轮胎结构设计（青岛科大）

1、高分子科学与工程学院,第二章 轮胎的性能力学与结构力学,2-1 轮胎的法向力与法向变形,一、轮胎静负荷性能,1、轮胎的下沉量（法向变形）和压缩系数(factor of trie compression),压缩率： 表示轮胎的径向弹性特征。 若f过小，说明轮胎的弹性发挥不良，影响乘坐的舒适性;若f过大，说明轮胎在大变形下工作，使用寿命缩短。,下沉量(deflection)：自由状态下充气轮胎断面高H0与静负荷下断面高Hc之差。,高分子科学与工程学院,2、轮胎的接地系数,指轮胎在相应负荷下，接地印痕的长轴与短轴之比。,表示了轮胎承受垂直负荷时发生的周向和横向变形状态。,例如：9.00R20 全钢子

2、午胎的接地系数在1.7左右， 轿车胎165/70R13 的在 1.43左右.,高分子科学与工程学院,3、硬度系数,指轮胎承受负荷（Q）对接地印痕面积（S）和轮胎相应气压（P）乘积之比。 表示在规定的轮辋条件下轮胎气压承受负荷的能力。,Q/SP=1 说明轮胎的气压刚好承受全部负荷，为理想状态 Q/SP1 说明气压不够用来承受全部负荷（胎体骨架承受过多负荷） Q/SP1 说明气压用来承受全部负荷还有余,4、轮胎负荷与气压关系,从图中不难看出轮胎气压与 负荷之间的关系是非线性的。,高分子科学与工程学院,二、轮胎下沉量的理论计算,假设：轮胎在接地面积之外不产生变形；接地面中的平均单位压力等于内压。,（

3、一）赫德克尔（Hadekel）近似公式,式中： D-轮胎充气外直径，Rn-胎面曲率半径， hc-下沉量， Q-轮胎负荷,P-轮胎充气压力,S-接地面积.,Q= SP =Phc,高分子科学与工程学院,c,（二）高孟田（G Komandi匈牙利）经验公式,K-15103B+0.42 C1-轮胎设计参数，斜交胎=1.15，子午胎=1.5 Q-轮胎负荷 B-轮胎充气断面宽 D-轮胎充气外直径 P-轮胎充气压力,三、轮胎负荷下接地面积和接地压 力分布,1行驶面曲率半径:,（一）接地面积的影响因素,高分子科学与工程学院,胎冠曲率半径大，接地印痕的长轴会变短； 短轴略微变长。但总的接地面积还是小于曲率半径小

4、的，胎冠曲率半径小，接地长轴较长， 接地面积较大。,2充气压力：P增大，接地面积减小。,3下沉量：下沉量增大，接地面积增大，在一定范围内接近线性关系。,4. 行驶速度,由右图我们可以看出：,高分子科学与工程学院,5. 道路表面状况的影响,当道路表面存有水、油、泥浆等液体污染 会使轮胎与路面之间的接触面积减小。,（二）接地压力分布及其影响因素,1.压力分布,6.00-16 轮胎接地法向压力分布 负荷Q=4.6kN 充气压力P=220kPa 行驶速度V=1km/h,高分子科学与工程学院,2. 影响压力分布因素,（1）胎面曲率半径：胎冠弧度半径减小，行驶面接地压力分布胎冠中部大于肩 部；弧度半径增大

5、，接地压力中部逐渐减少，肩部逐渐增大。,（2）轮胎结构：子午线轮胎行驶面的接地压力分布比斜交轮胎的均匀。,高分子科学与工程学院,（3）带束层结构,高分子科学与工程学院,（三）接地压力分布对使用性能的影响,1胎面耐磨性能 2轮胎制动性能 3轮胎通过性能,2-2 轮胎的侧向力及侧向变形和纵向力及周向变形,一、侧偏现象,轮胎接地面的长轴与车轮的中分面在 地面上的投影不重合，并且车轮前进的方 向与车轮滚动的方向不一致，两者之间形 成夹角即侧偏角，如图,高分子科学与工程学院,1轮胎类型,子午线轮胎的侧向力大于斜胶胎的侧向力。主要是带束层结构决定。,2轮胎结构参数与花纹,H/B小的宽轮辋轮胎的侧向力较大；

6、 胎冠角越大，帘布层数越多，胎侧的刚性越大； 横向花纹的侧向力小于纵向花纹的侧向力。,3垂直负荷,对给定的侧偏角，侧向力随着垂直负荷的增加而增大,4充气压力,轮胎侧向力随气压的增加而增加，但气压过高时侧向力不再增加。,二、轮胎侧向力、侧向变形的影响因素,5路面干湿与速度,高分子科学与工程学院,三、轮胎的滚动阻力,（一）滚动阻力的产生原因：滞后环、轮胎的变形,（二）轮胎半径,2静负荷半径Rs,1自由半径Rf,轮胎充入额定气压后，无外力作用时，胎冠行驶面最高点的外直径的一半。,轮胎在静止状态下，仅受法向力的作用时，从轮轴中心到支撑面的距离。,高分子科学与工程学院,3滚动半径Rr,轮胎在无滑移存在且

7、不打滑的状态下，轮胎滚动单位弧度所通过的距离。,(三)滚动阻力的影响因素,1轮胎结构,在各种速度下，子午线轮胎的滚动阻力都小于斜交胎的滚动阻力。 在高速下，低断面斜胶胎的滚动阻力比普通断面的滚动阻力小。,2轮胎结构设计参数,b下降，h下降，花纹深度变浅，肩部厚度减薄，采用纵向花纹都可 降低滚动阻力。胎冠角度越大，周向刚性越大，滚动损失越小。,3材料性能,选E大的骨架，滞后损失小。 钢丝 聚酯 尼龙,4气压与负荷,5行驶速度,高分子科学与工程学院,轮胎转动的条件：Fx*RsQ* a,（二）附着力与附着系数,附着力（F）是路面对轮胎切向反作用力的极限。,在硬路面上F与Q成正比,不同路面的附着系数：

8、,薄雪的最小=0.22 湿的沥青路和水泥路=0.35 冰路面的=0.25 比较干的沥青路和水泥路=0.4-0.6,附着系数 = F/ Q,四、轮胎的牵引力和附着性能,（一）牵引力,高分子科学与工程学院, 从轮胎结构上考虑增大轮胎的附着系数，我们可以:,1)提高行驶曲率半径,2)使接地压力分布均匀,3)增加花纹块的分散度,4)提高胎体弹性,5)提高胎面胶料的tg, 2-4 轮胎的高速性能,一、高速时轮胎断面形状的变化,高分子科学与工程学院,3行驶速度与生热的关系,随轮胎速度的增加，轮胎各部位的温度是按线性规律增长的， 这一关系一直保持到临界速度。,关系可近似表示为：,式中：T-轮胎温度 v-轮胎

9、行驶速度 a1,a2-系数,高分子科学与工程学院,1.高速时轮胎半径的变化,式中：dm-行驶面每1cm2中的质量,B-轮胎充气断面宽；,R-轮胎外直径；,P-充气内压；,k-系数，随轮辋宽度的增加、胎冠帘线角度的 增大、帘线刚度的增大而减小，一般 0.10.2。,2钢丝圈、帘线应力变化,高分子科学与工程学院,二、轮胎的驻波和临界速度,驻波-当轮胎在高速下行驶，到达某一特定速度时， 在轮胎离地处呈现出观察完全静止的波形。,临界速度-轮胎产生驻波时的速 度。,达到临界速度时轮胎的特性：,（ 1）滚动损失剧增 （ 2）接地压力分布不均匀 （ 3）径向变形量增大,三、轮胎临界速度的近似计算,1斜胶胎临

10、界速度的计算,模型-假设轮胎是被拉伸的弹性环。,高分子科学与工程学院,式中:,G胶料的弹性剪切模量 hn 胎体折合厚度 A与帘线促度d和帘线节距t有关 Ek 帘线动态弹性模量 i帘线密度 k 胎冠角 rm零点半径（断面最宽点的半径） rk胎里半径 y各层帘线至中面的距离 r1轮胎断面方向的曲率半径 h1外表面至中面的距离 h2内表面至中面的距离,高分子科学与工程学院,2子午胎临界速度的计算,Hattori公式：,四、临界速度的影响因素,1充气压力,提高充气压力对提高临界速度有明显的效果， 影响接近直线正比关系。,高分子科学与工程学院,2胎冠行驶部分质量,行驶部分质量增加严重降低临界速度。 因此

11、，可采用减薄胎面胶厚度的措施来提高轮胎的临界速度， 但要求采用高耐磨、高强度、耐撕裂胶料。,3帘线角度,增大帘线角度可以明显增大临界速度， 但同时也会增加帘线层之间剪切应力的增大， 因此必须增大胶料的粘和强度。,高分子科学与工程学院,4胶料的弹性模量,另外对于斜胶胎：减小H/B和增加轮辋的宽度均能有效的提高临界速度。 对于子午胎：增大气压和减小H/B都能提高临界速度；但与斜胶胎不同 增宽轮辋宽度和减轻胎面质量一般不能提高临界速度增大带束层的宽度和提高胎圈部位的硬度和提高其高度是提高临界速度的有效措施。,提高轮胎的刚性是提高临界速度的有力措施。（如右图）,高分子科学与工程学院, 2-5 轮胎的噪

12、音,一、轮胎噪音发生的机理,轮胎的噪音由几方面的噪音组成，主要是由于轮胎振动导致。由轮胎胎面、 胎侧的振动以及胎面撞击路面相对路面的滑动，均发生振动噪音。,二、轮胎噪音的测量,1.实车滑行试验测量轮胎噪音,这个试验方法的缺点是必须把测得的汽车滑行噪音变成单个试验轮胎的噪音， 因轮胎以外的噪音不易消除，准确性欠佳。滑行试验场地应选在周围不形成有回声 的平坦路面。,2.单个轮胎台架试验测量轮胎噪音,该方法存在的问题是： 转鼓曲率半径无法与地面曲率半径相近，导致轮胎与转鼓的接触面积和形状与地面上 有区别。此外，转鼓与地面的粗糙度差异、转鼓的振动等也对测量结果有影响。,高分子科学与工程学院,3.单胎路试法测量轮胎噪音,三、轮胎噪音的影响因素,1.轮胎规格对轮胎噪音的影响,噪音最大的是载重车轮胎，轻型载重车轮胎次之， 轿车轮胎（含微型车轮胎）噪音最小。,2.轮胎结构对轮胎噪音的影响,在行驶速度相同时，斜交胎的噪音比子午胎的大。,3.轮胎材料对轮胎噪音的影响,钢丝作为帘线材料的轮胎噪音较小,高分子科学与工程学院,4.轮胎花纹对轮胎噪音的影响,A B C