第四章-子午线轮胎结构设计.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,轮胎结构设计,子午线轮胎设计与制造,1,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,2,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。,3,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,。,4,5,6,7,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。,8,9,10,11,二、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,80,90%,。,（,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,60,75%,；,12,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,40,50%,，,胎体层数可为偶数，也可为奇数,。,胎圈所受应力比斜交胎大,30,40%,，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。,13,子午线轮胎与斜交轮胎帘线排列,14,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,15,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。,16,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。,17,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,18,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,。,19,1,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,20,（,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。,21,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。,22,2,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,W,1,与充气断面宽,S,1,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、需要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。,23,轻型载重汽车轮胎负荷计算公式为,:,24,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,；,D,R,轮辋名义直径，,cm,；,SW,1,/S,1,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,；,S,1,在设计轮辋上的轮胎断面宽度，,cm,；,H,1,新胎,断面高度，,cm,；,25,轿车轮胎负荷能力计算公式为,：,26,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,D,R,轮辋名义直径，,cm,W,1,设计轮辋宽度，,cm;,S,1,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,27,负荷计算示例,以,6.50R16-10PR,轮胎为例,已知条件,:,P,=549kPa,W,1,=14.0cm,，,D,R,=40.6cm,，,H=17.2CM,，,S,1,18.5cm,计算公式为,:,28,先计算,计算,d,d=0.9617.85,17.2=,0.064(cm),计算,S,计算,S,d,Sd=17.13-0.637(-0.064)=17.17(cm),计算,W,=0.889.485=8.437KN,KN,29,1,、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,30,有关轿车子午线轮胎的,B/B,值，应随其系列,H,B,扁平比的不同而变化。以人造丝胎体而言，,B/B,取值约为,1.005,1.03,，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,胎体帘线类型,B,/B,钢丝帘线,1.011.02,人造丝帘线,1.021.04,聚酯帘线,1.05,1.07,尼龙帘线,1.06,1.10,31,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,1,2mm,),。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。,32,轿车子午线轮胎，高宽比为,0.7,0.8,时,(,人造丝胎体钢丝带束层结构,),充气后外径一般膨胀,0,2mm,断面宽膨胀,0,2%,。,根据经验，子午线轮胎,D/D,值大约在,1.000,1.003,之间，,B/B,值为,1.00,1.02,左右。,几种轿车子午线轮胎断面膨胀率如表,4-1,所示。,33,轮胎规格,D/D,B/B,205/75R15,1.0022,1.016,185SR14,1.0015,1.000,185/70SR14,1.000,1.002,185/70SR13,0.998,1.000,165SR14,1.001,1.007,175SR14,1.001,1.011,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,：,34,2,、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,H,1,/H,2,表示。,普通斜交轮胎,H,1,/H,2,值大约在,0.83,0.95,间，而子午线轮胎通常在,1.0,1.12,左右，轿车轮胎约在,1.00,1.20,之间。,子午线轮胎值,H,1,/H,2,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。,35,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,(H,2,),区域之内，并减小下胎侧高,(H,1,),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,H,1,/H,2,取值为,1.0,1.2,，载重子午线胎最高可达,1.4,。,36,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,H,2,确定方法，计算公式为：,H,2,(H,F,H,)0.59,式中,H,2,轮胎断面上胎侧高；,F,H,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。,37,3,、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,(B,w,),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。,38,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。,39,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,0.02,0.04,，,b,与,B,之比为,0.7,0.85,。,n,与,b,之比和,B,w,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，,B,w,/b,值为,0.94,1.05,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,1.3,1.8,。,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。,40,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,B,W,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。,41,一般,子午线轮胎,h/H,为,0.02,0.04,，相应,b/B,取值为,0.70,0.85,。,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,65,70%,，以改善胎肩部应变状况和减小滚动损失。,42,4,、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,15,25mm,，,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,0.7,0.8,，载重子午线轮胎为,0.7,0.75,。,43,5,、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,H,B,之比大体上成为定值。据介绍,载重子午线轮胎,H,B,为,0.96,1.05,，轿车子午线轮胎为,0.80,0.85,。,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，,H,B,比值的选取可由其系列分类而定。,44,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,45,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,46,斜交轮胎,式中,轮廓任意点的曲率半径,r,k,胎冠点半径,r,m,断面最宽点半径,胎冠点帘线角,r,轮廓任意点半径,（,1,）,47,子午线轮胎,从公式,(2),中可以看出，只要确定,r,k,和,r,m,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,）,48,1,、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,(,r,t,),，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,)(,r,f,),。,49,2,、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。,50,典型点位置的确定,求出典型点至旋转铀的半径：,r,k,=R-m,r,m,=(R+r,t,)/2,(,或按确定的断面最宽点半径,),下胎侧,k,点半径：,r,k,=r,m,-,k,/2,51,3,、求出断面上典型点的曲率半径,胎冠点曲率半径,(,2,),：,2,1,m,断面最宽点胎侧曲率半径（,3,）：,3,（,r,k,2,-r,m,2,）,/2r,m,胎肩曲率半径（,4,）：,4,（,r,k,2,-r,m,2,）,/2r,k,下胎侧,k,点曲本半径,(,5,),：,5,（,r,k,2,-r,m,2,）,/2r,f,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,O,2,、,O,3,分别在纵、横轴上，,O,4,、,O,5,以内切圆用几何作图法找出圆心。,52,4,、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,),。,53,5,、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,),。,轮胎规格：,日期：,原始参数,R,B,r,f,r,t,=,C=,1,m=,n=,S=,q=,计算参数,r,k,=R-m=,r,m,=(R+r,t,)/2=,2,=,1,-m=,k=r,K,-r,m,=,r,b,=r,t,-q=,r,K,*=(3r,m,-r,K,)/2=,3,（,r,k,2,-r,m,2,）,/2r,m,=,4,（,r,k,2,-r,m,2,）,/2r,K,=,5,（,r,k,2,-r,m,2,）,/2r,f,=,54,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,O,4,，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,O,5,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,t,1,、,t,2,、,t,3,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。,55,平衡轮廓曲线,56,轮胎断面轮廓绘制,57,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,60,75,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,58,五、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,59,60,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,0.2,0.38mm,范围内，,视轮胎规格和性能而定。,1,、骨架层的选取,61,例如,:,9.00R20,轮胎的钢丝帘线为,3+90.22,结构，帘线强度为,1127N/,根,，,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,0.21,0.25mm,，帘线直径,0.5,0.8mm,，帘线强度为,294,588N,。,62,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 40.22,63,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+20.25,64,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,65,(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,3,4,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。,66,载重子午线轮胎带束层的结构形式,67,A,、四层结构,第,1,层为过渡层，帘线角度为,55,65,。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,15,23,。,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；,68,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。,69,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。,70,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。,71,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,15,20,。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。,72,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,4,5,根,/cm,；,第,2,、,3,层密度,为,5,6,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,50,60,；,第,4,层密度,不宜太大，约为,3,4,根,cm,，因为须与胎面胶具有良好的粘合性。,73,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,(,B,w,),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，,B,w,/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,0.94,1.05,。每层依次与下一层的,差级为,10,15mm,，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,。,74,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,3.5,5,；,I,型活络模,2,3,；,型或,Pielli,型活络模,1,1.5,。,75,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。,76,、带束层钢丝帘线结构,。,钢丝帘线规格一般选择直径在,0.22,0.38mm,。,常用的帘线结构有：,过渡层：,3,90.22,1 0.15,；,工作层：,30.20,60.38,，,3,9,150.22,10.1,，,740.22,10.153,；,保护层,(,高伸长钢丝,),：,440.221HE,，,370.22HE,，,340.22HE,。,77,带束层用胶料,(1),中间胶,位置,：,胎体与第一带束层之间，也有放在胎面与上带束层之间的。,作用,：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,位置,：,具有低定伸、高耐疲劳而柔软的肩垫胶，置于带束层末端之下，,作用,：,将胎体帘布层与带束断端头隔开，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。,78,(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,(,2,3,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。,79,(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。,推广使用的钢丝帘线结构有：,40.25,，,50.25,，,2,70.22,0.15,，,2,20.25/0.28,等；,发展的结构有,:,2,20.25/0.28,，,20.30HE,，,30.30HE,，,2,70.22,等。,80,带束层的层数、角度、密度,纤维带束层：,一般为,4,6,层，角度为,13,18,。,层间交叉排列；,钢丝带束层：,一般为,2,层，角度为,15,22,。,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,8,14,根,/cm(,据帘线的强度与直径而定,),钢丝带束层密度一般为,5,8,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。,81,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,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,1,2,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。,82,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,1,4,。,折叠式带束层的排列形式,83,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设计的。,84,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,(H,0,-H)/H,式中,H,0,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,85,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；,T,0,带束层周向应力；,T,1,带束层帘线应力；,径向刚性,86,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，,轿车胎为,0.11,0.16,；载重轮胎为,0.07,0.08,。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。,87,4,、带束层的刚性,带束层的刚性与轮胎的充气轮廓、断面宽、胎面曲率、接地面积等都有密切的关系。带束层的伸张刚度,(E,B,p,),和弯曲刚度,(E,I,),的计算公式如下：,式中：,E,带束工作层帘线的强力，,N,根；,i,带束工作层帘线密度，根,/cm,；,带束工作层帘线角度，,(),G,胎面胶剪切模量，,MPa,，,b,带束工作层宽度，,cm,；,n,带束层工作层层数；,h,弹性层厚度，,cm,。,88,影响带束层刚性的因素有帘线品种和结构及角度、密度、宽度、层数、排列方式、箍紧系数等,。,对,9.00R20,钢丝带束层的纤维子午线轮胎研制表明，带束层伸张刚度高于,25.0,10,2,KN,时，对充气后轮胎外轮廓、外缘尺寸和接地面积没有影响，但低于此值时，则断面增高且变窄、胎面曲率增大，因而接地面积也随之变化。,89,另外，带束层弯曲刚度对轮胎接地面的摩擦性能与花纹磨耗影响很大。从图中可看出小低于,40,10,2,N,m,2,时的相对磨耗强度增加。,E,Bp,低于,20,25,10,2,kN,、,E,I,低于,40,10,2,N,m,2,时，轮胎的使用性能会随之恶化。,EI,与胎面相对磨耗强度的关系,90,5,、带束层帘线应力与安全系数计算,计算公式。,式中,T,b,带束层内压总应力，,N,；,P,轮胎内压，,KPa,；,R,k,胎里半径，,cm,；,R,0,零点半径，,cm,。,F,充气轮胎内轮廓截面积，,cm,2,91,F,可按右图断面内轮廓图直接用求积仪或按下列公式求得,F=2(R,m,B+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(0.8R,k,0.2R,m,),92,带束层每根钢丝应力计算公式为：,式中,:,N,b,带束层单根钢丝所受应力，,N,；,b,b,带束层平均宽度，,cm,；,n,b,带束层层数；,i,b,带束层帘线密度，根,/cm,；,b,带束层角度，度。,93,式中,S,t,带束层单根帘线扯断强力，,N,根,N,b,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：,94,应用举例 以,9.00R20,轮胎为例，已知轮胎内压,P,686.5kPa,胎里半径,R,k,48cm,，零点半径,R,0,38.3cm,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,b,b,为,14.8cm,n,b,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,:,95,又知使用的钢丝强力为,1765.2N,，则安全倍数为,:,96,六、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,97,1,、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。,98,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。,99,1840dtex/3,人造丝性能,主要指标,优等品,一等品,合格品,绝干强度，,N,44N,定荷伸长率，,%,绝干裂伸长率，,%,直径，,mm,初捻捻度，捻,/m,复捻捻度，捻,/m,经线捻向,235.4,2.00.5,122,0.780.03,29020,29020,ZS,225.6,2.00.7,122,0.780.04,29020,29020,ZS,215.8,2.00.8,122,0.780.05,29020,29020,ZS,100,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。,101,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