子午线轮胎设计说明书.doc

XX大学机械工程学院2015届毕业设计子午线轮胎结构设计摘要：随着汽车工业的高速发展，我国汽车拥有量越来越多，高速公路里程越来越长，汽车速度越来越高，在这种形势下，对汽车轮胎的各项性能也提高了要求，以便使汽车的行驶舒适性、安全性得到人们的认同，同时也令轮胎的经济性更容易让人接受。本文介绍了子午线轮胎在我国的发展历程和发展方向，并对子午线轮胎的结构组成和其优越性进行了研究分析，并完成了对轿车子午线轮胎的设计。关键词：子午线轮胎；扁平化；带束层；帘布线；轮胎花纹Radial tire structure designABSTRACT：Along with automobile industrys high speed development, our country automobile capacity are getting more and more, the highway course is getting more and more long, the automobile speed is getting higher and higher, under this kind of new situation, also enhanced the request to automobile tires each performance, with the aim of enabling automobiles travel comfortableness, the security to obtain peoples approval, simultaneously is been also easier tires efficiency to let the human accept. this article introduced the meridian tire in our countrys development process and the development direction, and the antithetical couplet noon-mark tires structure composition and its superiority has carried on the research analysis, and has completed independently to passenger vehicle meridian tires design.KEY WORDS: radial ply tyre；the flattening；belted layer；the curtain wiring；the tire tread目 录1.子午线轮胎概述41.1子午线轮胎的历史发展现状41.2选题的目的和意义42.原理内容及其优缺点72.1子午线轮胎设计原理内容72.1.1带束层的设计对子午线转向性能的影响82.1.2带束层的帘线材料82.1.3帘线结构82.1.4带束层的帘线密度82.1.5帘布角度82.1.6带束层宽度92.2子午线轮胎的特点102.2.1子午线轮胎的优越性102.2.2子午线轮胎胎冠刚性大112.2.3子午线轮胎有“柔性”胎侧112.2.4六个主要变形特性112.2.5子午线轮胎的112.2.6子午线轮胎表现特点132.3设计目的与方向132.3.1 SEE的研发132.3.2生产工艺改进132.3.3全面的产品检测与深入的试验研究142.3.4扁平化142.3.5无内胎化153.结构设计及计算183.1子午线轮胎负荷能力的计算183.2外轮廓断面形状设计193.2.1外直径D和断面宽B193.2.2胎圈着合直径的确定193.2.3外胎断面高193.2.4断面水平轴位置的确定193.2.5胎圈着合宽度C的设计203.2.6行驶面宽203.3外轮廓弧度计算203.3.1胎冠弧度213.3.2上胎侧弧半径213.3.3胎圈曲线弧度设计213.3.4胎冠弧长的计算223.3.5胎面饱和度223.4施工设计223.4.1胎体帘线拉伸应力及安全倍数的计算223.4.2钢丝圈应力和安全倍数的计算233.4.3带束层强度计算243.5花纹设计243.5.1轮胎花纹的作用243.5.2子午线轮胎胎面花纹253.6胎圈结构特点274.爆炸图及工程图的设计294.1子午线轮胎爆炸图的设计294.2子午线轮胎工程图的设计305.总结316.参考文献32致谢.33外文摘要341. 子午线轮胎概述1.1子午线轮胎的历史发展现状子午线轮胎是轮胎工业的更新换代产品,从问世至今已经经历了半个多世纪的发展历程。20世纪40年代子午线轮胎问世,50年代起步,60年代推广,7080年代经历了大发展阶段,90年代完成子午化,21世纪以后,在子午化水平进一步提高的基础上,子午线轮胎向扁平化、无内胎化、环保化和高速化方向发展。在这半个多世纪的发展过程中,子午线轮胎以耐磨、高速、舒适和节能等特点受到人们的广泛重视,成为轮胎行业中的佼佼者,备受好评,子午线胎的推广使用给轮胎工业带来了一场真正的技术革命,子午化率成为轮胎业发展水平高低的重要指标。1892年,法国米其林公司发明了一种可以拆卸的充气橡胶轮胎,给轮胎修理带来了极大便利,促进了充气橡胶轮胎的推广。1908年,米其林公司研制出并装轮胎,有效解决了重型汽车的轮胎负荷问题。这些轮胎史上的标志性发明最终催生了子午线轮胎的出现。1946年,子午线轮胎由米其林公司发明,并取得专利。子午线轮胎克服了斜交轮胎滚动阻力大、使用寿命短和缓冲性能差的缺点。1951年米其林公司将子午线轮胎专利内容公布于世,从此子午线轮胎在全世界范围内开始推广开来。子午线轮胎由于性能优异在世界范围内得到了迅速发展。目前世界轮胎产量已达20亿条,其中子午线轮胎已占90%以上。欧洲轮胎子午化率已达100%,且高性能子午线轮胎占相当大的比例,子午线轮胎已成为全球轮胎工业的标准。1970年,1980年,1990年,2000年和2010年世界轮胎子午化率预计分别达到了15%,54%,75%,90%和95%。由此可以看出,子午线轮胎已经成为轮胎工业的发展方向,而且这种发展趋势在不断加强,成为轮胎工业发展中一种不可逆转的潮流。我国子午线轮胎研究工作始于20世纪60年代中期,几乎与美国、日本和俄国同期起步,但到1980年,子午线轮胎年产量不到1万条。从80年代起,我国加快了子午线轮胎发展步伐。90年代是我国子午线轮胎生产快速发展的阶段,轮胎子午化率由不足2%提高到35%。2001年,财政部和国家税务总局决定免征子午线轮胎消费税,促进了子午线轮胎的进一步发展。汽车需求量增大也刺激了子午线轮胎生产增长。1.2选题的目的和意义轮胎是汽车的重要部件之一，它直接与路面接触，和汽车悬架共同来缓和汽车行驶时所受到的冲击，保证汽车有良好的乘座舒适性和行驶平顺性；保证车轮和路面有良好的附着性，提高汽车的牵引性、制动性和通过性；承受着汽车的重量，轮胎在汽车上所起的重要作用越来越受到人们的重视。1895年随着汽车的出现，充气轮胎得到广泛的发展，首批汽车轮胎样品是1895年在法国出现的，这是由平纹帆布制成的单管式轮胎，虽有胎面胶而无花纹。直到1908年至1912年间，轮胎才有了显著的变化，即胎面胶上有了提高使用性能的花纹，从而开拓了轮胎胎面花纹的历史，并增加了轮胎的断面宽度，允许采用较低的内压，以保证获得较好的缓冲性能。1892年英国的伯利密尔发明了帘布，1910年用于生产，这一成就除改进了轮胎质量，扩大了轮胎品种外，还使外胎具备了模制的可能性。随着对轮胎质量要求的提高，帘布质量也得到改进，棉帘布由人造丝代替，50年代末人造丝又被强力性能更好、耐热性能更高的尼龙、聚酯帘线所代替，而且钢丝帘线随着子午线轮胎的发展，具有很强的竞争力。1904年马特创造了炭黑补强橡胶，大规模用于补强胎面胶是在轮胎采用帘布之后，因为在这之前，帆布比胎面在轮胎使用中损坏得还要快，炭黑在胶料中的用量增长很快，30年代每100份生胶中使用的炭黑也不过20份左右，这时主要在胎面上采用炭黑，胎体不用，现在已达50份以上。胎面中掺用炭黑以前，轮胎大约只行驶6000km就磨光了，掺用炭黑后，轮胎的行驶里程很快就得到显著的提高。现在一组货车轮胎大约可行驶10万km，在好的路面上，甚至可达20万km。1913-1926年，因发明了帘线和炭黑轮胎技术，为轮胎工业发展奠定了基础。轮胎外缘的标准化，制造工艺的逐渐完善，生产速度比以前提高了，轮胎的产量与日俱增。随着汽车工业的发展，轮胎技术一直不断地改进与提高，如20年代初至30年代中期轿车胎由低压轮胎过渡到超低压轮胎；40年代开始轮胎逐步向宽轮辋过渡；40年代末无内胎轮胎的出现；50年代末低断面轮胎问世等等。许多新技术的出现都莫过于 1948年法国米西林公司首创的子午线结构轮胎，这种轮胎由于使用寿命和使用性能的显著提高，特别是在行驶中可以节省燃料，而被誉为轮胎工业的革命，在这里简略介绍一下当今发展的主要几种轮胎特征。子午线轮胎：这种轮胎的特点是帘布层帘线排列的方向与轮胎的子午断面一致(即胎冠角为零度)，由于帘线的这样排列，使帘线的强度能得到充分利用，子午线轮胎的帘布层数一般比普通的斜线胎约可减少4050。帘线在圆周方向只靠橡胶来联系。子午线轮胎与普通斜线胎相比，具有弹性大，耐磨性好，可使轮胎使用寿命提高3050，滚动阻力小，可降低汽车油耗8左右，附着性能好，缓冲性能好，承载能力大，不易穿刺等优点。缺点是：胎侧易裂口，由于侧面变形大，导致汽车侧向稳定性差，制造技术要求及成本高。针对子午线轮胎的缺点，所以选此课题做研究，目的在于完善其不足之处降低其生产成本，为以后子午线轮胎的发展做一份实用性的研究参考。2. 原理内容及其优缺点2.1子午线轮胎设计原理内容子午线轮胎的基本力学主要靠子午线轮胎的带束层。若无带束层，轮胎充气后，外直径变化很大，装在汽车上就无法操纵。子午线轮胎的胎体帘线排列是90左右，因此子午线轮胎的胎体横方向比带束层更坚硬，胎体是保护轮胎胎侧，使其变形小，由于胎体横向坚硬，因此对轮胎的柔软性、牵引力、刹车力起一定的作用。子午线轮胎胎体从胎肩到胎圈帘线所受的应力是较均匀的，而胎冠受的应力是由胎体和带束层分担的。胎体受的张力是根据带束层对胎体的箍紧系数（Restriction Factor Fr）而定。Fr=SH-SHCSH (2-1)式中：SH一无带束层时充气子午线轮胎的断面高； SHC一有带束层时充气子午线轮胎的断面高。公式2-1表明箍紧系数（Fr）越大，胎体帘线所受的张力越小，相反带束层受的张力越大。而箍紧系数（Fr）子午线轮胎的外缘尺寸，有一定影响，如箍紧系数越大，子午线轮胎的断面宽越大，直径越小，如图2-1所示。图2-1 子午线轮胎胎体帘线及带束层帘线与所受张力箍紧系数的关系1-帘布层；2-带束层所以子午线轮胎的胎体虽然有一定的作用，但主要的力学作用在带束层，因此带束层的设计关系到子午线轮胎的质量性能。影响子午线轮胎带束层基本力学性能的有六项因素：（a）带束层的设计；（b）帘线的材料；（c）帘线的结构；（d）帘布的密度；（e）帘布的角度；（f）帘布宽度。2.1.1带束层的设计对子午线转向性能的影响带束层的排列和方向对子午线轮胎的质量性能有一定的作用，特别是带束层排列方向对子午线轮胎角度效应（plysteer）的性能有关，关键在最后一层的排列方向是右或左，右是正值适合于右边行驶，左是负值适合于左边行驶。如美国的角度效应要求为右或正，即要求右的侧向力大于左才能成为正的角度效应，汽车行驶靠右边，这样汽车转弯时的安全性能就比较好。在同一汽车上同时装用两种负值和正值角度效应的轮胎是不允许的，这种装法不管是前后轴不同或左右不同，都会影响汽车操纵性能。在低速时感觉不到，但是超过时速80公里前轮就发生摆动。考虑轮胎规格和行驶速度。一般大规格的三或四层，小规格二或三层。2.1.2带束层的帘线材料带束层帘线性能要求伸张小，强度高，全钢子午胎带束层是采用钢丝，同规格轮胎带束层采用钢丝，侧向力比斜交轮胎可提高75。2.1.3帘线结构子午线轮胎的质量性能与带束层的帘线结构也有一定的关系，带束层帘线不要求高的屈挠性能。子午线轮胎的带束层所用钢丝帘线结构是比较复杂的，如带束层是由两层钢丝帘布组成，这可比较简单的采用一种钢丝帘线结构；如带束层是三层或四层，那就比较复杂了，在技术设计上就要采用两种或三种钢丝帘线。带束层的帘线要求刚度较大，因此单丝的粗度必须在0.20.38mm，单钢丝粗度的选择也要根据轮胎的规格和层级而定。但带束层的钢丝帘线结构并非是强度越高，轮胎的质量性能也越好，因此，在设计带束层选择钢丝帘线的结构时要综合的考虑子午胎的质量性能和经济效益。 2.1.4带束层的帘线密度带束层的帘线密度的选择取决于带束层所需的强度，根据帘线结构和强度来选择密度，帘线越密，带束层的剪切应力越大，过稀带束层的刚度减小，会影响到轮胎的耐磨耗性能。如两种同规格子午线轮胎的胎体帘线结构和层数相似，带束层的帘线结构和角度也基本相似，而带束层帘布的密度分别为25根和22.6根，试验结果带束层较密的子午线轮胎耐磨耗比稀的高28，这就说明了带束层的帘线密度影响子午线轮胎的耐磨性。但仅帘线密度一项还不能确定子午线轮胎的质量性能的好坏，故设计带束层要综合地考虑。2.1.5帘布角度对子午线轮胎来说，带束层的角度不仅要考虑减小带束层帘线所承受的张力，同时也要考虑带束层的层间剪切脱层。一般子午胎的带束层第一层为过渡层角度选取较大值，目的是为了缓和、吸收胎体和带束层之间的剪切。所以国外子午胎第一层带束层的角度一般是60左右，第二、三层带束层为工作层，是主要的受力部件，角度较小，一般在1518，第四层为保护层，为了缓和胎面和带束层之间的应力、应力过渡（尤其是遇到石子冲击时）。第四层带束层一般选用高伸长钢丝帘线，其帘线角度和工作层一样或比工作层大12。2.1.6带束层宽度带束层宽度的选择不但影响子午线轮胎的质量，也影响汽车的性能。带束层过窄易引起子午线轮胎胎肩早期磨损和降低汽车的外倾系数。过宽会引起子午线轮胎胎肩早期脱层和提高汽车的外倾系数，所以选择带束层的宽度必须与子午线轮胎设计的胎面行驶面合理配合。带束层宽度和胎面行驶面宽的比值对转弯系数和滚动阻力系数有很大影响。轮胎行驶面宽又与轮胎断面宽设计有关，因此选择带束层宽度必须结合整个子午线轮胎的设计。在带束层的设计上，以上的六项因素必须配合好，这样才能实现子午线轮胎最佳的质量性能。在胎体决定后，研究子午线轮胎的质量性能主要是研究带束层的设计，另外，除了考虑子午线轮胎综合质量性能外，还要考虑经济上的合理性。子午线轮胎的结构设计的关键是带束层。上面已经讲过关于带束层的六项因素：（a）带束层的排列；（b）带束层帘线的材料；（c）帘线本身的结构；（d）帘线层的密度；（e）帘线的角度；（f）帘线层的宽度。除了这六项因素以外要考虑五个基本原则，这关系到轮胎的转弯力和滚动阻力等主要性能。这五项原则是：子午线轮胎的胎面弧；面弧宽与断面宽之比；扁平比；带束层宽与胎面弧宽之比；带束层的角度。胎面弧对滚动阻力影响不大，但是如果带束层宽度Bc与胎面行驶面宽度B之比从96降低到87，则轮胎的滚动阻力就会增加8；如高于96则增加不大，如图2-2所示。因此，从降低滚动阻力来说， BcB的最佳值为96左右。另外，弧宽和断面宽之比越大，则转弯系数越大；而转弯系数大，则回正力矩就小，因此，这两个性能是互相矛盾的。回正力矩对汽车操纵性能有较大的影响，如图2-3所示。 Bc/B% B/Bs% 图2-2 滚动阻力与Bc/B的关系 图2-3 转弯系数与B/Bs的关系 Bc-带束层宽，B-行驶面宽（弧宽） Bs-断面宽提高子午线轮胎转弯系数还与带束层宽度与胎面宽度之比有关，两者影响转弯系数为15。当BcB降低到96以下时，就会降低转弯系数；高于此值时，转弯系数就增加不大，如图2-4所示。子午线轮胎转弯系数还与带束层的角度有关，角度越大转弯系数越小，从14角度到22角度时转弯系数的影响不大；而从22至30变化时，转弯系数的变化较大，如图2-5所示。 Bc/B% -偏离角 图2-4 转弯系数与Bc/B的关系 图2-5 转弯系数与的关系子午线轮胎的转弯系数影响汽车的操纵性，转弯系数太低则汽车就无法操作。采用的角度在12至22的范围内比较好。但是，必须与六项因素和五项原则结合起来。因为转弯系数越大，回正力矩越小，外倾系数（Camber Coefficient）也越小。由于子午线轮胎有转弯系数大，回正力矩和外倾系数小的特点，因此要适当调整汽车悬挂系统，以适合子午线轮胎的力学特性，使汽车获得最佳的质量性能，例如操纵性能、滚动阻力等。2.2子午线轮胎的特点2.2.1子午线轮胎的优越性 （1）有一个帘线排列方向几乎与圆周方向几乎相同的“刚性”带束层；（2）有一个帘线按子午线方向（径向）排列的“柔性”胎体。 2.2.2子午线轮胎胎冠刚性大 （1）带束层帘线虽然也是照斜交轮胎交叉排列的，但同胎冠中心线成很小的角度，几乎是周向排列的，故它的“剪切”效应很小，变形也就小。帘线层的伸长和压缩变形自然也很小。 （2）带束层帘线和胎体帘线形成了许多三角形。而这种三角形的构造使得带束层变形很小。 （3）带束层帘线使用了具有伸长小、刚性大、强度高的钢丝帘线。 2.2.3子午线轮胎有“柔性”胎侧 （1）胎体帘线按子午线一个方向排列，不象斜交轮胎胎体有多层交叉排列； （2）子午线轮胎胎体层数少，全钢子午线轮胎胎体只有一层，胎体薄。 2.2.4六个主要变形特性（1）轮胎侧向变形大。即在轮胎断面方向上的变形大。 （2）轮胎法向变形大。即轮胎垂直于地面方向的变形大，胎体下沉量大。 （3）胎冠周向变形小。即轮胎胎冠圆周方向上的变形小，也称之为纵向变形小。 （4）胎冠周期滚动变形小。即轮胎在地面每滚动一周所产生的胎冠周期变形小。 （5）高速运行旋转下的轮胎变形小。轮胎在高速旋转时，离心力急剧增大，子午线轮胎的带束层限制了轮胎的周向伸长，在高速旋转下的径向伸张和横向收缩变形都小。而斜交轮胎是断面高变大，断面宽度变窄。 （6）轮胎材料剪切变形小。子午线轮胎的胎体帘线是子午线方向（径向）排列，胎冠带束层接近周向排列。轮胎胎侧和胎冠的主要受力方向同两线的排列方向以及帘线的受力变形相同或基本相同，故“ 剪切”效应小，材料的剪切变形小，材料内部摩擦就小。 子午线轮胎胎体帘线层数少，全钢子午线轮胎只有一层，因此，剪切变形极小，参与变形的材料量也少。 以上子午线轮胎主要的六个变形特性，就决定了子午线轮胎具有优越的使用性能。 2.2.5子午线轮胎的9大优点（1）子午线轮胎耐磨性好子午线轮胎的带束层刚性高，角度小使每根帘线的长度比胎面的接地长度长，使轮胎滚动时移动小。当汽车转弯时扭转方向盘的角度小，可减少轮胎侧滑，从试验结果看子午线轮胎在负荷下的周长比斜交轮胎长。欧洲对滚动周长的标准（Kolling Circvmference）采取的常数不同，子午线轮胎的常数是3.05，斜交轮胎是2.99CR=FD (2-2)式中：CR一滚动周长，F一常数，D一轮胎外直径从公式2-2可以看出，轮胎滚动时移动性越大，其滚动周长越小。移动性越大，耐磨性越差。斜交轮胎滚动胎面接地时就发生蠕动，使胎面容易磨损，子午线轮胎却没有或很少有这种移动，因此其耐磨性能比斜交轮胎提高60120。（2）子午线轮胎的滚动阻力小、节油子午线轮胎的滚动阻力比斜交轮胎低20左右，一般可节省汽油6左右，同时子午线轮胎的胎体柔软，帘线排列一般都是90，在行驶中帘线之间没有剪切应力，尤其是全钢子午胎只有一层胎体，因此胎体的滞后损失很小。另外胎面对地面的蠕动小也降低了滚动阻力，从子午线轮胎的力学性来看，就有利于减少滚动阻力。（3）子午线轮胎的牵引力和刹车性能好子午线轮胎的牵引能力比斜交轮胎提高10至 20，这主要是由子午线轮胎结构所引起的，但与胎面配方，胎面花纹及路面情况也有关。子午线轮胎的接地形状与接地面的压力较均匀，另外子午线轮胎带束层纵向刚性高，接地时胎面不歪扭，导致牵引能力在转弯和刹车性能较好。（4）子午线轮胎的转弯能力大子午线轮胎的侧向力或横向力比斜交轮胎高，主要是子午线轮胎的带束层角度比斜交轮胎小得多。它的角度在1224，而斜交轮胎是3642。侧向力与带束层选用材料也有关，采用钢丝帘线可提高70。子午线轮胎的转向能力大，所以方向盘很敏感，达到同样转弯的目的，子午线轮胎方向盘转角要比斜交轮胎小，这对汽车的操纵稳定性有好处。（5）子午线轮胎噪声小 采用子午线轮胎的汽车可降低噪声，这是由于子午线轮胎胎面对地面的移动性和对地面的剪切力小，胎侧比较柔软，使噪声减小，但胎面的花纹形状对噪声也有一定的影响。以10.00R20和10.00-20规格的轮胎相比较，纵向花纹前者为69dB，后者为7173dB，横向花纹前者为72dB，后者为75-78dB。（6）子午线轮胎的舒适性好由于子午线轮胎胎体和斜交轮胎胎体的不同，它们的径向弹性（Radial Spring Rate）也不同，如 10.00-20规格轮胎的径向弹性，子午线轮胎为 7.53kN/cm，斜交轮胎为 9.21kNcm，说明子午线轮胎的径向弹性力比斜交轮胎低。（7）子午线轮胎升热小子午线轮胎升热较小，这个性能对轮胎的质量有很大好处。升热低，胶料的疲劳损失小，主要胎体帘线之间无剪切应力，另外由于子午线轮胎的变形（主要胎面与地面的侧移动性能）滞后损失小，升热也小，这对高速行驶的轮胎有很大的影响，升热低可以提高轮胎的高速行驶性能。（8）子午线轮胎的高速性能好子午线轮胎的高速性能好，主要由于胎侧很柔软，胎冠变形很小，使胎面与地面的剪切应力减小，附着力却很大，特别是采用了低扁平比使侧向力提高，操纵稳定性好使速度提高。同规格中不同时速，主要是带束层设计不同，时速高时则带束层的强度就要大，角度要小。（9）子午线轮胎耐机械损伤性好子午线轮胎由多层钢丝带来层组成，胎冠的刚度较大，可减少被铁钉、尖石的刺穿。由于子午线轮胎有这些优点，汽车使用子午线轮胎后，安全性、操纵稳定性和高速性能有所保障，牵引及刹车性能好，既节省汽油，行驶里程又高。子午线轮胎具有斜交轮胎不可比拟的优越性，以及它给生产企业和社会带来的巨大的经济效益。要充分发挥子午线轮胎的优越性，必须做到生产出好的子午线轮胎，使用保管好子午线轮胎。这是发挥子午线轮胎优越性的相辅相成的三个方面。怎样能生产出质量高度均匀一致的子午线轮胎是轮胎制造公司目前和今后一个时期的一个重要任务。 2.2.6子午线轮胎表现特点（1）轮胎各部件尺寸和部件的定位是非常准确的。 （2）轮胎材料的重量分布和材料的质量是非常均匀的。 （3）轮胎的材料与材料之间，部件与部件之间的粘合是非常可靠的。2.3设计目的与方向2.3.1 SEE的研发轮胎是汽车性能具体实现的主要配件，对于21世纪的轮胎生产技术来讲，SEE轮胎的研发，由安全（Safe）、节能（Economy）和环保（Environment）的英文首字母组成，是必然的发展趋势，SEE的研发，总结为以下三点：（1）新材料的应用。纤维材料的发展重点将转向芳纶和芳纶复合帘线，主要是将其用于带束层。新结构钢帘线同样发展迅速，这些钢帘线的强度更高、结构简单、渗胶性能很好，耐疲劳性能也有明显改善。（2）设计方法的改进。有限元分析在现代制造业中的作用非常突出，方法也很成熟，通过多年对有限元方法在轮胎设计方面的研究，推出了一系列的设计理论，将轮胎结构设计从经验和半经验设计推向数字化设计。（3）新产品的开发。随着人们安全意识的进一步加强，安全轮胎将成为产品开发的新趋势。2.3.2生产工艺改进21世纪的轮胎生产工艺过程会更注重人性化，由于轮胎生产会对人体健康造成影响，对环境会有一定的污染，能源消耗也相对较高。因此，安全、高效、节能、环保必将成为生产制造过程的主题。具体采取以下措施：（1）炼胶工艺实现低温连续混炼。在传统的轮胎制造工艺中，橡胶混炼都是在较高温度下分段进行的，并且在高温状态下，许多化学原料会发生化学反应，产生的气体和气味不利于人体健康和环境保护，而低温连续混炼就不会产生这种现象，并且提高了生产效率，降低了能源消耗。（2）胎体和带束层帘布压延时进行半硫化。胎体和带束层半成品的质量对轮胎的质量和性能都有较大的影响。为了保证生产过程中帘线不变形，在压延时进行半硫化，既可以减轻轮胎的重量，又能适当缩短硫化时间，从而降低轮胎的制造成本。（3）轮胎成型多鼓化。在轿车子午线轮胎成型过程中，三鼓甚至四鼓、五鼓成型机会得到推广应用，轿车子午线轮胎的成型将以四鼓成型机为主。（4）硫化采用高温充氮工艺。无论是轿车子午线轮胎、全钢载重子午线轮胎，还是工程机械子午线轮胎，其硫化工艺都将逐步采用充氮硫化工艺，以提高生产效率和降低能源消耗。2.3.3全面的产品检测与深入的试验研究（1）安全性能研究。汽车行驶速度越来越高，安全也更受关注，因此要加大影响轮胎安全方面的试验研究力度。（2）节能技术的试验研究。为了降低能耗、减少轮胎行驶时产生的滚动阻力，必将更深入地研究影响其滚动阻力的因素。（3）环保性能试验研究。由于轮胎产生的环保问题已经受到许多国家的重视，为了解决这一问题，在考虑轮胎翻新的同时，也在不断设法延长新胎的使用寿命，因此，轮胎的室内外耐久性试验，尤其是实际道路试验显得越来越重要。为了保证轮胎的实际使用寿命，试验场的道路强化试验必须进行。21世纪初国外轮胎的子午化、扁平化、无内胎化已趋于成熟。作为轮胎结构革命的换代产品子午线轮胎，一直发挥着它的优异性能，但为适应世界市场竞争的需要，新产品研究开发速度要加快，更新换代周期要缩短，以致各大公司每年都有重要新产品问世， 同时每年都有一些老产品被淘汰。因此轮胎子午化后，仍须清楚地认识到子午线轮胎新产品的研究开发和新技术的发展方向：扁平化、无内胎化等。2.3.4扁平化（1）扁平化的含义轮胎的轮廓是由扁平率决定的，扁平率就是高宽比，即轮胎胎壁（横截面高度）高度占胎宽（横截面宽度）的百分比。由于子午线结构的轮胎帘线方向是径向排列的，所以胎侧柔软刚性低， 而影响了轮胎的侧向稳定性，因此降低断面高或增加断面宽即 H/B趋于扁平化对子午线轮胎体现出显著的优越性。轮胎断面的高宽比=断面高H/断面宽B，也叫作扁平比。若H/B1，则称为普通断面轮胎。现代轿车的轮胎高宽比多是50%至70%之间，这个百分比数值又称为系列，若H/B 0.8，则称为80系列、 H/B 0.7，则称为70系列。通常将80系列及其以下轮胎称为低断面轮胎。系列越小，轮胎形状越扁平。（2）扁平化的优点1）同样直径的轮胎，低断面轮胎接地面积大，所以制动力更强，更安全。2）低断面轮胎行使时的变形量小，曲折生热少，轮胎寿命更长。3）行使变形量小，阻力小，汽车也更省油，高速性能更好。4）减小轮胎噪音。（3）低断面轮胎的发展趋势轿车轮胎：现在由70、60系列向55、50、45、35、25系列等发展。载重轮胎：由80系列向65、60、45系列等方向发展。普通轮胎与子午线轮胎的比较如下图2-6所示。普通断面轮胎 低断面轮胎图2-6 普通轮胎与子午胎的比较从汽车的发展历史来看，20世纪初的汽车轮胎横截面几乎是圆形，胎壁与胎宽一样，因此扁平率为1。一直到二次大战后才出现了扁平率1以下的轮胎，有了稍微扁平的轮胎；60年代初美国出现了扁平率0.8的轮胎，60年末则出现了扁平率0.7的轮胎。现在兴起的低扁平化轮胎与地面接触面大，抓地力强，除了具有操纵稳定性好外，还具有高速耐久力好和制动力好的优点，因为扁平轮胎不容易产生“驻波”。“驻波”是一种导致轮胎变形的物理现象，“驻波”越多轮胎变形越大。扁平轮胎具有较强的制动能力，这是因为低扁平化轮胎通常需要大直径的轮圈来配合，较大的轮圈可以容纳更大尺寸的制动盘（鼓），制动盘（鼓）直径越大，制动力就越大。但同时低扁平化轮胎内的空气层厚度小，缓冲和减震相对减弱，导致舒适性较差，因此需要相应的悬挂结构来配合。现在的轿车普遍用子午线真空轮胎（无内胎轮胎），商用汽车也普遍使用子午线轮胎，扁平化轮胎的优越性已被人们认识，轮胎向扁平化方向发展是一个必然趋势。2.3.5无内胎化无内胎轮胎(TUBELESS)也称真空胎，有的地方也叫空心胎。顾名思义，无内胎轮胎也就是轮胎里面没有内胎。其实，无内胎轮胎并不是没有内胎，它只不过是把内胎，更科学、更进步地用另外一种材料、另外一种方法和外胎溶为了一体。无内胎轮胎的内侧表面附有一层高密封性的密封胶膜(一般多用氧化丁基胶)，紧紧地贴在轮胎的内部。当钉子等物一刺入，空气在从洞口外泄时，胎内膜立刻随着 空气的外流而收缩堵住洞口。胶膜与轮胎一体，其间没有漏气的空隙。另外，进气口只有一个，轮胎口和轮圈的严密咬合，也不会漏气。因此，当轮胎被铁钉等物刺 入以后，空气不是突然流失，只能从被刺的地方慢慢地漏出(因为内膜收缩堵住了洞口，所以空气流失很慢)，可以给驾驶员充裕的时间进行处理，这样，既不会因 为空气的突然流失而发生车祸(车速快时，前轮突然漏气，往往造成车辆侧翻等恶性事故)，也不会因突然漏气而碾坏外胎。因此，从安全角度讲，真空胎是高速行车最为理想的轮胎。如图2-7所示。无内胎漏气慢 有内胎空气急剧泄露图2-7 有内胎与无内胎的比较（1）安全性能高1）无内胎在被异物刺穿后，气压不会迅速消失，仍能行驶几十公里2）提高车辆行驶安全性，同时容许轮胎得到更换和修补由于无内胎行驶面宽，接地面积大，地面附着性好， 缩短制动距离，转向稳定性高，安全更有保证。3）转向时操控性能好4）制动距离短，刹车更平稳无内胎轮胎的轮辋与刹车鼓距离大，有利于散热，减少胎圈分层。5）高速性良好6）安全性能更佳由于没有内胎/垫带，加之接地面更加稳定，运行时无内胎轮胎生热少，散热快。7）生热量小，高速性能好8）运行更加安全无内胎轮胎断面低，外直径小，可降低卡客车重心。9）使货运更加平稳、更加安全10）可降低客车车门入口高度， 使顾客上下车更加安全方便（2）经济性好1）较高的性价比以12R22.5 HN257代替11.00R20 HN08(等效替换)为例，12R22.5 HN257价格比11.00R20 HN08低35元左右，且其磨损寿命比11.00R20 HN08提高10%左右。性价比明显高于11.00R20 HN08。2）滚动阻力低，耗油率降低2%由于无内胎轮胎周向刚性大、滚动阻力低，对比斜交线轮胎可节省6 10%的燃料，考虑到路况、停车、启动等因素的影响，保守估计无内胎轮胎的节油率应在2% 左右。3）车身重量减轻，可降低车辆油耗采用无内胎轮胎，轮胎/轮辋组合体重量减少20kg左右。如果2-8所示。图2-8 有内胎与无内胎的结构差异4）接地压力比较均匀，无内胎轮胎磨损均匀，磨损寿命远远长于有内胎轮胎,使用寿命延长5）轮胎磨损均匀，花纹再刻机会增加6）有利于环境保护7）无内胎行驶面宽，接地面积大，而且接地压力均匀，接地比压低，减少轮胎对于路面的破坏。无内胎行驶面宽，胎面周向刚性大，轮胎磨损寿命增加。意味着减少固体废物的产生。 8）无内胎轮胎滚动阻力小，可以降低燃料消耗，从而减少汽车尾气排放。9）无需内胎、垫带部件，减少生产、运输资源（原材料、能源及人力）的消耗使用无内胎轮胎，对于轮圈的要求比较严格，轮圈必须没有碰撞过，没有锈蚀，必须经过气密性试验，不能有沙眼，否则，轮胎口和轮圈的咬合不严，无法充气。3. 结构设计及计算轮胎结构设计方法不外乎有两种：一种是从外轮廓到内轮廓的设计，这是轮胎行业的传统设计方法，另一种是从内轮廓到外轮廓的设计。从外轮廓到内轮廓的设计是一种经验和传统的设计方法，它比较适应产品在市场上的特点和需求。从内轮廓到外轮廓的设计，是设计方法的升华，克服了经验设计缺少理论指导的不足，具有其科学性并能适应时代发展的需要。但它必须在大量实验的基础上，形成比较完善的理论，这一课题是世界轮胎行业一直不断研究的内容。在设计依据确定后，根据收集的技术资料和该产品执行的最新标准规定，确定技术性能要求，作为设计标准。技术性能内容包括：轮胎类型（轮胎规格、帘布层、胎面花纹）、基本参数（最大负荷、相应气压、适用轮辋类型、允许使用轮辋类型）、主要尺寸（轮胎充气外直径和断面宽、轮胎负荷下静半径和断面宽等）、内胎气门嘴形式和行驶里程等。其中轮胎最大负荷与充气压力、充气断面宽和轮辋直径等因素有关，因此首先要进行负荷计算，以确保设计达到轮胎的质量和性能要求。3.1子午线轮胎负荷能力的计算负荷能力的计算有几个公式，但应用较多的为TRA推荐方法，它比较明确的将轿车胎、载重胎、斜交胎和子午胎的计算方法区别开来，与实际使用的轮胎情况吻合较好。根据美国TRA工程设计手册，公制轿车轮胎负荷能力计算公式为： W=K6.07510-5P0.7Sd1.1(DR+Sd) (3-1)式中：W负荷(kg)K负荷系数，子午线轮胎为1.655P气压(kPa)，240kpaDR轮辋直径(mm)，选定R16=406.4mmSd扁平轮胎在理想轮毂上的端面宽度，mmSd=H2-0.78A-0.05A-0.7A-0.552 (3-2)式中：H新胎断面高度129mmA=名义高宽比（扁平率），选定为0.6由公式3-2计算可得：Sd=129*2-0.78*0.6-(0.05/0.6)-1.4(0.6-0.55) =178mm由公式3-1计算可得：W=1.655*6.075*10-5*2400.7*1781.1*(406.4+178)=813kg 3.2外轮廓断面形状设计3.2.1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，所以充气外直径和断面宽变化较小。一般D/D=1.01.05 B/B=0.991.10充气直径D范围:664.4mm697.6mm充气断面宽B范围：212.85mm236.5mm外直径D=664.4mm断面宽B=215mm3.2.2胎圈着合直径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相应部分直径小1.02.0mm。 3.2.3外胎断面高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轻而易举得到，H=D-d2 (3-3)由公式3-3计算可得：H=(664.4-406.4)/2=129mm。3.2.4断面水平轴位置的确定如图3-1所示。图3-1 断面水平轴位置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，取H1/H2=0.81.10。一般而言，有内胎的子午线轮胎由于使用中速度较慢，负荷较大，胎圈部位受力较大，设计时断面水平轴远离胎圈部位，减小胎圈部位变形，H1/H2一般取等于或大于1，相反无内胎子午线轮胎的速度较高，胎冠部位是主要受力区，因此，H1/H2取小于1，使断面水平轴远离胎冠部位。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，适当增加H1/H2的值。对于深花纹轮胎，由于花纹深度使H2增加，应适当减小H1/H2值。3.2.5胎圈着合宽度C的设计轮胎两胎踵间的距离，称为胎圈着合宽度C。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，现在的子午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做为设计轮辋宽度，一般：轿车子午胎加宽2；轻卡子午胎加宽1；全钢载重胎加宽0.5设计轮辋每加宽0.5，设计断面宽增加约5mm3.2.6行驶面宽b和弧度高h的设计子午线轮胎接地印痕长轴较短，为了不减少接地面积，应随着高宽比的减小而适当增加行驶面宽度b，减小弧度高h，可以改进轮胎的制动性能和耐磨性能，同时带束层刚性大时，也应采用较小的h，以增加接地面积。一般取b/B=0.700.9，h/H=0.020.04b=0.7B0.9B=0.7*2150.9*215=150.5193.5h=0.02H0.04H=0.02*1290.04*129 =2.585.16行驶面宽度一般不超过下胎侧弧度和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%，以改善肩部应力状况和减小滚动损失。bh =0.65B0.7B=139.75150.53.3外轮廓弧度计算 外轮廓弧度如下图3-2所示。 图3-2 外轮廓弧度3.3.1胎冠弧度R1=b28h+h2 (3-4)式中：R1胎冠弧度（mm）b行驶面宽（mm）h弧度高（mm）取b=170mm，取h=4 由公式3-4计算可得：R1=(1702/8*4)+2=905mm3.3.2上胎侧弧半径R4=H2-h2+B-b24-L2B-b (3-5)式中：L胎肩切线长度，在轮胎断面中心轴上的投影长度约为H2的50%L=2*H22 (3-6)由公式3-6计算可得：L=91.2mm由公式3-5计算可得：R4=(64.5-4.5)2+(215-180)2/4-91.22/(215-180)=228.8mm3.3.3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R7小于轮辋半径0.51.0mm。 胎踵半径R8大于轮辋相应部位半径，一般来讲，对不同的轮辋不同的着合倾斜角取不同的半径。下胎侧与胎圈之间的过渡轮廓R6比斜胶胎大，一般取值为5060mm。3.3.4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=0.01745R1 (3-7) 式中：R1胎冠弧度（mm）=2arcsin-1b2R1 (3-8)由公式3-8计算可得：=10.8o由公式3-7计算可得：S=170.6mm3.3.5胎面饱和度 轮胎胎面花纹一般分为普通花纹、混合花纹和越野花纹三种。 公路花纹：花纹块面积占行驶面总面积的70%80%； 混合花纹：花纹块面积占行驶面总面积的60%70%； 越野花纹：花纹块面积占行驶面总面积的40%50%。3.4