向稳定性。31（3）高速性能和降低噪声随着高等级公路的出现，汽车行驶速度的提高，对花纹设计要求越来越严格。轮胎在高速行驶的情况下，会产生驻波和强烈噪声。现代的轮胎花纹设计引入了花纹节距混沌排列的理论，可以有效的防止驻波和强烈噪声，提高轮胎的高速性能。（4）抗湿滑性能这是关系车辆在湿滑路面上行驶安全的重要性能。花纹的设计必须考虑轮胎对路面水膜的破坏能力和排水能力，通常增加花纹沟的面积，设置连通的花纹沟和细缝花纹可以十分有效地提高轮胎的抗湿滑性能32（5）磨耗性能磨耗性能与花纹沟所占的面积成反比。据有关试验统计，花纹沟所占的行驶面积为32%时，磨耗量是0.09mm/1000Km，花纹沟所占的行驶面积为24%时，磨耗量是0.08mm/1000Km。（6）花纹深度花纹深度的设计是根据轮胎的使用寿命和轮胎的千公里磨耗量来确定的。现在各规格花纹的深度基本有一个定式，如10.00R20，花纹设计的深度为16mm，在较差和较好的路面增减1----2mm。33（三）施工设计在轮胎的轮廓确定的条件下，将各部分材料合理的分布，是材料分布的关键，这部分是主要部件材料的选择及强度计算。1、胎体的设计（1）角度。子午胎的胎体排列角度与胎冠中心线在71°----90°之间，实际上现在的设计大部分采用90°设计。也有的采用5°以下的其他角度。（2）材料的选择。可选择的材料有钢丝、聚酯、改性尼龙、芳纶。这需要根据轮胎的品种、材料的特性等因素综合考虑材料品种的选择。胎体材料规格的选择，强度、模量、重量和尺寸稳定性是重要的因素。343）胎体帘线拉伸应力及安全倍数的计算根据原材料发展方向，目前国内外全钢丝子午线轮胎胎体材料为钢丝帘线。帘线拉伸应力计算公式：N=

=n1×ik1×n2×ik2×n3×ik3胎体帘线安全倍数计算公式：

K=S/N352、成型机头宽度的计算（1）机头的形式：常用的有半芯轮式、半鼓式、鼓式。以下各图是材料在各式成型机头上的分布。（2）成型机头宽度计算公式：Bδ=2L/δ1-2（L`-C）363、钢丝圈的设计（1）钢丝圈应力的计算钢丝圈应力

T=无内胎轮胎胎圈与轮辋过盈，故需要计算钢丝圈因过盈力所造成的附加力。胎圈对轮辋的过盈量计算公式：δr=dr-dt+2a(tgat-tgar)钢丝过盈力Tt计算公式：Tt=（2）安全系数：K=NS/（T+Tt）钢丝圈的安全强度系数通常在5倍以上。37（3）钢丝圈形式和材料的确定钢丝圈的形式按断面形状分为方型、圆形、六角型、多边型。采用什么形状的钢丝圈需要根据胎体的结构和轮辋的形式决定。方型、圆形的钢丝圈多为轿车子午胎采用，六角型钢丝圈多为全钢丝子午胎采用，多边形的钢丝圈多为全钢丝无内胎轮胎采用。胎圈钢丝的材料通常选用圆形截面的专用镀铜钢丝，常用规格有∮0.9、∮1.0、∮1.55、∮1.65、∮1.80。我们可以根据对钢丝圈所受应力的计算，得知所需钢丝的强度要求，由此来选择钢丝的规格。384、三角胶的设计子午胎的三角胶是轮胎的重要的支撑部件，形状为三角形或近似三角形。它和钢丝圈组合在一起，形成胎圈的基本构造。三角胶的设计高度过去通常为胎侧高度的75%，随着技术的发展，它的高度设计应根据使用条件确定，但最高不得超过水平轴。为提高三角胶的支撑性能，在载重胎的设计中通常采用上下复合的设计，下三角胶的硬度比上三角胶高30°左右，一般在85----95°之间，设计高度在下胎侧高度的25%。5、补强带的设计补强带是载重子午胎提高胎圈刚性，防止胎圈部位帘布层脱层、断裂，提高轮胎侧向稳定性的重要部件。补强带的材料有钢丝帘线和纤维帘线，排列角度20----30°。布置形式有单边的，也有包过钢丝圈底部的。396、带束层的设计带束层是子午线轮胎的关键部件，承担着70%以上的内应力，决定着轮胎的各项性能。（1）带束层的排列带束层由2----4层以一定的角度排列的帘布组成，采用的材料多为钢丝帘线，也有用其他的纤维帘线的。其排列的角度在15----55°之间；各层的宽度不同，以胎冠中心线对称分布，在两端形成差级，最宽层与行驶面的宽度比值在0.94----1.05之间；各层之间角度的方向有同向排列，也有反向排列。排列的形式多种多样，根本的出发点在于使层间获得较小的剪切力，给轮胎的胎体以恰当的箍紧系数，使行驶的角度效应附和道路行驶方向的规定。40（2）带束层安全倍数的计算

N=带束层帘线安全系数计算：

K=St/N带束层的安全强度系数通常在7倍以上。41（3）带束层钢丝帘线的选择带束层的材料通常选用钢丝帘线，我们可以根据对带束层所受应力的计算，得知所需钢丝帘线的强度要求，由此来选择钢丝的规格。同时钢丝帘线的技术进步很快，我们在应用的时候应当注意尽量选用符合性能要求的新型的钢丝帘线。下面简要的介绍几个钢丝帘线的品种。a.普通钢丝：如7*4*0.175+1、3+9+15*0.175+1，钢丝多次加捻而成，强力损失较大，耐疲劳性较差；b.高伸长钢丝：如3*4*0.22HE，主要用于带束层的顶层，缓冲轮胎受到的冲击，保护带束层不受到损伤；c.开放式钢丝：如2+2*0.35，这种轮胎捻度较松，帘线缝隙大，因此压延和硫化时胶料易渗透到钢丝帘线缝隙，从而使胶料与钢丝帘线的粘合性有所提高；d.紧密型钢丝：如12CC，钢丝强力损失小，耐疲劳性好，但胶料渗透不好。e.高强度钢丝：如3*0.20+6*0.35HT，与一般的钢丝帘线相比，在相同的单位重量内具有更高的强度。427、胎面和胎侧的设计子午胎的胎坯形状接近于成品，硫化的过程中胶料的流动较小，因此在设计的时候要根据成品胶的体积和形状来设计。并要考虑工艺过程中的合理变形问题。8、内衬层的设计宽度：内衬层的宽度必须能够与两边的胎侧搭接；厚度：内衬层的厚度设计要考虑从半成品到成品的工艺伸张，必须保证成品有合适的厚度，以保证成品的胎里不会露出胎体帘线，无内胎轮胎有良好的气密性。43结构设计对轮胎使用的影响及案例分析一、肩空1、减薄胎肩、胎冠厚度，基部胶薄，但应厚。------压出、停放2、带束层宽度、形式，0°带束层具有刚性-----裁断公差保证3、垫胶厚度-----压出、停放4、外轮廓改善，重新设计外轮廓。5、花纹沟深度加深，基部胶浅，生热降低-----压出、停放6、胶料的配方设计及混炼的工艺稳定性7、骨架材料的选取8、工艺保证44二、子口裂、子口空、子口爆：1、胎体端点确定包边，贴胶片，-----裁断公差保证2、子口布端点角度-----裁断公差保证3、三角胶形状（软硬胶比例）加大硬胶量------压出、停放4、胎侧耐磨胶形状------压出、停放5、尼龙子口布应用--------内、外、交叉6、胶料的配方设计降低生热、粘合体系、乃曲挠变形及混炼的工艺稳定性7、型胶的应用8、工艺保证内衬层厚度、胎侧厚度、新结构钢丝--（骨架材料）的应用提高胎圈刚性设计（系应力大斜对比圈部位弱）9、硫化条件45轮胎基础知识及生产工艺培训考试提纲1、斜交胎与子午胎的主要结构特点是什么？斜交胎结构特点：胎体帘布层和缓冲层各相邻帘线交叉排列，且与轮胎圆周切线方向呈小于90°排列的充气轮胎，并以胎体受力为主。子午胎结构特点：胎体帘布层帘线与轮胎圆周切线方向呈90