子午线轮胎结构设计说明

./子午线轮胎结构设计俞淇华南理工大学〔高分子系一九八九年十一月目录第一章子午线轮胎结构概述51、子午线轮胎的结构与性能特征52、子午线轮胎的构造部件7载重子午线轮胎构造7轿车子午线轮胎构造7子午线轮胎负荷计算方法81、载重子午线轮胎92、轻卡子午线轮胎93、轿车子午线轮胎9第三章子午线轮胎断面轮廓设计的主要结构参数选取10子午线轮胎模型断面轮廓外直径与断面宽度的选取10子午线轮胎断面最宽点半径〔水平轴的确定11行驶面弧度与宽度的确定11胎圈间距的选取12断面高与断面宽之比12子午线轮胎断面轮廓曲线的设计方法131、平衡轮廓曲线设计法13确定有关设计参数15求出断面上某些点至旋转柚的半径15求出断面上相应点的曲率半径16胎圈部位轮廓曲线的设计17平衡轮廓曲线与断面外轮廓的绘制192、RCOT理论设计法23RCOT理论产生的背景23RCOT理论的轮廓与力特征24RCOT理论的轮胎力学分析273、TCOT理论设计方法30[1]TCOT理论产生的背景30[2]TCOT理论的特征31带束层力控制与分析31b、胎圈力控制与分析32第五章子午线轮胎带束设计与计算33带束层结构设计34〔一载重子午线轮胎34层数、角度、密度34a、四层结构34b、三层结构35c、下三层半结构35d、上三层半结构35带束层的宽度和长度37带束层的排列形式37带束层钢丝帘线38带束层橡胶部件38中间胶39肩垫胶39层间垫胶39带束层封口胶39〔二轿车子午线轮胎40带束层材料品种40带束层的层数、角度、密度40带束层的排列形式41普通叠层式41钢丝/纤维混合式41折叠式41d、包边式42子午线轮胎的箍紧系数42带束层的刚性44带束层帘线应力与安全系数计算46第六章子午线轮胎胎体帘线应力计算491、帘线应力的计算公式492、安全系数k的取值50第七章子午线轮胎胎圈结构设计与钢丝圈应力计算51胎圈结构设计51钢丝加强层胎圈结构50钢丝/尼龙加强层胎圈结构51纤维载重子午胎胎圈结构53无胎钢丝载重子午胎胎圈结构54轿车子午胎胎圈结构54钢丝圈断面形状55园形断面55六角形断面55U形断面563、钢丝圈应力计算56第八章子午线轮胎胎面花纹设计要求58胎冠花纹设计58胎肩花纹设计59花纹沟槽分布60第九章子午线轮胎施工设计61成型方法与成型鼓类型的选择61成型鼓宽度计算与假定伸值65成型鼓上各部件材料的施工66一次法成型施工顺序66二次法成型施工顺序65二段成型时胎坯定型尺寸的确定68施工表的编写69子午线轮胎结构概述§1子午线轮胎的结构与性能特征子午线轮胎问世以来已有五十多年了,它是汽车工业发展中的一项杰出成就,引起了汽车悬挂系统的大改革。子午线轮胎的投入生产也是轮胎工业中一场真正的技术革命,它为轮胎行业开辟了一条崭新的道路。子午线轮胎结构从胎体帘线排列方向来说,与普通斜交轮胎结构相比有着本质上的区别。一般斜交胎胎体帘线各层间排列彼此交叉,并与胎冠中心线形成一定的角度〔约40°～50°,而子午线轮胎的胎体各帘布层间帘线相互平行呈径向排列,与胎冠中心线成90°夹角,胎体通常只需一、二层或层数较少的帘布组成,子午线轮胎的胎冠部分也与斜交轮胎不同,它需用二层以上的多层结构带束层来束缚轮胎的周向变形,决定轮胎形状并承受着主要应力,如载重子午胎带束层承受60-75%的应力,[1]而斜交胎主要是胎体承受80-90%的应力。带束层的材料一般采用刚性大,伸长小,强度高的钢丝或织物帘线作为受应力的主要工作层,帘线排列角度接近周向〔约为15°～20°。由于子午线轮胎结构特征带来轮胎性能的优越性。归纳起来有如下的优点：〔1转向性能好,提高操纵稳定性[2]。这是子午线轮胎最主要是胎体产生侧向移动,这都是由于子午胎的带束层帘线呈周向排列,提高了轮胎的周向刚度,使在同样的侧向力作用下产生较小的偏离角和较高的回正力距,从而提高了车辆的操纵稳定性。滚动阻力小,降低肥耗,节省燃料,这也是由于子午胎结构特点胎体层数少,带束层刚性高而变形小,使轮胎部摩擦大大减小。耐磨性能好,由于子午胎带束层的刚度大,使胎面的平稳性能得到明显改善,大大减少了轮胎表面和地面接触时的相对运动。另外,子午胎冠部不产生横向纵向收缩,大大减少了花纺块移动和地面之间的摩擦,与斜交胎相比约减少一半的磨损率。耐疲劳性能好,由于子午胎摩擦小,行驶中生热低,提高了耐疲劳性能,延长了轮胎的使用寿命,并可进行多次翻新。高速性能好,由于子午胎结构带束层刚性大,因此出现驻波的临界速度明显高于斜交胎,另外对子午胎具有较高的回正力矩和侧向力,保证了高速行驶下的安全性。乘坐舒适性好,子午胎胎体帘线为径向排列,呈现出良好的胎侧柔软性,能充分吸收从地面上传递来的振动,发挥充气轮胎的最佳缓冲性。子午胎的侧向刚度和垂直刚度可以相对独立地进行调节。使胎侧与胎冠各自发挥应有的作用,因此非常容易提高行驶稳定性和乘坐舒适性。提高在干、湿路面上的牵引力和抓着力,由于采用子午线轮胎结构,对接地面的单位压力分布均匀,从而充分地利用接地面积,提高了胎面纵向和横向的附着力。§2、子午线轮胎的构造部件子午线轮胎从所采用的帘线来分类,可分为钢丝子午线轮胎和纤维子午线轮胎两种。一般载重胎采用钢丝胎体子午线为多,详细构造分别介绍如下：载重子午线轮胎构造载重子午线轮胎多数采用单层钢丝帘布构成胎体,亦可为多层纤维帘布组成胎体。如人造丝、尼龙、芳纶等。带束层一般由三至四层钢丝帘布组成,胎体与带束层之间有中间胶和肩垫胶相隔,胎圈部份由钢丝胶、上下三角胶芯、钢丝包布加强层和子口护胶等部件构成,〔见图1。图1载重子午线轮胎断面1胎面胶；2胎面基部胶；3带束层；4胎肩垫胶；5胎体帘布层；6胎侧胶；7填充胶；8上三角胶芯；9下三角胶芯；10子口加强层；11钢丝圈；12子口护胶；13胎里衬胶。轿车子午线轮胎构造轿车子午线轮胎一般由一至二层纤维帘布组成胎体,而胎冠部份的带束层由二层钢丝帘布层,有时加一至二层尼龙帘布层叫冠带,加有尼龙帘布顶层的带束层结构可提高轿车胎的高速度性能。胎圈部份由钢丝圈、复合硬胶芯和子口护胶等构成〔见图21胎面胶；2尼龙帘布带束层；3钢丝帘线带束层；4胎体帘布层；5胎侧胶；6三角胶芯；7钢丝圈；8子口护胶；9胎里衬胶。第二章子午线轮胎负荷计算方法子午线轮胎从承受负荷能力来说,应比同规格、同层级斜交轮胎的负荷能力稍大些,但目前在轮胎国标或美国TRA手册中使用负荷无论是双胎负荷还是单胎负荷,同规格、同层级轮胎标准负荷是相同的,而其相应的气压子午线轮胎要比斜交胎高。例如斜交胎9.00-20-12PR单胎负荷为2340kg,气压为670kpa〔6.7kp/cm2而子午胎9.00R20单胎负荷相同,气压为700kpa〔7.00kg/cm2比斜交胎相应气压高30kpa〔0.3kg/cm2,所以子午线轮胎负荷计算方法与斜交胎相同,只是在计算负荷后有时需增加一些气压,另外负荷系数k值可能略有不同。列举美国TRA手册中应用负荷计算公式〔英制§1载重子午线轮胎[3]Q=K×0.425P0.585×B1.39<dr+B>Q=0.155×10-2×K0.425×P0.585×B1.39<dr+B>式中Q—轮胎负荷〔Lb；K—负荷系数；P—充气压〔Lb/in2；kpad—轮辋名义直径；cmB—当C/B为62.5%理论辋上的轮胎断面宽度〔incmC—轮辋宽度cmB按下列公式计算：B=B’B=0.96xB-0.637B=B’B’—实际使用充气轮胎断面宽度〔in;C—实际使用轮辋宽度〔in;d=0.96B-HH—实际使用充气轮胎断面高度轿子午胎不同系列的负荷系数"K"系列5060707882"K"系列1．6551．6551．6551．7431．743现以185/70SR14为例计算B‘=7.32in,D’=24.56ind=14in;c=5in;p=30Ib/inB=7.32=7.39H==5.28d=0.967.39-5.28=1.81B=0.961.81=5.94Q=1.6550.425305.94<14+5.94>=1220.60Ib=549.27Kg第三章子午线轮胎断面轮廓设计的主要结构参数选取1子午线轮胎模型断面轮廓外直径与断面宽度的选取轮胎是在充气状态下进行工作,汽车对轮胎规格的要按各类标准或手册上提供的充气轮胎尺寸来选用的,而生产制造轮胎需要按模型尺寸,由于轮胎采用不同的骨架材料和不同断面轮廓形状,因此模型尺寸是不相同的,但必须达到充气轮胎统一标准尺寸的要求。只能根据经验考虑不同骨架材料的伸性能和轮胎与模型的断面宽和外直径膨胀等影响来选择充气轮胎与模型的断面宽和外直径膨胀比。以下列举载重和轻卡充气断面宽B’和模型断面宽B对不同骨架材料的断面宽膨胀比取值围见表1。表1不同骨架材料的断面宽膨胀比值帘线类别B’/B的比值钢丝帘线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子午线轮胎的外直径膨胀率要比斜交胎小得多,是因为子午线轮胎冠部有周向不易伸的带束层箍着胎体,因此充气后轮胎的外直径变化很小,一般增大1~2mm2子午线轮胎断面最宽点半径<水平轴>的确定子午线轮胎断面最宽点半径的位置要比斜交胎高.使轮胎的变形区域在水平轴以上带束层端点以下的上胎侧.减少下胎侧的应力和胎圈的应力.一般H1/H2的比值为1.0~1.2,载重子午胎H1/H2的最高比值可达1.4.美国专利介绍H2的确定公式为〔H-FH0.59=H2.式中H为轮胎断面高,FH为轮辋的轮缘高,H2为轮胎断面的上胎侧高.行驶面弧度与宽度的确定行驶面弧度的选取,主要取决于带束层的刚性,此外,行驶面弧度半径与行驶面宽度、行驶面弧度高与断面高、行驶面宽度与断面宽、带束层宽与行驶面宽的比值以及胎体胎体帘线类型,也有相当大的影响。带束层刚性对行驶面宽度花纹磨耗的均匀性有很大关糸。两层带束层的行驶面边部直径增大要比四层带束层的大得多,因此对多层钢丝带束层轮胎可采用较小的行驶面弧度。因为行驶面弧度大会缩小接地面积,从而对胎面耐磨性和磨耗均匀性以及抓着性都会有不良影响。为保证轮胎与路面在行驶面宽度与断面高之比值,一般宜取h/H为0.03~0.05,行驶面宽<b>与断面宽〔B之比值b/B为0.7~0.85.

行驶面弧度半径<>与行驶面宽<b>和带束层宽<BW>与行驶面宽<b>之比值.对轮胎耐久性都有较大的影响.为了兼顾两者的性能,BW/b的比值为0.94~1.05围为宜,/b的比值轿车胎为2.1~2.5左右,而载重胎约在1.3~1.8左右.

4胎圈间距的选取

胎圈间距C一般选用与轮辋宽相等,或选用小于轮辋宽度,但不超过15~25mm.据文献介绍C小于轮辋宽度可提高轮胎耐磨性,并增大侧向刚性,胎圈间距C与断面宽B之比C/B轿车胎为0.7~0.8,载重胎为0.7~0.75.

5断面高与断面宽之比

作为轮胎设计重要参数之一H/B,对子午线轮胎可不直接选取,这是由于子午线轮胎外直径变化很小,断面高H也就为定值.断面宽B主要受胎体骨架材料性能影响较大,〔以上已介绍其膨胀比由此H/B比值就成为定值。据资料介绍载重子午胎H/B值为0.96~1.05,对低断面和轿车子午胎来说,它们都以系列分类,故H/B比值是与其系列相应的.

第四章子午线轮胎断面轮廓曲线的设计方法

目前广泛应用于充气轮胎平衡轮廓设计方法的基本原理是采用薄膜-网络理论.子午线轮胎由于结构的特殊性,应有与斜交胎不同的设计方法,但就结构设计的原理来说,还是普遍采用薄膜理论,在具体设计方法上却涌现出了许多创新的思路.世界各大轮胎公司七十年代末提出有名声的NCT产品,同时推荐了采用自然平衡轮廓的设计方法,使充气轮胎各部位受力均匀,以达到提高轮胎的性能要求.随之各种新型产品的涌现,逐步改进设计方法由传统的自然平衡轮廓演变到非自然平衡轮廓的应用即要有一定的边界条件来满足,使设计的断面轮廓更符合实际受力的要求.近十多年来轮胎结构设计者开始以轮胎工作使用状态的形状作原始设计的断面轮廓形状。这是由于计算机的广泛

使用,特别是有限元分析法引入轮胎结构设计中的应用,使研究人员可以真实地模拟轮胎工作状态的任意断面形状,并分析其应力——应变分布的合理性,从中优化最佳轮廓形状来设计轮胎。目前比较成熟和系统的新设计方法有日本石桥公司在职1984年首次发表的RCOT理论设计法[7],适用于轿车子午胎。1987年又提出了适用于载重车和公共汽车子午胎的设计方法TCOT理论[8],接着1988年日本横滨公司提出了STEM理论设计方法[9],主要适用于载重子午胎,相继日本东洋公司又推出新的理论叫DSOC〔最佳化轮廓[10],并研制出新型载重轮胎获得优异的性能。ξ1平衡轮廓曲线设计法[11][12]迄今为止常规的子午胎设计方法仍是采用"平衡轮廓理论"为依据。这种平衡轮廓的计算方法是以薄膜——网络理论为基础,最初是用于斜交胎,后来也用于子午胎的轮廓设计。这种理论认为充气压力是唯一作用应力,而且应力仅仅作用于薄膜壁上,对剪切和曲挠力可视为忽略不计。当轮胎充气时,胎体所受应力是均匀分布的,如图3所示。这样的轮廓曲线称为"自然平衡轮廓"。从静态力学平衡方程中得出充气轮胎平衡轮廓曲率半径公式〔1,由于子午线轮胎的胎体帘线角度为90°,其曲率半径公式可简化为公式〔2斜交胎ρ=图3自然平衡轮廓式中rk-胎冠半径；rm-断面最宽点半径；аk-胎冠点帘线角r-任意点半径子午胎<2>从公式〔2中看出只需确定胎冠点半径rk和断面最宽点半径rm后,即可求得轮廓上任意一点的曲率半径ρ,根据各点不同的曲率半径作出平衡轮廓曲线。由于轮胎胎体具有一定厚度,故应以胎体层的中线来计算平衡轮廓曲线较为合理。确定有关设计参数R-轮胎外半径；B-轮胎断面宽；C-轮辋宽度〔或轮胎胎圈间距；Rt—胎圈着合半径；ρ1—轮胎行驶面曲率半径；m—胎面到帘布层中线的厚度；n—胎侧到帘布层中线的厚度；r—轮辋边缘半径〔轮辋边缘到旋转的距离〔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,但从实际上为了方便计算和合理制造成品模型,不必搞得很复杂,而只需寻求几个相应点位置,求出曲率半径和曲率节点位置,如胎冠、断面最宽点等见图表所示。求出相应点到旋转轴的半径：胎冠点半径r=R-m断面最宽点半径r=<R+r>或按上述第三节确定下胎侧j点半径r=r-<3>求出断面上相应点的曲率半径胎冠点曲率半径=-m断面最宽点胎侧曲率半径=胎肩曲率半径=下胎侧〔j点曲率半径

根据上述求得的曲率半径进行轮廓曲线的绘制。〔见图5图4图5曲率半径园心和分别在纵、横轴上,与以切园几何作图法找同园心。〔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,所以平衡轮廓的中线应设在胎圈的中央部位。要先确定钢丝圈中心点E的座标,可根据胎圈结构和钢丝圈的排列来确定S和q值,即可定下E点的位置〔见图6所示,然后以为半径,通过E点向下胎侧的弧线作外公切园,这样就可得到胎圈部位的轮廓曲线。〔作图方法详见图7图6胎圈中线和E点座标图7胎圈弧线的绘制图〔5平衡轮廓曲线与断面外轮廓的绘制根据上述的步骤,将已知参数和计算参数编成表格〔见表2,通过计算得出各部位的曲率半径,即可进行平衡轮廓的绘制。先将已知的轮胎外缘尺寸绘成轮胎断面框图,然后按计算或选取的在断面中心线上画出轮胎行驶面弧,接着用减去帘布层中线厚度m的画出胎冠曲率弧,在已确定好的最宽点半径轴线上用绘出胎侧曲率弧,再用计算出的曲率半径作公切园找出园心O将胎冠与胎侧两个弧连接起来。再在选好的K点位置上用曲率半径找出园心作出下胎侧弧。胎圈部位的轮廓曲线,先按确定的S与q值找出E点,然后借用作从E点到下胎侧曲率弧的外公切园,最后绘制成以中线为基准的平衡轮廓曲线。〔见图在平衡轮廓中线基础上配制各部位的厚度、、和曲率半径、以及胎圈宽度j等参数即可绘制出轮胎断面的外轮廓。〔见图9所示表2平衡轮廓曲线计算表轮胎规格日期原始参数R=B=r=r=C==m=n=S=q=计算参数r=R-m=r=J=r-R=r=r+q=r=====图8平衡轮廓曲线

图9轮胎断面轮廓七十年代末,日本赤坂隆<T•Akasaka>发表子午轮胎结构力学综述文章<13><14>,对子午胎断面轮廓设计与计算进行了介绍.他叙述了F.Bohm和F.Frank根据网络理论来研究子午胎的断面轮廓.径向断面轮廓线的主曲率半径r1是以旋转距离半径r、径向夹角、带束层角度、轮体帘线角、胎侧屈挠点C〔断面最宽点半径r、以及带束层承担充气接触压力分配率g〔等项为参数,以A=f〔r为函数表达式,〔见图10、图11并对此函数关系式进行数值积分即可获得子午胎断面轮廓曲线。图10子午胎断面形状和几何参数图11带束层和帘布层压分配率根据FRANK的计算结果,认为充气接触压力分配率函数g<s>的曲线形状是梯形比抛物线更为接近,因此可近似地假设g<s>沿着带束层宽度方向的数值为常数.引入上述假定后,子午胎断面轮廓就可按下述积分公式求取.胎侧曲线r≤r≤r〔从轮辋点B到带束层端点DZ=Z--r[{〔r-r+-r}-<r-r>]dr…胎冠曲线区域rrr<从带束层端点D到胎冠点A>Z=Z--r[{〔r-r+-r}/{[〔r-r+-r]-[<r-r>+-r]}dr…〔4式中=1-g根据这种理论所得的断面轮廓曲线,进行计算曲线与实测曲线对比,在胎圈和带束层端部多少有点偏离如图12所示。15Z175SR14——测量计算10cm501520253035rcm图12子午胎断面轮廓曲线测量与计算对比§2RCOT理论设计方法日本石桥公司在1984年的«月刊夕他»杂志上介绍了轮胎最佳理论即RollingContouroptimizatTheory简写为RCOT理论。这种新理论的设计思想是让轮胎的胎面轮廓符合于滚动状态下的形状,打破以往采用静态自然平衡轮廓的传统设计方法,由于原来的自然平衡轮廓理论是使充气轮胎在静态时具有均匀的胎体帘线应力,但并不是轮胎行驶时滚状态下的最佳形状,因此必须探索滚动时轮胎的最佳轮廓,这就导致产生RCOT理论的原因。RCOT理论产生的背景为了探索轮胎行驶时滚动状态下的断面轮廓,用来解决轿车产生偏离时引起胎面与路面接触不充分而发生一种"雏曲"现象这种"雏曲"现象会使胎面表面部分从路面浮起,而导致轮胎接地性能显著恶化,使行驶性能下降。抑制"雏曲"现象的措施有两种：一是提高带束层和胎面的刚度；二是增大带束层的力,前者通过增加补强材料会导致轮胎重量的增加不宜采用；后者若通过提高压来增加带束层力,会使轮胎变硬、接地面积减小,带来操纵稳定性、振动及乘坐舒适性等不良影响,因此探索用改变轮胎断面轮廓的方法来满足提高带束层力的要求,这就引起产生RCOT理论设计方法的基本出发点。RCOT理论的轮廓与力特征充气轮胎基本上被认为是一个轴对称的薄壳体,由于胎侧刚度比较低,从而可适用薄膜理论。轴骊称薄壳结构是意味着法向力至表面产生的平衡方程式为：+=P〔5式中：N-径向薄膜力N-周向薄膜力R-径向主曲率半径R-周向主曲率半径P-充气压力对子午胎胎体帘线径向呈径向排列,可假定胎侧部位的周向薄膜力N=0〔6因此胎侧部位径向薄膜力为N=r.P<7>根据薄膜理论带束层所受的总力与轮胎断面轮廓参数的关系式如下〔见图13所示。T=1/2AP<B-2rsinθ>〔8式中:T-带束层总力；P-充气压力；带束层直径；r-径向主曲率半径；B-带束层宽度；θ-胎体与带束层线间的夹角；a-带束层直径B—轮胎断面宽Bw—带束层宽度T=C—轮辋宽N=d—轮辋直径—径向主曲率半径p—压力—带束层力N—径向薄膜力图13轮胎断面轮廓与力方程式〔7说明了胎体的径向薄膜力N与断面轮廓的主曲率半径r成正比。同时,方程式〔8也表明轮胎的轮廓直接影响带束层的受力,对于在选定的带束层直径"a"和宽度"B"情况下,则胎体轮廓曲率半径r和夹角θ增大时,带束层的总力会减小,因此提高带束层力〔T,只要采用减小胎侧部位断面曲率半径r和夹角θ办法。若对自然平衡轮廓来说,当轮辋直径、轮辋宽度和轮胎宽度不变的情况下胎体的轮廓曲线也就确定了,所以曲率半径r和夹角θ不可能再有什么改变。因此必须打破自然平衡轮廓的框框,考虑其它状态的最佳轮廓形状,首先想到将轮胎滚动时的形状作为轮胎断面的原始轮廓,恰好这种形状是要求轮胎断面轮廓的上胎侧部位曲率半径减小,胎圈部位的曲率半径增大〔见图14,这种轮廓从上述带束层力基本关系式来逢,可起到增大带束层力的作用,人达到抑制接地面中的"雏曲"现象。图14RCOT轮廓与传统轮廓对比从力平衡的观点来看,RCOT轮廓与自然平衡不同之处,是将原来均匀分布的胎侧力分散到带束层和胎圈部位〔见图16。从而使带束层和胎圈部位的力增大,上胎侧的力下降。这样就可提高轮胎的接地性能并抑制"雏曲"现象。图15表示了以185/70SR14为例的轮胎采用RCOT轮廓和传统法轮廓的对比,带束层的周向力与胎体径向力的分布是不相同的,RCOT轮廓在带束层与胎圈部位的力都大于传统法轮廓,而上胎侧问好位的力RCOT轮廓小于传统法轮廓。带束层与胎体力分布是采用"有限元法〔FEM分析获得。图15RCOT理论的轮胎力学分析<3>RCOT理论的轮胎力学分析采用RCOT理论设计轮胎能有效地防止"雏曲"产生,这是于它在充气、滚动以及转弯时其带束层力均比传统法的增高,而抑制"雏曲"现象。以下列举两种轮胎在各种状态下带束层分布的情况。图16表明了以175/70SR13为例的轿车胎在充气状态下束层的力分布情况,带束层的中心区域大于两侧边缘部位,采用RCOT理论设计的轮廓与传统法相比在同一气压下提高了带束层的应力。在自由滚动状态下带束层力的分布状况见图17所示,其应力最大值中心区转移到边缘部位,采用RCOT理论设计的轮胎其带束层力仍然是大于传统法的,由于带束层力的增加不能抑制地面中的"雏曲"现象,从而提高轮胎的接地性能。175/70SR13图16RCOT与传统法轮廓充气时带束层力的对比175/70SR13图17自由滚动时RCOT与传统法轮廓的带束层力对比图18示出RCOT与传统法轮胎在侧向力F等于轮胎法向负荷的40%时,在转弯情况下带束层力分布图。从图18年到带束层的最大力值增加了。力峰值由带束层中心向边缘移动,RCOT轮胎的带束层力仍然高于传统法轮胎,这意味着RCOT轮胎不通过增加材料就可减小带束层"雏曲"的产生。带束层力〔175/70SR13F=110k图18转弯时RCOT与传统法轮廓的带束层力对比￡3TCOT理论设计法日本石桥公司在1987年提出并在1988年美国轮胎学会年会上发表轮胎最佳力控制理论〔TENSIONCONTROLOPTIMIZATIONTHEORY简写为TCOT理论。该理论用于载重子午胎,在不降低操纵稳定性和耐磨性等重要性能情况下,可比普通形状轮胎具有更高的胎圈和带束层强度,并可提高节油率。TCOT理论是从轮胎最佳滚动轮廓理论〔RCOT发展而来的,这两种设计方法的基础理论都是应用薄膜理论,但与传统设计方法按静态自然平衡轮廓设计轮胎有着原则上的区别,这两种设计方法都以轮胎行驶时的形状作为结构设计的基本出发点,都通过控制带束层、胎体和胎圈的力分布来优化最佳轮廓和提高轮胎综合使用性能。因此它们使用的理论公式和采取的改进措施以及达到的效果都有许多相同与类似之处。<1>TCOT理论产生的背景为了要提高轮胎的某些性能,但又不牺牲其它性能,即解决"二律背反性"难题。石桥公司先提出了RCOT理论主要用于轿车胎,采用力控制技术的非自然平衡轮廓减少"雏曲"现象来改善轮胎的操纵稳定性和滚动阻力,然而,对于载重胎承受高气压。高负荷和苛刻使用条件时的耐久性问题,因此RCOT理论必需发展才能适用于载重车胎。载重车胎是个复杂的橡胶组合体,当它承受气压、高负荷行驶时在带束层与胎体帘布层端点会产生集中应变,在持续的苛刻条件下使用,轮胎就会在薄弱的端点产生和扩大微细的裂口从而导致轮胎的损坏,而采用TCOT理论设计轮胎就可防止薄弱点的应力应变集中和阴止裂口的发生与扩大,为达到此目的所采取的措施有：A、控制轮胎充气时的力分布；B、通过氯压来控制轮胎轮廓的变化。<2>TCOT理论的特征TCOT理论是在RCOT理论的基础上发展提出的。因此大部分理论公式如法向与径向静力平衡方程,带束层力,胎圈力以及平衡轮廓等计算,有限元分析结果等理论公式,二者均为相同的。a、带束层力控制与分析根据薄膜理论静力平衡方和计算带束层的力公式与上述RCOT理论相同,以同样的论点来调节控制带束层、胎体和胎圈的力分布,从而设计出TCOT理论的轮廓形状。与传统法轮廓相比,TCOT轮廓的上胎侧曲率半径减小〔夹角θ小,而胎圈部位的曲率半径增大,见图19所示。从RCOT带束层力公式〔8得出,TCOT轮廓的带束层周向力增大,带束层相近处的胎体力减小,而在胎圈部位的力增大<见图19>.与RCOT轮廓的胎体力分布趋势相比,TCOT轮廓的力分布变化比较平缓.图19TCOT轮廓与力分布b、胎圈力控制与分析载重子午胎不管是否承受负荷,只要充于高气压就会导致胎体层端点的应变,这种应变是使轮胎产生和扩大裂口的主要原因之一,而TCOT设计的轮胎可通过控制由于气压引起的轮廓变化,从而减小这种应变,这样可达到提高轮胎耐久性。可不考虑轮胎未充气时的初始形状,但一经充气后就会变成接近自然平衡轮廓。TCOT理论正好应用此规律来控制充气后的轮廓形状变化,使至按我们力学分析的要求进行充气轮廓的变化。TCOT设计的胎圈形状与传统设计的胎圈形状在充气过程中发生的变化不同,前者向轮辋边缘方向移动,而后者向离开轮辋边缘方向移动。〔见图20这是由于TCOT轮廓在胎圈部位的曲率半径比传统轮廓大,而在接近带束层的胎侧曲率半径比传统轮廓小,这两个因素促使充气过程中倾向胎圈变形朝着轮辋边缘方向移动,因此可使用胎体层端点〔反包差级处的应变大小,同时也是因为胎体边缘的胶料移动方向与胎体层端点移动方向接近一致之故。图20充气后胎圈部位帘布层端点应变的对比另外从力控制角度来分析TCOT轮廓在胎圈部位的帘布层力高于传统轮廓如图19所示,并且胎圈弯曲刚度也高于传统的,为此在负荷下TCOT轮廓的胎圈变形和胎体帘布层端点的应变均小于传统的〔见图21。图21表示了采用有限元法计算结果,例举10.00R20子午胎在承受负荷时两种不同设计轮廓在胎圈部位的纵向与横向位移对比情况子午线轮胎带束层设计与计算带束层是子午线轮胎主要受力部件,它在很大程度上决定着胎体的变形,并承受着胎体的60~75%的应力。带束层的设计与计算是子午线轮胎结构设计中的核心问题,引起广大研究人员的极大关注,多年来,有关这方面的研究文章很多,涉及围较广,只能对常见典型结构进行介绍。§1带束层结构设计带束层结构主要是指它的层数、帘线排列的角度和密度、排列方式、带束层的厚度、宽度和长度以及所采用的帘线结构与类型等,这些参数决定了带束层的刚性,而带束层的刚性会直接影响轮胎使用性能,如耐磨性、操纵稳定、安全性和节能性等。带束层的结构设计形式很多,视轮胎类型和使用条件不同以及所用带束层材料性质等因素而异,下面分载重车与轿车子午线轮胎类型介绍。载重子午线轮胎〔1层数、角度、密度载重子午胎一般由三至四层组成,采用结构形式常见的为层叠式。根据不同轮胎规格和使用条件来选用,如对大规格轮胎或路面差使用条件苛刻的情况下应选四层结构为宜,反之对轮胎规格小和使用条件好的则可选用三层结构。A四层结构带束层四层结构的排列设计〔见图22a,第一层称为过渡层帘线角度为55º~65º,它是最靠近胎体帘线的一层,主要起着使由90º排列的胎体帘线角度过渡到接近周向排列的小角度带束层,这样可减小层间的剪切力,避免带束层与胎体的脱层现象；第二、三层是带束层结构中主要承受应力的帘布层称为工作层,常用帘线角度为15º-23ºB三层结构国外载重子午胎多数采用三层结构带束层,第一层仍为过渡层帘线排列基本上与四层结构相仿,仅把第四层保护层取消了〔见图22b。它有减轻轮胎重量和简化工艺的优点。C下三层半结构将第一层过渡层分为两边部,中间部分断开无帘布层〔见图22cD上三层半结构将带束层的第四层改为分布在两肩的0º带束层见图22d,这种结构能提高轮胎户部刚性,可阻止带束层端部所受的应力和生热,这是意大利皮列里公司推出的全钢丝低断面无胎载重子午线轮胎产品〔见图23。据说与一般子午胎相比,燃料消耗降低5%,行驶里程提高20%；高速性能好,翻新率高[15]。图22载重子午胎带束层结构形式a、四层结构；b、三层结构；c、下三层半结构；d、上三层半结构过渡层；2、3-工作层；4-保护层图23两肩0º带束层低断面无胎载重子午胎带束层帘线角度的取值,既要考虑到带束层对胎体的箍紧系数,又要照顾到便于加工。据说,带束层角度大于20º就不能使胎体获得必要的箍紧效果；但角度太小,不仅使带束层的裁断和接头等工艺操作大大复杂化,而且对轮胎的使用性能不利,容易导致带束层脱层的危险。对子午胎耐磨性来说,带束层帘线的最宜角为15º-20º；但此角度在很大程度上取决于带束层帘线模量,并在一定程度上决定于带束层胶料的剥离强力,还与轮胎规格有关。带束层的密度要根据所受的应力和钢丝帘线的直径而定。第一层过渡层的密度可稀一些,主要保证与胎体的附着力,一般选用4-5根/CM左右；工作层的密度既要考虑确保轮胎受力的强度和所要求的安全倍数,又需用考虑帘线之间保持良好的附着力,要求有一定的胶量约50-60%,一般为5-6根/CM,还要视钢丝帘线的直径而定；保护层的密度不宜太大,因要保证与胎面胶的附着力,大约3-4根/CM为好。宽度和长度带束层的宽度一般宜大致与胎面相等；太窄胎面刚性和稳定性差产生磨肩现象；过宽可能造成带束层脱层。据文献报导[16],带束层宽度Bw与行驶面b之比值为1.05以下,对保持轮胎耐久性有利；但从防止胎肩异常磨损来看,BW/BD0.9以上为宜,因此,综合兼顾上述两种性能,取值围为。其它宽度,每层依次较下一层差级为10-15mm带束层长度即指带束层直径,其值的大小对子午线轮胎箍紧有直接影响,由于受硫化模型和工艺操作要求的限制,只能根据胎坯直径到模型胎面花纹沟深度之间的间距来取值,一般带束层直径到外胎成品直径的膨胀率在3%以下为好,1%为最理想。下面各种不同硫化模型的取值[18]。A两半模型硫化膨胀率3.5-5%B活络模I型硫化膨胀率2-3%C活络模II型硫化膨胀率1-1.5%<3>带束层的排列形式带束层的排列形式,对轮胎磨耗,带束层端部脱层以及轮胎行驶性能等方面都有很大影响。因此对带束层排列形式开展了许多研究,不仅对排列的式样,如梯形、等宽叠排式、交叉排列式、折叠式、包边式等进行研究,而且还应注意带束层帘线角度的排列方向,如四层结构的排列方式可为：左、右、左、右〔-、+、-、+；右、左、右、左〔+、-、+、-；左、左、右、右〔-、-、+、+；右、右、左、左〔+、+、-、-；右、右、左、右〔+、+、-、+；以及左、左、右、左〔-、-、+、-等。这些不同排列形式对轮胎的操纵稳定性有直接影响,如左、左、右、左排列形式,得到轮胎均匀性角度效应〔plysteer指标为"-"值,这对右行道交通规则的安全性就差。相反,如果要用右、右、左、右排列则使轮胎均匀性角度效应〔plysteer指标为"+"值,对右行道交通规则就能提高安全性。深入研究带束层排列,将是提高子午线轮胎性能的关键。根据美国smithers〔斯密丝科学服务公司提供的《国际轮胎分析报告》,列举出10.00R和275/80R22.5载重子午线轮胎分别为1982年与1987年剖析世界几大主要公司带束层结构情况〔见表3、表4。<4>带束层钢丝帘线带束层所用钢丝帘线结构一般可选单丝直径粗一些的,约在0.22-0.38mm围。根据轮胎规格和带束层功能的要求,来选用钢丝帘线结构和品种。常用的钢丝帘线结构,如过渡层可用3+9*0.23+1*0.15,工作层为3*0.20+6*0.38、3+9+1*0.22+1*0.15、7*4*0.22+1*0.15,保护层采用高伸长钢丝帘线结构为4*4*0.20HE、3*7*0.23HE、3*4*0.23HE、<钢丝帘线的品种、结构与性能详见第章轮胎用骨架材料>。<5>带束层橡胶部件载重子午胎带束层除由钢丝帘布层组成外,一般还有橡胶部件常见的有中间胶、肩垫胶、层间垫胶和封口胶等。A中间胶为了有效地调节带束层刚性,减少剪切力,提高附着力,设有中间胶放在胎体与第一层带束层之间,还有将中间胶置于胎面与上带束层之间,能更好地提高胎面与带束层之间的粘合性能。B肩垫胶为了将胎体帘布层与带束层端头隔开,使胎肩与胎侧的连接弧度比较平坦,并转移和吸收动态条件下通常集中于胎肩的应力,防止在胎侧面上部与胎肩连接区出现早期损坏,带束层末端之下应置有柔软低定伸、高耐疲劳的胶料来作肩垫胶,从而防止胎体帘线与带束层之间产生剪切应变。C层间垫胶由于载重子午胎带束层的层数多,各层的端部受力和变形较大,尤其在2-3层〔工作层端部受力更大,因此通常在2-3层之间放置垫胶,一般采用硬度高、模量高、变形小的胶料,从而提高层间的附着力,防止带束层端部的脱层。D带束层封口胶由于带束层边缘露出没有镀层的端点,此端头并未固定,加之端部受力和变形较大,因此决定子午胎成败关键还在于能否达到并保持带束层帘线与周围橡胶在使用过程中始终有良好粘合性,并要求胶料有很高的耐疲劳强力,以防止胎肩脱层,为此,带束层端部应加贴粘合性能好耐疲劳强度高的封口胶。<二>轿车子午线轮胎<1>带束层材料品种作为轿车子午胎带束层的骨架材料种类比较多的,有人造丝、玻璃纤维、B纤维和钢丝等。但目前最普遍采用的还是钢丝帘线,将来发展很有前途的骨架材料是B纤维,因钢丝的比重大,而轿车胎随着汽车速度和节能的要求,对其轾量化始终是个重要指标。现将国、外推广使用的钢丝帘线规格举例如下：常用规格为4*0.25*0.25、2+7*0.22+0.15、2+2*0.25/0.28等；今后要发展的规格结构为2+2*0.25/0.28、2*0.30HT、3*0.30HT、2+7*0.22[19]。对具体带束层材料品种和规格的选用,还须按轿车子午胎性能与使用要求来定。<2>带束层的层数、角度、密度轿车子午胎采用纤维带束层一般为4-6层,角度为13º-18º交叉排列,采用钢丝帘线一般为2层,帘线角度可取得大一些约为20º-25º。带束层帘线角度还与轮胎的速度级别有关。这因速度不同,轮胎的应力受离心大小不一而有差异。轿车胎S级的帘线角度为24º,H级为22º,V级的为20º。带束层帘线密度要视材料的强度,保证轮胎所需的安全系数和帘线的粗度而定。对带束层为纤维材料单根帘线强度低,帘线直径细,一般可用密度根/cm,对于钢丝帘线强度高,相对来说帘线粗度也大些,则用5-8根/cm。对帘线密度同时还要考虑帘线之间的良好粘着性能即保持一定的胶量。<3>带束层的排列由于轿车子午胎带束层的材料品种规格花样众多,因此带束层排列形式的种类也就比较多。现只能对常见的排列形式,大致归纳起来,列举如下几种：A普通叠层式轿车子午胎普遍采用为两层钢丝带束层交叉排列形式,两边端部保持一定的差级。这种带束层结构的优点是工艺操作简便,同时也能优质良好的耐用性,耐刺扎性、牵引性、行驶温度低等优良性能。B钢丝/纤维混合式为了进一步提高行驶稳定性,对高速轿车胎采用两层钢丝带束层上面再放置一层或两层尼龙帘布叫作冠带层,其帘线排列与胎冠中心线呈0º角即周向排列,尼龙帘布层宽度等于或稍大于带束层。这种排列结构的优点是高速行驶时冠带起着压缩作用,能防止驻波的产生,另外它还可避免高速行驶时由离心力引起带束层脱层的危险。因此也是目前高速轿车子午胎普遍采用的一种带束层结构形式。C折叠式一般为速度较高的轿车子午胎所采用〔如H级和V级轿车胎,另外对多层纤维带束层往往采用折叠式,典型折叠纤维带束层的排列形式如图24所示。折叠式结构的主要目的是为了增大带束层边端刚性,从而提高胎面磨耗均匀性与高速行驶稳定性,同时折叠式可防止带束层端部脱层,由此提高轮胎的临界速度来达到轮胎高速行驶安全性。带束层为两层钢丝帘布层的折叠式结构,一般采用下帘布层向上折叠包上帘布层的形式见示意图25aD包边式多年来米西林轮胎公司对带束层设计进行了多方面的研究和改进,其主要做法是加强带束层端部的设计,改进带束层帘线的排列,以减少因胎肩部位的应力集中所引起的脱层,从而提高轮胎的行驶性能,延长轮胎的使用寿命。上述折叠式带束层反包折叠层的帘线弯曲处易断裂。为克服这个缺点,米西林公司研制了U型包边带束层见图25b。带束层的帘线角度分别为28°<上层>和32°〔下层,U型帘线角度为17°〔尼龙840D/3§2子午线轮胎的箍紧系数子午线轮胎断面轮廓形状的变化很广阔的,对径向排列等帘线长度的断面轮廓,随着带束层直径的变化直接影响其轮廓形状。若是无带束层的子午胎,其平衡轮廓直径最大,断面宽最小〔见图26a。随着带束层直径变小,起着箍紧轮胎的作用,便会变成断面高较低的轮廓形状〔见图26b、c、d。因此可设定表达子午线轮胎断面形状的参数——其式中H0——无带束层充气轮胎断面高H——有带束层充气轮胎断面高随着箍紧系数的变化,胎体和带束层受力情况也会发生变化〔见图27。在相同条件下,增大子午胎的箍紧系数可导致：胎体帘线力增大,带束层承受的周向力增大以及子午胎径向刚性的减小。因此箍紧系数的变动,必然会影响到轮胎的性能。对箍紧系数选取要恰当,过大或过小都对子午胎性能不利,一般据文献介绍箍紧系数取值轿车胎K值为0.11~0.16,载重车胎K值为0.07~0.08。轿车轮胎由于气压较低,为了保证行车安全可靠,箍紧系数宜稍大。载重车胎箍紧系数稍小,有利于应力合理分布于带束层和胎体之间。活胎面子午胎的箍紧系数应大于子午胎的箍紧系数。图26子午胎带束层对胎体轮廓形状的影响无带束层的胎体形状；b、c、d—不同带束层直径的胎体轮廓形状图27箍紧系数对胎体、带束层帘线应力和轮胎刚性的影响1—胎体帘线应力N；2—带束层帘线应力N1；3—带束层的周向应力N0；4—子午线轮胎径向刚性γ;§3带束层的刚性带束层的刚性对子午胎的性能影响极大,它对轮胎的充气轮廓、断面宽、胎面曲率、接地面积等都有密切的关系。联70年代初期在这方面进行了大量的研究工作,介绍了带束层伸刚性Eδp和弯曲刚性EI的计算式。影响带束层刚性的因素有带束层帘线角度、密度、宽度、层数、排列方式及其对胎体的箍紧系数等。对260-580钢丝带束层纤维子午胎研究成果表明,带束层伸刚性高于250×10-3Kg对充气轮胎轮廓、外缘尺寸和接地面积没有影响,但低于250×10-3带束层的弯曲刚性对轮胎接地面的磨擦性能与胎面花纹磨耗影响很大。胎面花纹相对磨耗强度与带束层弯曲刚性之间的关系见图28。从图中看出弯曲刚性低于40×10-5Kg·cm2据研究结果表明,带束层伸刚性Eδp低于200~250×10-3Kg和弯曲刚性低于40×10-5Kg·cm带束层伸刚性Eδp和弯曲刚性EI的计算公式如下：<9><10>式中E带束层工作层帘线的弹性模Kg/根；i带束层工作层帘线密度根/cm；β带束层工作层帘线角度度；G胎面胶剪切模量Kg/Cm2；b带束层工作层宽度cm;n带束层工作层层数；hn弹性层折合厚度cm§4带束层帘线应力与安全系数计算带束层帘线应力计算各用的公式虽有不同,但应用的计算原理基本上是以薄膜理论为基础的,现将联和美国发表过的带束屋帘线应力计算公式介绍如下：<1>美国公式式中：t—带束层帘线应力Kg/根；P—充气压Kg/cm2rk—胎冠点半径cm；n—帘布层数；ik—胎冠点帘线密度根/cm;αk—胎冠点帘线角度〔与周向夹角。六十年代初期在彼德尔曼著作中采用公式与七十年代初萨蒂科夫在《汽车轮胎现代工艺学基础》一书中介绍的公式有所不同,分别列举如下：<1>bugepmah公式<12>式中t—带束层帘线应力Kg/根；p—充气压kg/cm2—胎冠曲率半径cm；rk—胎冠点半径cm；rm—断面最宽点半径cm；n—带束层帘布层数；ik—胎冠点帘线密度根/cm;—带束层胎冠点帘线角度〔与径向夹角。<2>CanbTblkob式〔13式中t—带束层帘线应力kg/根；—带束层总周向力kg;—带束层平均宽度cm;n—带束层帘布层数；ik—胎冠点帘线密度根/cm；—带束层胎冠点帘线角度〔与径向夹角度带束层总周向力等于式中P—最大充气压力kg/cmF—充气下轮胎轮廓断面面积cm2—胎侧平衡断面半径cm—断面最宽点半径cm断面F的面积〔见图29可按轮胎断面轮廓图直接用求积仪或按下列公式求得式中见图29中表示；—轮廓断面宽对载重子午胎采用近似计算面积F可以下列公式求出安全系数计算式中—带束层帘线扯断强力kg/根；—带束层帘线所受应力kg/根；安全系数K值的确定是随所用计算公式不同而要求其取值不同的,另外,还要根据轮胎类型不同、按帘线承受压产生的应力大小以及轮胎使用条件不同,来选择安全系数K值。经实际使用结果证明,如采用美国公式计算,对载重子午胎K值一般要求6倍以上,对轿车子午胎K值一般为10倍以上。如果采用联计算公式,载重子午胎的研试结果表明,带束层的强力安全系数应为12~20倍。子午线轮胎胎体帘线应力计算子午线轮胎胎体帘线呈径向排列,因此帘线承受由压引起的应力比斜交胎要小一些,这是为什么子午线轮胎能减小胎体层数的主要原因.这也可以从计算公式来说明。§1帘线应力的计算公式子午胎胎体帘线应力计算公式与斜交胎的计算原理相同,来源于薄膜—网络理论,在斜交胎帘线应力计算公式基础上将帘线角度改为90°。任意一点胎体帘线应力〔15胎冠点最大帘线应力〔16式中任意一点胎体帘线应力kg；胎冠点最大帘线应力kg;P充气压力kg/cm；胎冠点半径cm；断面最宽点半径cm;r任意一点半径cm；胎冠点帘线密度根/cm；§2安全系数K的取值胎体中帘布的层数或轮胎的层级是取决于轮胎的规格、轮胎的类型、气压、帘线的强度和所采用的安全系数K。子午线轮胎的安全系数比斜交胎的可略低些。下面列举各种类型轮胎的安全系数取值。载重胎安全系数良好路面10~12不良路面14~18长途汽车胎16~18矿石、森林采伐胎18~20轿车胎完善路面10~12不良路面12~14高级汽车胎12~14第七章子午线轮胎胎圈结构设计与钢丝圈应力计算子午胎胎体帘线呈径向排列,帘布层数少,胎侧柔软,胎圈刚性不足,受力较大,因此,胎圈部位必须加强,同时又要使增强的胎圈与柔软的胎侧之间有一个适宜的刚性过渡,以防胎圈脱层、断裂和发生其他类型损坏,并改善轮胎行驶性能。§1胎圈结构子午线轮胎的胎圈结构比斜交胎的部件要多得多。为了保证胎圈的刚性,除应采用大而硬的三角胶芯外,还需有刚性较高的加强层,有的是在胎圈外侧,或外侧增加强层,一般用钢丝帘布、尼龙等纤维帘布,同时需用不同形状的填充胶来使刚性的胎圈逐步过渡到柔软的胎侧,为防止胎圈磨损,一般在与轮辋接触的胎圈部位增巾一层耐磨性好的子口护胶,也可采用既耐磨又气密性好的无纺布。子午胎胎圈结构组成见图30。由于子午胎类型品种较多,其胎圈结构形式众多,以下介绍几种结构：钢丝加强层胎圈结构这种结构常用于钢丝胎体载重子午胎,由于结构简单,工艺操作方便,已被广泛采用。钢丝中强层一般为一层,也有二层的,帖合位置在胎圈外侧,也有帖在外两侧的结构。外侧单层钢丝加强层胎圈结构〔见图31a,它的优点是：布层少,差级少,产生端点脱层裂口的可能性小；与胎侧的刚性过渡容易配合。钢丝加强层高度一般比轮辋轮缘高10图31b表示单层钢丝中强层帖在外两侧的胎圈结构,可提高胎圈刚性,胎圈部位的材料布置比较均匀对称,适用于一次法成型工艺。为了提高钢丝载重子午胎胎圈刚性,防止胎圈损坏,又提出了对胎圈结构进一步改进的方案〔见图31c钢丝/尼龙加强层胎圈结构为了避免下胎侧与胎侧中间区之间刚性过渡不发生突然变化,同时不使钢丝加强层的上端进入较高的下胎侧区产生脱层,可采用钢丝/尼龙加强层胎圈结构如图32所示。让钢丝加强层的上端低于胎体帘布层的反包高度,而两尼龙加强层延伸至下胎侧,使刚性高的胎圈图32钢丝/尼龙加强层胎圈结构与柔软的胎侧逐步平稳地过渡。<3>纤维载重子午胎胎圈结构图33表示由多层帘布层组成的纤维子午胎胎圈,附有小胎圈式的钢丝加强层4,来提高胎圈刚性.为了防止胎体帘布层与钢丝加强层之间产生空隙,增设一层附加胶体2.另外还设有胎圈外包布,提高胎圈的耐磨性,防止发生子口损伤.<4>无胎钢丝载重子午胎胎圈结构图34表示了无胎钢丝载重子午胎胎圈结构.三角胶由两种硬度的胶组成.接近钢丝圈部位为硬胶芯<邵氏85-95º>,以增强轮胎在使用中的抗侧向力性能.软胶芯<邵氏55-65º>的起始位置与硬胶芯相同,也在钢丝圈附近的上方,但上端延伸超过硬胶芯,软胶芯的作用是将帘布层和硬胶芯隔开.从而大大减少胎圈部脱层的现象.钢丝加强层5的上端应比轮辋凸缘高度约高也35mm,硬胶片6的上端比加强层5的高度约高15mm。三角胶硬胶上端超过加强层5的高度约图33纤维载重子午胎胎圈断面图3411R22.5无胎钢丝载重胎胎圈断面＜５＞轿车子午胎胎圈结构现有轿车子午胎胎体一般为１－２层纤维帘布组成,钢丝圈被帘布层末端向外反住,胎圈结构简单部件少．三角胶为一个硬胶芯,设有包布将钢丝圈缠住,以防轮胎在硫化过程中产生钢丝圈变形．胎圈还设有外包布〔无纺布或用子口护胶〔见图３５所示．§２钢丝圈断面形状由于子午线轮胎的胎圈应力大于普通斜交胎的,所以需要增加钢丝根数或加粗钢丝直径,以及用单根缠绕改变钢丝圈断面形状来保证胎圈的强度．常见的钢丝圈断面形状有圆形、六角形、Ｕ形和方形等。圆形断面钢丝圈圆形断面强度高、排列紧密,可使胎圈设计宽度减小,从而使胎圈与胎侧的过渡平稳,同时方便于成型过程钢丝圈的转动。钢丝排列见图３６a,中间芯钢丝直径粗为Φ２～３mm,外面缠绕钢丝直径可取Φ１六角形断面一目前为子午线轮胎胎圈结构中广泛使用,其优点是强度高,工艺制造方便,生产率高,特别是对无胎轮胎可保证胎圈底部接触面与轮辋曲线良好的配合。六角形排列可分为正六角形和调节六角形,无胎的六角形钢丝规格直径为Φ1.3～1.6mm。Ｕ形断面这是介于圆形与方形之间,钢丝圈下半部为圆形,方便于钢丝圈在成型过程中的转动,Ｕ形钢丝圈生产制造工艺简单,已颇为广泛采用,断面形状见图３６d。§３钢丝圈应力计算子午线轮胎胎体帘线呈径向排列,受气压作用时胎体帘线对钢丝圈的拉力较大,因此子午线轮胎的胎圈应力要比普通斜交胎的大。计算一个胎圈的总应力公式与斜交胎相同,其总应力Ｔb等于钢丝圈在压作用下所产生的应力Ｔ０加上对轮辋箍紧力ＴＨ之和〔１７对子午线轮胎斜交胎〔１８式中Ｐ０压Ｋｇ／cm２；ｒｋ胎冠点半径〔或用胎侧平衡轮廓半径ｒ２cm；ｒｍ断面最宽点半径cm如胎圈与轮辋为过盈配合,则需计算钢丝圈对轮辋的箍紧力ＴＨ〔１９式中Ｅ１钢丝圈底部材料的平均压缩模量；〔一般为３００～５００Ｋｇ／cm２ｂ胎圈中钢丝圈的宽度cm；ｒｃ钢丝圈平均半径cm；钢丝圈底部材料厚度cm；胎圈对斜底轮辋过盈量计算公式式中ｄｒ＝轮辋标定直径cm；ｄ轮胎着合直径cm；胎圈底部倾斜角º；轮辋底部倾斜角º；ａ轮辋边缘到胎圈中心的距离cm；钢丝圈总应力按彼德尔曼公式计算：〔２１式中Ｅ钢丝圈弹性模量〔２１０６ｋｇ／cm２；Ｆ钢丝圈中钢丝断面面积的总和当Ｅ１值与１相比甚小时,允许近似计算,将公式〔２１简化为下列公式〔２２钢丝圈安全系数ｋ按上述这些公式进行计算,可取Ｋ＝２．５～４．０．如果在山路或急转弯的公路上以高载、高速情况下使用,则其安全系数必须增加,子午胎钢丝圈安全系数采用与普通斜交胎相同,由于子午胎在滚动时所产生的附加应力很小,可以适当降低安全系数,但要按实际经验来定。子午线轮胎胎面花纹设计要求由于子午线轮胎胎体帘线呈径向排列,而其带束层帘线接近周向排列,具有较大的周向刚性,因此花纹设计不宜采用单纯的纵向花纹,而因在花纹块上增设一些横向或接近于横向的沟槽,使其适当地降低周向刚性。另外子午线轮胎在行驶过程中容易出现花纹偏磨和磨肩现象,为此对子午胎的花纹设计应采取相应的措施。1．冠花纹设计当子午线轮胎设计纵向曲折花纹时,不能采用与斜交胎相同的大弯度曲折花纹,因在弯曲处会发生偏磨灭现象,因此对子午线轮胎的曲折花纹应尽量设计得曲折弯小一些,并在花纹块接地压力较大的部位增设一些细沟,使降低和分散接地压力,有得于减少偏磨现象。另外在纵向花纹块上应添设横向或接近于横向的浅沟槽,使整条曲折花纹分割断开,可减小子午胎胎面花纹块的周向刚性,提高轮胎行驶性能。图37所示载重子午胎花纹。图38表示轿车子午胎花纹。图37载重子午胎常见花纹图38轿车子午胎常见花纹2．胎肩花纹设计子午线轮胎胎冠中部有多层带束层,刚性较大,但胎肩刚性较小,轮胎受侧向力,胎肩膀花纹块易产生移动,因此采用增大肩部花纹块,提高肩部对地面的支撑性能,减少花纹块移动,防止肩磨和偏磨。另外胎肩与胎侧的连接采用反弧过渡,不能按斜交胎设计采用挖沟槽方法来解决胎肩散热。对侧肩花纹沟设计深度要浅。如载重钢丝子午胎仅有一层胎体,在侧肩膀花纹沟底容易产生帘线弯曲或沟底帘线拉稀〔见图39。3．花纹沟槽分布子午胎花纹沟槽的位置要注意避开带束层端点,如果两者重合在一起,带束层在断面轮廓上引起翘曲不平。此外花纹沟深度从胎冠中心到胎肩部位可取同样深度,若肩部花纹加深同样会引起带束层端部的翘曲。表6子午胎施工标准表格式规格子午线外胎施工标准编号花纹设计日期成型方法生产日期胎体帘布±0.5°层次胶号帘布号厚度宽度长度差级胶层胶号厚度宽度位置油皮胶中间胶带束层±0.5°胎侧胶胶号长度重量Kg包布±0.5°子口护布胎圈加强层±0.5°胶号长度重量Kg胶芯下部填充胶上部钢丝圈构造钢丝号数钢丝圈直径胶号长度重量Kg每层根数钢丝层数带束层下垫胶搭头长度胎面胶胶号成型长度±15成型重量±0。4K切头坡度±5°胎面样板号胶号长度重量Kg成型机头型别直径宽度胎圈构造略图一段二段备注子午线轮胎施工设计§1.成型方法与成型鼓类型的选择由于子午线轮胎冠部的带束层是主要受力部件,它采用多层结构和帘线角接近为周向排列,因此要求将胎体定型好后再贴带束层和胎面胶,成型后胎坯尺寸几乎接近于成品。这样就造成了成型方法的多样化和复杂化,归纳起来大体可分为三种类型：一次成型法此法是在一台设备上完成帘布层贴合、扣胎圈、正反包、上带束层和胎面胶等成型工序。二次成型法此法的成型步骤分别在两台设备上完成：在第一段成型机上进行贴帘布层、扣胎圈、正反包、贴子口胶和胎侧胶等操作,然后将胎坯卸下；送到第二段成型机上先装好胎坯并定位,再进行带束层和胎面胶贴合操作工序。成型机组法此法是由多台装置组成,采用合理的方式将成型鼓循环传递到各工位上,各自完成操作规定的成型步骤。目前对子午线轮胎成型法,特别是一次法和二次法的选择,世界各国都还未有统一的认识。一般认为一次法成型精度,工艺技术要求高〔帘布筒直径至胎里直径的膨胀比大,对帘线压延和接头工艺要求严,自动化水平高,但生产效率并不高。二次法成型相对地说精度略低些,因要上、下装卸胎坯会引起半成品部件中心线的偏离或分布不均等问题,另外胎圈反包易起皱折而影响胎圈子口质量。对工艺技术要求可稍低些,即帘布筒直径至胎里直径的膨胀比小,对帘线的压延和接头工艺要求容易掌握。设备价格低,生产效率高,节约投入资金。如何选择成型方法,根据目前子午线轮胎发展的趋势。一般认为对胎体为1—2层帘布,断面低即H/