第四章 子午线轮胎结构设计

轮胎结构设计子午线轮胎设计与制造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子午线轮胎 (Radial Tire)从所采用的从所采用的 骨架骨架材料材料 来分类，可分为来分类，可分为 全钢丝子午线轮胎、半全钢丝子午线轮胎、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，详细构造分卡胎则多采用半钢丝或全纤维，详细构造分别介绍如下。别介绍如下。 载重子午线结构轮胎载重子午线结构轮胎 的结构的结构胎体胎体 :多数采用单层钢丝帘布构成（或人造多数采用单层钢丝帘布构成（或人造丝、尼龙、芳纶等）丝、尼龙、芳纶等）带束层带束层 :3-4层钢丝帘布组成层钢丝帘布组成胎肩垫胶胎肩垫胶 :胎体与带束层之间有中间胎体与带束层之间有中间胎圈部分胎圈部分 :由钢丝圈、上下三角胶芯、钢丝由钢丝圈、上下三角胶芯、钢丝 包布加强层和子口护胶等部件构成。包布加强层和子口护胶等部件构成。胎面胶胎面胶 :胎面上层胶、下层胶胎面上层胶、下层胶胎侧胶胎侧胶 :见图见图 4-1。 轿车子午线轮胎结构轿车子午线轮胎结构轿车子午线轮胎一般由轿车子午线轮胎一般由 胎面胶、胎面下层胶、胎侧胶、胎体胎面胶、胎面下层胶、胎侧胶、胎体（ 1-2层纤维帘布组成）层纤维帘布组成） 、带束层、带束层 （二层钢丝帘布层）（二层钢丝帘布层） 、冠带、冠带 （按技术设计有时加一至二层尼龙帘布层，以提高轿车胎的高速按技术设计有时加一至二层尼龙帘布层，以提高轿车胎的高速性能）性能） 、胎圈、胎圈 （由钢丝圈、复合硬胶芯和子口护胶）、（由钢丝圈、复合硬胶芯和子口护胶）、 内衬层内衬层等构成。胎圈结构见图等构成。胎圈结构见图 4-2所示。所示。二、子午线轮胎与斜交轮胎结构特征比较。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与胎胎冠中心线夹角为 90度）。胎冠有度）。胎冠有 大角度基大角度基本不伸张的刚性带束层本不伸张的刚性带束层 箍紧，这种结构使：箍紧，这种结构使： 带束层承受带束层承受 由内压引起的初始应力的由内压引起的初始应力的 60 75%； 胎体帘线强力得到了充分的利用，胎体帘线强力得到了充分的利用， 层数减少，层数减少， 一一般般 比斜交胎少比斜交胎少 40 50%， 胎体层数可为偶数，也可胎体层数可为偶数，也可为奇数为奇数 。 胎圈所受应力比斜交胎大胎圈所受应力比斜交胎大 30 40%，钢丝圈中的，钢丝圈中的钢丝根数比斜交胎多钢丝根数比斜交胎多 。 由于胎体层数少、胎侧柔软、容易变形和刺伤，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。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、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子午线轮胎和斜交轮胎的帘线排列如图 4-3所示。所示。子午线轮胎与斜交轮胎帘线排列第二节第二节 子午线轮胎结构设计子午线轮胎结构设计 一、一、 子午线轮胎结构设计程序子午线轮胎结构设计程序 二、二、 技术要求的确定技术要求的确定 三、三、 轮廓设计主要结构参数的选取轮廓设计主要结构参数的选取 四、四、 断面轮廓曲线的设计断面轮廓曲线的设计 五、五、 子午线轮胎带束层的设计与计算子午线轮胎带束层的设计与计算 六、六、 子午线轮胎胎体帘线的应力计算子午线轮胎胎体帘线的应力计算子午线轮胎由于其结构上的特点，应与斜交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。轮胎的设计方法有所不同。设计原理设计原理 ： 至今仍是普遍采用至今仍是普遍采用 薄膜理论薄膜理论 。由于。由于电于计算机软件技术的开发，使电于计算机软件技术的开发，使 轮胎各部位受力均轮胎各部位受力均匀的匀的 自然平衡轮廓自然平衡轮廓 设计方法，逐步演变为各部位应设计方法，逐步演变为各部位应力合理分布的力合理分布的 非平衡轮廓非平衡轮廓 设计方法设计方法 ，特别是，特别是 有限元有限元分析法分析法 的引用，有可能的引用，有可能 真实地模拟轮胎在实际使用真实地模拟轮胎在实际使用状态下的断面轮廓形状状态下的断面轮廓形状 ，并分析其应力，并分析其应力 应变的分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。轮廓形状。自自 80年代起呈现出许多新的轮胎设计方法，如：年代起呈现出许多新的轮胎设计方法，如：普利斯通公司的普利斯通公司的 RCOT (最佳滚动轮廓最佳滚动轮廓 )理论，适用于轿车子理论，适用于轿车子午线轮胎的设计；午线轮胎的设计； TCOT(最佳张力控制最佳张力控制 )理论，适用于载重子理论，适用于载重子午线轮胎的设计；午线轮胎的设计； 日本横滨公司的日本横滨公司的 STEM(应变能量最小化应变能量最小化 )理论。理论。日本东洋公司的日本东洋公司的 DSOC(动态模拟最佳化轮胎形状动态模拟最佳化轮胎形状 )理论，适用理论，适用于载重子午线轮胎的设计；于载重子午线轮胎的设计；前苏联的前苏联的 CSSOT(应力应变周期优化应力应变周期优化 ) 理论，它除考虑轮胎理论，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几何形状外，还研究了材料分布对周期性应力应变的影响。子午线轮胎结构设计与斜交轮胎一样子午线轮胎结构设计与斜交轮胎一样分分 两阶段两阶段 进行。进行。第一阶段为技术设计第一阶段为技术设计 ：主要任务是：主要任务是： 收集为设计提供依据的技术资料 收集为设计提供依据的技术资料 确定轮胎的技术性能要求 确定轮胎的技术性能要求 设计外胎内外轮廓曲线 设计外胎内外轮廓曲线 设计外胎面花纹 设计外胎面花纹 设计绘制外胎花纹总图 设计绘制外胎花纹总图 一、子午线轮胎结构设计程序一、子午线轮胎结构设计程序第二阶段为第二阶段为 施工设计施工设计 ：主要任务是：主要任务是： 确定外胎成型方法 确定外胎成型方法 确定成型鼓直径及机头宽度 确定成型鼓直径及机头宽度 绘制材料分布图 绘制材料分布图 制定施工标准表 制定施工标准表最后提出最后提出 结构设计文件（包括技术设计和施结构设计文件（包括技术设计和施工设计说明书）。工设计说明书）。虽然子午胎的设计与斜交轮胎相同，但在各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与斜交轮胎差别很大，需用专门的成型机才能完成。1子午线轮胎设计前的准备子午线轮胎设计前的准备（ 1）搜集技术资料作为设计依据）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术资料。例如：车辆类型及技术资料 车速及路面条车速及路面条件，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）确定技术性能轮胎类型、规格、层级、帘布层数及胎面花轮胎类型、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。轮廓曲线；充气外胎外缘尺寸等。二、技术要求的确定二、技术要求的确定（ 3）确定骨架材料）确定骨架材料子午线轮胎按其采用的骨架材料来分，子午线轮胎按其采用的骨架材料来分，有有 全纤维子午线轮胎，半钢丝子午线轮胎全纤维子午线轮胎，半钢丝子午线轮胎 (即即胎体为纤维帘线，带束层为钢丝帘线胎体为纤维帘线，带束层为钢丝帘线 )和全钢和全钢丝子午线轮胎三种丝子午线轮胎三种 ，根据用途、规格、类型，根据用途、规格、类型不同，考虑选择。不同，考虑选择。人造丝尼龙或聚酯帘线人造丝尼龙或聚酯帘线 纤维胎体子午线纤维胎体子午线轮胎轮胎 .芳纶帘线芳纶帘线 是一种新型骨架材料，是子午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。线轮胎理想的胎体材料，很有发展前途。钢丝帘线钢丝帘线 主要用于子午线轮胎的主要用于子午线轮胎的 胎体胎体及带束层及带束层 ，其主要特点是耐热性极好，强度，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高，同时伸长率极小，对保持轮胎尺寸稳定性极为有利。性极为有利。例如例如 :全纤维子午线轮胎主要为轻型轿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，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，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。可用全钢丝，亦可用半钢丝。2轮胎负荷能力计算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法，一般根据美国轮胎协会 TRA年鉴介绍的公式进年鉴介绍的公式进行计算。该公式是在行计算。该公式是在 轮辋宽度轮辋宽度 W1与充气断面宽与充气断面宽 S1的的比值等于比值等于 62.5%的标准条件下经试验得出的经验公式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。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，的换算公式与之配套使用。近年来， 轮胎向低断面轮胎向低断面发展，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。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仅以轻型载重汽车轮胎和轿车轮胎为例做一简单介绍。绍。 轻型载重汽车轮胎负荷计算公式为 :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； SW 1/S1为 62.5% 的理想轮辋上的轮胎充 气断面宽， cm； W 1 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； 轿车轮胎负荷能力计算公式为 ： 式中 W 负荷能力， KN K 负荷系数 (78系列， 82系列套用 K=1.745,70 系列 K=1.655); P 内压， kPa DR 轮辋名义直径， cm W1 设计轮辋宽度， cm; S1 在设计轮辋上的轮胎断面宽度， cm H 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:先计算 计 算 d d=0.9617.85 17.2= 0.064(cm) 计 算 S计算 Sd Sd=17.13-0.637(-0.064)=17.17(cm) 计算 W=0.889.485=8.437KN KN 1、模型外直径、模型外直径 D和断面宽和断面宽 B的确定的确定 到目前为止，到目前为止， 还没有科学的方法来确定轮胎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，硫化模型尺寸与充气压后轮胎尺寸之间的关系， 因因此子午胎的设计也只能根据经验考虑此子午胎的设计也只能根据经验考虑 不同的胎体帘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。宽和外直径的膨胀比。 下表列出载重和轻卡子午线