子午线轮胎结构设计(1).ppt

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(Radial Tire)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。,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。,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层纤维帘布组成）、带束层（二层钢丝帘布层）、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。,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8090%。 （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： 带束层承受由内压引起的初始应力的6075%；,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4050%，胎体层数可为偶数，也可为奇数。 胎圈所受应力比斜交胎大3040%，钢丝圈中的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，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。,子午线轮胎与斜交轮胎帘线排列,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,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。 设计原理：至今仍是普遍采用薄膜理论。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。,自80年代起呈现出许多新的轮胎设计方法，如： 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。,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： 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 设计外胎内外轮廓曲线 设计外胎面花纹 设计绘制外胎花纹总图,一、子午线轮胎结构设计程序,第二阶段为施工设计：主要任务是： 确定外胎成型方法 确定成型鼓直径及机头宽度 绘制材料分布图 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。,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,（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。,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。,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。,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； SW1/S1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；,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，S118.5cm,计算公式为:,先计算,计算d,d=0.9617.8517.2=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,有关轿车子午线轮胎的B /B值，应随其系列HB扁平比的不同而变化。以人造丝胎体而言，B/B取值约为1.0051.03，一般来讲，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,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12mm)。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。,轿车子午线轮胎，高宽比为0.70.8时(人造丝胎体钢丝带束层结构)充气后外径一般膨胀02mm,断面宽膨胀02%。根据经验，子午线轮胎D/D值大约在1.0001.003之间，B/B值为1.001.02左右。 几种轿车子午线轮胎断面膨胀率如表4-1所示。,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：,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0.830.95间，而子午线轮胎通常在1.01.12左右，轿车轮胎约在1.001.20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。,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1.01.2，载重子午线胎最高可达1.4。,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(HFH)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。,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(n)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。,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。,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0.020.04，b与B之比为0.70.85。 n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0.941.05较为适宜，而n/b之值，轿车子午线轮胎为2.12.5、载重子午线轮胎为1.31.8。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。,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。,一般子午线轮胎h/H为0.020.04，相应b/B取值为0.700.85。轿车子午线轮胎向增大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6570%，以改善胎肩部应变状况和减小滚动损失。,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1525mm，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0.70.8，载重子午线轮胎为0.70.75。,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HB之比大体上成为定值。据介绍载重子午线轮胎HB为0.961.05，轿车子午线轮胎为0.800.85。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，HB比值的选取可由其系列分类而定。,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： 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； 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,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,斜交轮胎,式中 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）,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()。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）,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(1)，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)。,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。,典型点位置的确定,求出典型点至旋转铀的半径： rk=R-m rm=(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/2,3、求出断面上典型点的曲率半径 胎冠点曲率半径(2)： 21m 断面最宽点胎侧曲率半径（3） ： 3（rk2-rm2）/2rm 胎肩曲率半径（4）： 4（rk2-rm2）/2rk 下胎侧k点曲率半径(5)： 5（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。,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)。然后以5为半径，通过E点向下胎侧的弧线作外公切圆，这样就可给得胎圈部位的轮廓曲线(见图所示)。,5、平衡轮廓曲线与断面外轮廓的绘制 根据上述步骤，将已知参数和计算参数制表(见下表)。,通过计算得出各部位的曲率半径，即可进行平衡轮廓曲线的绘制。先将已知的轮胎外缘尺寸绘成轮胎断面框图，然后按计算的或选取的1在断面中心线上画出轮胎行驶面弧，接着用1减去帘市层中线厚度m的2画出胎冠点曲率弧，再用计算的4曲率半径作内切圆，找出连接弧的圆心O4，将胎冠与胎侧两个弧线连接起来，再在选好的k点位置上用5曲率找出连接弧圆心O5绘出下胎侧弧。胎圈部位的轮廓曲线，先按确定好的S与q值找出E点位置，然后借用5作出从E点至下胎侧曲线弧的外公切圆，最后绘制成以中线为基准的平衡曲线，见图。 在平衡轮廓中线基础上配制各部位的厚度t1、t2、t3和曲率半径7、8以及胎圈宽度j等参数，即可给出轮胎断面的外轮廓。,平衡轮廓曲线,轮胎断面轮廓绘制,带束层是子午线轮胎的主要受力部件，在很大程度上决定着胎体的变形，并承受着约为6075的应力。带束层的刚性对子午线轮胎使用性能影响很大，因此，对它的设计与计算是子午线轮胎结构设计的核心问题。,五、子午线轮胎带束层的设计与计算,五、子午线轮胎带束层的设计与计算,1、骨架层的选取 2、带束层结构设计 3、带束层的箍紧系数 4、带束层的刚性 5、带束层帘线应力与安全系数计算,带束骨架层为子午线轮胎的主要受力部件，需具有一定的强度和刚度，带束层的刚性决定于帘线的种类、角度，密度，通常采用钢丝帘线，而且帘线粗度较大，一般单丝粗度不低于0.2mm, 在0.20.38mm范围内，视轮胎规格和性能而定。,1、骨架层的选取,例如9.00R20轮胎的钢丝帘线为3+90.22结构，帘线强度为1127N/根，而10.00R20轮胎选用3+9+150.22钢丝帘线，帘线强度为2471N/根，轿车子午线轮胎带束层钢丝帘线结构多为14或15，单丝直径为0.210.25mm，帘线直径0.50.8mm，帘线强度为294588N。,由此可见钢丝帘线规格不同，带束层强度亦不同，但无论采用何种结构帘线，国际上所用的钢丝帘线粗度都不低于0.22mm。 为提高带束层刚度，一般载重胎采用以下结构的钢丝帘线作带束层：30.20+60.35；30.20+60.38；390.22；3+9+150.22；7 40.22,高速轿车子午胎除钢丝帘线之外；还采用12层尼龙帘线，以增加带束与胎面胶的附着力和箍紧力。 轿车胎常用的钢丝帘线规格有： 140.23 150.23 2+70.20+10.15 140.25 150.25 2+70.23+10.1 140.28 2+20.28 2+20.25,带束层结构主要是指它的帘线层数，帘线角度、密度和排列方式，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，而其刚性直接影响子午线轮胎的使用性能，如耐磨性能、操纵稳定性、安全性和节油等。 带束层的结构设计形式很多，视轮胎类别和使用条件不同及所用的材料特性等而有差别，下面分载重子午线轮胎与轿车子午线轮胎的带束层设计介绍如下。,2、带束层结构设计,(1)、载重子午轮胎带束层设计 带束层的层数、角度、密度。 载重子午线轮胎的带束层一般由34层钢丝帘线所组成采用的结构形式常见的为层叠式，是根据轮胎规格和使用条件而定的，如大规格轮胎或路面差、使用条件苛刻，则应选用4层，反之，则以3层为宜。,载重子午线轮胎带束层的结构形式,A、四层结构 第1层为过渡层，帘线角度为5565。是最靠近胎体帘线层的，主要起着使由子午向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，可减小层间的剪切力，避免带束层与胎体帘布层之间的脱层； 第2、3层是带束层中主要承受应力者，称工作层，帘线角度为1523。起着束缚胎体向外膨胀的作用，其刚性可直接影响轮胎的耐磨性、操纵性和节油等使用性能；,第4层称保护层，一般采用高伸长帘线，角度与工作层相仿，是起着保护工作层的作用，也起着防止胎面与带束层之间产生脱空现象，提高轮胎的使用寿命和翻新率。,B、三层结构 国外载重子午线轮胎多数采用3层结构的带束层，仅把A的第4层取消(见图)，它具有减轻轮胎质量和简化生产工艺等优点。 C、下三层半结构 将第1层过渡层分为两个边部，中间部分被断开(见图)。这是法国米西林公司的子午线轮胎常用的带束层结构，优点是能降低胎冠中央部位的刚性，使轮胎接地印痕面积中的单位压力分布得较为均匀，从而提高胎面磨耗的均匀性。,D、上三层半结构 将第4层改为分布在两肩部窄条高伸长钢丝帘线，角度呈0。排列(见图)。这种结构能提高轮胎肩部的刚性，可防止带束层端部产生变形，保证在高速行驶时具有稳定的尺寸，大大降低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内胎载重子午绥轮胎的带束层结构，据称，与一般束层子午线轮胎相比，节油5，行驶里程提高20。且高速性能好，翻新率高。,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。据报道带束层角度大于20，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复杂化，而且对轮胎的使用性能不利，容易产生带束层脱层的危险。对子午线轮胎耐磨性来说，带束层帘线的最宜角度为1520。但在很大程度上取决于帘线的模量和胶料的粘附强度，且与轮胎规格有关。,带束层帘线密度要根据帘线的直径及所受应力而定。一般而言，第1层密度可稀一些，主要是便与胎体具有良好的粘附强度，可选用45根/cm；第2、3层密度为56根/cm，主要是确保轮胎的受力强度(安全倍数)和带束层间的粘合强度，所用胶料的含胶率为5060；第4层密度不宜太大，约为34根cm，因为须与胎面胶具有良好的粘合性。,带束层的宽度和长度 宽度：载重子午线轮胎的带束层宽度一般与胎面宽度相等。因太窄会降低胎面的刚性和稳定性，还会产生磨肩现象，过宽又会造成带束层脱层。据报导，带束层宽度(Bw)与行驶面宽度(b)之比为1.05以下，对保持轮胎的耐久性有利；但从防止胎肩异常磨损来看，Bw/b在0.9以上为宜。因此，综合兼顾上述两种性能，取值范围为0.941.05。每层依次与下一层的差级为1015mm，最上面的保护层宽度为最宽带束层的50以上。如果过渡层为两个断开的窄层，其宽度约为最宽层的30。,长度：带束层长度(带束层直径)对箍紧系数有直接的影响，由于它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底深之间隙来取值。一般情况下，带束层的膨胀率在3以下为好，1为最理想。现举三种硫化模型的带束层膨胀率取值：两半模型3.55； I型活络模23；型或Pielli型活络模11.5。,带束层的排列形式 带束层的排列形式对子午线轮胎的磨耗、行驶性能和其本身脱层等都有很大影响。带束层的排列形式多样，如梯形、等宽叠层式、交叉排列式、折叠式、包边式等；带束层的排列方向，如以四层结构为例有：左右左右()、右 左右左()、右右左左()、左左右右()、右右左右()、及左左右左()等，都对轮胎的操纵稳定性有直接的影响。,、带束层钢丝帘线结构。 钢丝帘线规格一般选择直径在0.220.38mm。 常用的帘线结构有： 过渡层：390.221 0.15； 工作层：30.2060.38， 39150.2210.1， 740.2210.153； 保护层(高伸长钢丝)：440.221HE， 370.22HE， 340.22HE。,带束层用胶料 (1)中间胶 放在胎体与第一带束层之间，也有放在胎面与上带束层之间的。中间胶能提高粘附性能，增加带束层的刚性，减少层间剪切力。 (2)肩垫胶 具有低定伸、高耐疲劳而柔软的肩垫胶，是置于带束层末端之下，将胎体帘布层与带束墙头隔开，使胎肩与胎侧的连接弧度较为平坦，转移或吸收胎肩部的应力，防止连接区的早期损坏。,(3)层间垫胶 由于载重于午线轮胎带束层层数较多，端部受力和变形均较大，尤其是在工作层(23层)，因此在工作层之间放置垫胶。垫胶要求硬度高、模量高、变形小。 (4)封口胶 由于带束层钢丝端头是没有镀层的，且末固定。因此，端头应加贴粘合性能好、高耐疲劳、强力高的封口胶。从一定意义上讲，封口胶决定着子午线轮胎成败的关键。,(2)轿车子午线轮胎带束层设计 带束层材料 作为轿车子午线轮胎带束层材料是比较多的，有人造丝、玻璃纤维、芳纶(B纤维)、钢丝等，其中以用钢丝居多，芳纶则很有发展前途，因轻量化对轮胎是一项很重要的指标。现推广使用的钢丝帘线结构有： 40.25，50.25，270.220.15，220.25/0.28等；发展的结构有220.25/0.28，20.30HE，30.30HE，270.22等。,带束层的层数、角度、密度 纤维带束层：一般为46层，角度为1318。层间交叉 排列； 钢丝带束层：一般为2层，角度为1522。 帘线角度还与轮胎速度级别有关：S级轮胎为24，H级为22，V级为20。 纤维带束层密度一般为814根/cm(据帘线的强度与直径而定)，钢丝带束层密度一般为58根cm(亦据帘线的强度与直径而定)。帘线密度的选取应考虑其与胶料的粘合性能。,带束层的排列形式 A、普通叠层式： 以两层钢丝带束层交叉排列的端部保持一定的差级。优点是操作简便；散热性好，也很耐用。 B、钢丝纤维混合式： 为了提高轮胎行驶稳定性，对高速轿车胎采用两层钢丝带束层上再加12层尼龙帘布(称冠带层)，排列角度与胎冠中心线呈0。尼龙层宽度稍大于或等于钢丝层。优点是能防止驻波的产生和脱层的危险，是目前高速轿车胎较常用的形式。,C、折叠式： 是多层纤维带束层常用的(见下图a)，可增强端边刚性，从而提高胎面磨耗均匀性与高速行驶稳定性，也可防止端部脱层。两层钢丝带束层，一般下层向上折叠包住上层(见图b)，反包部分宽度约为胎面宽的14。,折叠式带束层的排列形式,折叠式反包带束层,D、包边式带束层： 帘线角度上层28，下层为32，U型包边帘线角度为17 。这是米西林公司为克服折叠式易弯曲断裂而新设计的(见图)。,子午线轮胎若无带束层，其断面轮廓直径最大，宽度最小(见图)。因受带束层的箍紧作用，使断面轮廓形状变化较大，因此假设有一箍紧系数(k)对断面形状施加影响： k(H0-H)/H 式中 H0无带束层的充气轮胎断面高 H有带束层的充气轮胎断面高,a b c d 带束层对胎体断面轮廓形式的影响,3、带束层的箍紧系数,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,箍紧系数对胎体、带束层帘线应力和轮胎刚性的影响 T胎体帘线应力；T0带束层周向应力；T1带束层帘线应力；径向刚性,在相同条件下，增大子午线轮胎的k值，可导致胎体帘线张力减小，带束层帘线张力增大，带束层承受的周向力增大及径向刚性减小。可见k值变化必然会影响轮胎的性能，故k值选取要恰当，一般而言，轿车胎为0.110.16；载重轮胎为0.070.08。这是因为轿车胎充气压较低，为了行驶安全，故k值宜大；裁重胎k值小，有利于应力的合理分布。活胎面的子午胎，k值宜大些。,5、带束层帘线应力与安全系数计算,计算公式。,式中 Tb带束层内压总应力，N； P轮胎内压，KPa； Rk胎里半径，cm； R0零点半径，cm。 F充气轮胎内轮廓截面积，cm2,F可按右图断面内轮廓图直接用求积仅或按下列公式求得,F=2(RmB+Faac) 式中 B内轮廓断面宽； Faac由图中表示。 载重子午线轮胎可用下式近似计算F: F/2= B(0.8Rk0.2Rm),带束层每根钢丝应力计算公式为：,式中 : Nb带束层单根钢丝所受应力，N； bb带束层平均宽度，cm； nb带束层层数； ib带束层帘线密度，根/cm； b 带束层角度，度。,式中 St 带束层单根帘线扯断强力，N根 Nb单根帘线所受强度，N/根 K值的确定根据采用计算公式而定，如用美国公式，载重轮胎一般要求6倍以上，轿车轮胎则要10倍以上；如采用苏联公式，载重轮胎为1520倍。,安全系数(及)计算：,应用举例 以9.00R20轮胎为例，已知轮胎内压P686.5kPa,胎里半径Rk48cm，零点半径R038.3cm,F实测为2212.95cm。 则带束层内压总应力为,带束层基本层平均宽度bb为14.8cm,nb为二层，基本层帘线角度为70，基本层密度65根/cm。 则带束层每根钢丝应力为:,又知使用的钢丝强力为1765.2N，则安全倍数为:,六、子午线轮胎胎体帘线的应力计算,子午线轮胎的胎体帘线呈90(径向)排列，故其承受由内压引起的应力比斜交胎小一些，这是子午线轮胎胎体帘布层数减少的主要原因，可用计算来说明。,子午线轮胎用纤维胎体、钢丝带束层结构，这是一种比较理想的结构，它有许多优点。见表所示。 子午线轮胎用纤维胎体钢丝带束层结构性能,六、子午线轮胎胎体帘线的应力计算,1、胎体骨架材料的选取 2、帘线应力的计算 3、安全系数的取值,1、胎体骨架材料的选取 胎体骨架材料的作用：增加轮胎的强度；提高轮胎的刚性；承担负荷、限制轮胎的变形。用于子午线轿车胎胎体的骨架材料很多，有人造丝、聚酯、和尼龙。 因此轮胎的性能和质量，在很大程度上为骨架材料所制约、是提高质量的重要保证之一。,骨架材料的发展演变 1、棉帘线的产生 1892年Dunlop提出应用无纬线的织物试制轮胎的设想，随后，Welch根据无纬帘布的特点试制出了轮胎，改善了轮胎在道路上的驾驶与制动性能，并于1894 1895年获得专利。这对轮胎工业来说是一次大变革。采用棉帘线促进了轮胎质量的提高，但棉帘线的强力低（最高只有100N/根），而且在高温下(120)其强力下降至原来的50%以上。耐冲击性能也很差，在坏路面上行驶容易发生爆破。特别是大型卡车和矿山用汽车轮胎帘布层数多，引起行驶过程中生热高，易造成帘布间脱层。棉帘线轮胎重量大，汽车的燃料消耗多，随着汽车速度的提高，已不能满足汽车对轮胎性能的要求而淘汰。,2、人造丝的出现 1932年第一次出现人造丝帘线，1938年美国轮胎工业开始采用人造丝代替棉帘线，大大提高了轮胎的质量。40、50年代的小轿车和卡车的轮胎大多采用人造丝帘线为骨架材料。随着人造丝帘线强度的提高，在轮胎中的应用比例越来越大。到六十年代初当时的联邦德国使用人造丝的比例高达93%，而且整个欧洲都广泛应用。 人造丝的高温强力降低少。在120 时强力仅下降20%左右，高温强力保持率、耐冲击性和耐疲劳性等都比棉帘线高很多。提高了汽车的行驶速度，并降低了轮胎的滚动阻力，从而使轮胎的质量和性能都提高了一大步。,3尼龙帘线的应用 早在1942年尼龙帘线就用于制造军用车胎，但直到1947年才开始转入民用轮胎的制造。它具有强力高、密度小、弹性好、吸湿率低、耐冲击强度高等优点。非常适宜于做轮胎的骨架材料。采用尼龙帘线可减少胎体帘布层数，减轻轮胎的重量，降低了轮胎的滚动阻力，节约能源。因而尼龙帘线在轮胎工业中的应用获得迅速发展，目前在斜交胎中仍然得到广泛的使用。, 聚脂帘线 六十年代初美国最先用聚脂帘线制造轮胎。它的特点是伸长比尼龙小与人造丝接近；强力比尼龙低，但高于人造丝；耐冲击和耐疲劳性与尼龙相近，比人造丝优越得多。它迅速发展为轿车胎的 骨架材料。, 钢丝帘线 早在三十年代钢丝帘线已经开始在轮胎结构中应用。最初由法国米其林公司（Michelin Co.）用于生产斜交胎。其特点是强力高、伸长小，制得的轮胎耐磨性和耐冲击性好，不发生爆破，但缓冲性能很差，所引起的振动会使汽车的悬挂系统元件和弹簧的损坏。钢丝帘线受到重视是在子午胎出现以后，迄今为止它是制造子午线轮胎的主要骨架材料。从它的性能价格比来看，目前还未有哪种帘线能与它竞争。, 玻璃纤维 四十年代初，美国固特异（Goodyear）和费尔斯通（Firestone）公司开始研究用玻璃纤维制造轮胎。它的特点是价格便宜、资源丰富。六十年代美国兴起制造带束斜交胎热潮时，玻璃纤维用于这类轮胎的带束层制造，后来也曾用于子午线轮胎的带束层中。但由于它的耐屈挠性能差，至今未能有大的发展。, 芳纶（B纤维） 这是七十年代研究成功的新骨架材料，它的主要特点是强力高，伸张率小、耐热性好、耐屈挠性能比钢丝和玻璃纤维好得多。这是一种较理想的骨架材料，特别适用于各种类型的子午线轮胎，但由于其价格昂贵，至今尚未得到广泛应用。 总之，骨架材料发展对轮胎结构的演变和质量的提高起着极其重要的作用。它使轮胎的行驶速度、负荷 能力和安全性能得到不断的提高。,纤维(帘线)规格表示方法 细度是表尔纤维、纱线的粗细程度，它是纤维材料的重要指标之一。细度可以用直径径或截面积来表示，但测量较繁而费时，误差较大。因此，一般采用与粗细有关的间接指标纤度来表示，常用的有以下三种方法。 1公支(支数)定重制 单位重量(以克计)的纤维、纱线具有的长度(以米计)称为公支或支数。例如1克重的纤维长度为60米，则称60支。,其中：Nm公支(支数)； L纤维或纱线的长度，m G纤维或纱线的重量，g。 对于同一种纤维而言，支数越高，表示纤维越细，反之，表示纤维越粗。但对于相对密度不同的纤维，则其粗细就不能用支数来直接比较。,2旦(Denier)定长制 单位长度(9000米)的纤维或纱线所具有的重量(以克计)称“旦”。(即纤维的相对密度为一定时)旦数越大，则纤维越粗。,式中：D旦数； G纤维或纱线的重量，g； L纤维或纱线的长度，m,3.特(tex)或分特(dtex)定长制 单位长度(1000米)的纤维或纱线所具有的重量(以克计)称“特”。 若重量以分克计(1/10g)，则称“分特”。 特或分特、支数和旦数的换算关系如下： 旦数支数9000 特数支数1000 旦数9特数 分特数10特数 旦数0.9分特数,尼龙帘布规格,涤纶帘布性能,美国、日本子午线轮胎多用聚酯帘线，而西欧国家主要用人造丝帘线。我国目前轿车子午胎胎体也聚酯帘线。 人造丝干强度较高，湿强度较低，弹性模量较高，回弹率、伸长率较低，耐热性好，但耐磨性较差，与橡胶粘合，耐酸碱较差。子午线轮胎常用人造丝规格、性能如下表所示。,1840dtex/3人造丝性能,A)尼龙帘线: 尼龙帘线的主要特点是强度高，吸湿率低，故湿强度也很高，弹性好，耐曲挠性能比人造丝高10倍，耐磨性优于其它纤维，但在高温下收缩率、伸长率大，和橡胶粘合差，所以在使用前必须进行浸胶和热伸张处理。 B)聚酯纤维: 聚酯纤维由二元酸和二元醇合成制得。其主要特点是强度高、回弹性和耐疲劳性能良好，初始模量高，尺寸稳定性好，但行驶过程中生热高，耐久性差，故限制了聚酯帘线的使用范围。,C)芳纶帘线: 这是一种新型的适用于各种类型子午线轮胎用的胎体材料。其主要特点是强度高，伸长率小，收缩率低，初始模量高，耐热性和热稳定性好，化学稳定性好，耐辐射，但和橡胶粘合性能差。 D)钢丝帘线: 主要用于子午线轮胎的胎体及带束层，也可用于普通结构工程轮胎的带束层。其主要特点是耐热性和导热性极好，强度高，且强度受温度影响极小(当温度升高到其它纤维熔化点时，钢丝还能保持原强度的93%)，初始模量高，伸长率极小，有利于轮胎尺寸稳定性能。 其缺点是密度大; 与橡胶粘合及耐疲劳腐蚀，化学腐蚀差。,为防止钢丝松散以及增加钢丝帘线同橡胶粘合，有时在帘线外层缠绕一根螺旋钢丝，这种结构钢丝用于胎体较好。轮胎的胎圈钢丝通常采用直径为1.0mm的粗钢丝，其扯断强力17.6522.06MPa，表面镀黄铜或仅镀铜。 中国的钢丝帘线是用轮胎帘线专用钢作材质制造的。规格如下表所列。,国产轮胎钢丝帘线规格和性能,注:S为左捻,Z为右捻.,总之，作为轮胎骨架材料必须具备强度，尺寸稳定性和耐屈挠性能等基本性能。当前在普通斜交轮胎中，尼龙是骨架材料的主要品种，而在子午线轮胎中，钢丝帘线是带束层和胎体帘线的主要品种，人造丝，聚酯和玻璃纤维均占一定比例，芳纶有一定发展，是一种很有前途的轮胎骨架材料。无论哪一种骨架材料都各有其优缺点，使用时应根据轮胎的规格和结构要求，选择合适的骨架材料，充分发挥其特点，以保证轮胎有最佳的行驶特性相经济效益。 芳纶是一种新型的帘线，由于它的强度高、伸长率小（4%）、模量大、收缩率小，很适于制造子午线轿车胎，是一种很有发展前途的骨架材料。,2、帘线应力的计算,计算原理也是基于薄膜网络理论，只在斜交轮胎帘线应力计算式中的帘线角度为90。 任意点胎体帘线应力(T)： TP（Rk2Rm2）/2Rni 胎体帘线最大应力（Tmax）： TmaxP（ Rk2Rm2 ）/2Rknik,式中： P 内压，kPa； Rk胎里半径，cm； Rm零点半径， cm； n胎体层数（不包括带束层） i胎冠帘线密度，根/cm,安全倍数K： 式中 S单根帘线强力，N； N单根帘线所受应力，N；,3、安全系数的取值,子午线轮胎胎体的安全系数可比斜交胎略低些，下面列举不同类型的K的取值。,载重轮胎： 良好路面 1012， 不良路面 1418， 长途运输 1618； 矿山、森林采伐 1820。 轿车轮胎： 完善路面 1012 不良路面 1214 高级轿车 1214。,七、子午线轮胎胎圈结构设计与钢丝圈应力计算,子午线轮胎胎圈部除承受着充气压力、制动力矩、侧滑和离心力以及胎圈与轮轴配合上所造成的复杂应力外，还由于胎体帘线子午排列，胎体帘布层少，胎体柔软，致使轮胎在行驶中一直处于反复曲挠状态之中。在这样的应力状态下，胎侧下部，子口部分和钢丝圈受力很大，使得帘布包边部位的端点易产生脱离，由于胎侧柔软， 在行驶时尤其是高速行驶时就会增加不稳定性，不利于车辆灵敏控制，因此胎圈部必须大大增强，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，以防胎圈断裂和出现其它类型的损坏，改善轮胎行驶性能。,1、子午线轮胎胎圈结构 因子午线轮胎胎圈强度要加强，故子午线轮胎胎圈部结构比普通斜交轮胎复杂，各部件设计也有所不同。胎圈结构如图所示。,三角胶芯设计： 在普通斜交轮胎中三角胶芯仅起填充作用，往往掺入一些低质胶及大量填料，含胶率很低。而子午线轮胎的三角胶芯则是加强胎圈强度的主要措施之一。因此三角胶芯尺寸比斜交轮胎大，上端位置约在下胎侧高度的75%位置处，大大超越轮辋高度。为了达到刚性的均匀过渡，采用软硬两种胶料复合结构。硬胶芯硬度一般在80(邵尔A)左右，软胶芯硬度为70(邵尔A)左右，两者采取逐渐交错复合形式，下部的硬胶芯为三角形，上部的软胶芯为长菱形。,复合三角胶芯的尺寸，形状，硬度以及软硬配合过渡方法对整体胎圈质量影响很大，在设计时应根据具体情况而定。一般轿车子午线轮胎可采用一个三角胶芯，硬度8090(邵尔A)左右。载重子午线轮胎则采用复合三角胶芯，如图所示。,钢圈包布：为提高钢圈包布的刚性，一般采用钢丝、玻璃纤维或化纤等低伸张的帘布。 护圈垫胶：在胎圈与轮辋接触部位，增贴耐磨胶料，称为护圈垫胶，包覆胎圈外侧及底部，以保护胎圈免受轮辋磨损，一般胶垫厚度为1.53mm。,补强层： 采用补强层补强胎圈的刚性，补强层与普通斜交轮胎的胎圈包布作用及结构相似，也可称为补强包布。采用低伸张的钢丝，化纤或玻璃帘布，覆胶硬度7580(邵尔A)，帘线角度一 般为7075，也有的取3045，一般包贴在胎圈外侧，也有的内外各贴一层，其高度可超越轮辋边缘高度; 上端向胎侧延伸至胎体帘布包边端点，呈差级排列，可提高胎侧刚性，减小变形，防止下胎侧脱层断裂。钢丝帘布条补强胎圈结构如图5-15所示。,2、胎圈结构设计,子午线轮胎胎圈结构(见图)要比斜交胎复杂得多。为了使其具有所需的刚性，除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内外侧贴加强层。加强层一般用钢丝帘布、尼龙帘布，同时用不同形状的差级填充胶来作胎圈与胎侧之间的过渡。为防止胎圈磨损，其与轮辋接触部位增贴一层子口护胶，也可贻无纺布。以下介绍几种常见的胎圈结构。,1软三角胶， 2硬三角胶， 3钢丝圈， 4内包布， 5端部隔离胶条， 6子口护胶， 7差级填充胶， 8加强层,子午线轮胎胎圈结构,(1)钢丝加强层胎圈结构 这种结构常用于钢丝载重轮胎。由于结构简单、施工方便，被广泛采用。加强层一般为一层(也有二层)，贴在胎圈外侧(见图a)，也有贴在内、外侧，优点是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。加强层高度一般比轮辋轮缘高10mm以上，较适用于一次法成型，贴在内、外侧(见图b)，胎圈材料分布比较匀称，适用于一次或二次成型，进一步改进方案（见图c），其特点是加强层之间有填充胶条，以防内摩擦，但施工操作较困难。,不同型式的钢丝加强层胎圈结构 1胎体帘布层；2软三角胶；3硬三角胶；4钢丝圈； 5加强层；6子口护胶；7差级填充胶,（2）钢丝尼龙加强层胎圈结构,为了使下胎侧与胎侧中区之间刚性过渡不致突变，同时不使钢丝加强层上端进入较高的下胎侧区而产生脱层，可采用此种结构(见图)。它是让钢丝加强层的上端低于胎体帘布层的反包高度，而两层尼龙加强层延伸至下胎侧，达到刚性的逐步过渡。,钢丝尼龙加强层胎圈结构 1一帘布层；2一尼龙加强层， 3一钢丝加强层：4钢丝圈； 5子口护胶；6硬三角胶； 7软三角胶；8端部包胶,（3）纤维载重子午线轮胎胎圈结构,由多层帘布组成，附有小胎圈式的钢丝加强层(见图)。为了防止胎体帘布层与钢丝加强层之间产生脱层，增没一层附加胶件；还设有外包布来防止子口损伤。,纤维载重子午胎胎圈结构 1帘布层包边；2钢丝加强层内侧胶件；3胶条： 4钢丝加强层；5钢丝圈；6三角胶：7外包布,(4)无内胎钢丝载重子午线轮胎胎圈结构 该结构见图,其三角胶芯由两种硬度的胶料组成，接近钢丝圈部位的三角胶芯硬度为8595度(邵尔A)，可提高轮胎的抗侧向应力性能；软三角芯胶硬度为5565度，置放位置与前者同，但其上端延伸超过前者，作用是为了将帘布层与硬胶芯隔开，可大大减少胎圈的脱层。钢丝加强层的上端应比轮辋凸缘高出35mm；硬胶片上端比加强层约高出15mm；三角硬胶芯上端超过加强层高度约20mm。,11R22.5无内胎钢丝载重胎胎圈断面,1帘布层；2钢丝图；3帘布包边; 4轮辋；5钢丝加强层；6硬胶片； 7由软胶8和硬胶9组成的三角胶芯,1硬三角胶芯；2钢丝圈， 3钢丝圈内包布； 4钢丝圈外包布,轿车子午线轮胎胎圈结构,（5）轿车子午线轮胎胎圈结构 轿车子午线轮胎一般为12层纤维帘布组成，钢丝圈被帘布层末端外反包住，胎圈结构较简单。三角胶为一个硬胶芯，设有内包布将钢丝圈包住，以防变形；还有外包布或子口护胶(见上页)。,因子午线轮胎的胎圈应力大子斜交胎，所以需增加钢丝根数或直径，还可用单根缠绕法改变钢丝圈的断面形状