轮胎设计基础与增强

轮胎设计基础

与增强

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目录

·轮胎几何尺寸基础（Pp 3-13）·轮胎设计几何尺寸参数（Pp14-27）·承受负荷的结构部件（Pp28-31）·轮胎胎体（Pp32-34）·轮胎带束层（Pp35-53）—带束层设计（35-41）—米其林常用的和新结构（42-44）—倍耐力0°带束层（45-48）—倍耐力0°带束层改进（49-53）·结构设计与增强（Pp54-61）—设计安全系数（55）

—胎体（56-58）—带束层（59-60）—钢丝包布（61）

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轮胎几何尺寸基础

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充气管

考虑充气管的一部分，长度为l。

在管子的中间平面和管的内表面之间的空气体积处于平衡轮廓。管中间平面的界面作用力 F = 2r·l·P，方向向上。充气管的一半的外表面施加在空气体积向下的力必然等于 F 。

因为在空气管壁一半的总的力必须处于平衡状态，则管壁单位长度的强力必然等于，因此：

f = P·r （波意尔压力管公式）

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充气薄膜充气薄膜表面上的一个点X ，充气压力为P。

c i 和c ii 为X 的主曲率，则曲率半径为

，。

f i 和f ii 为主曲率方向的单位长度的力，

薄膜的通用方程为

。

我们假定薄膜由正交各向异性薄膜组成，这样以来，方向ii 的力与第一主方向i 的力比较可以忽略不计。在这种

情况下，我们可以假设。

薄膜平衡轮廓变为：f =ρ·P

上式相当于充气管波意尔公式，它们的曲率半径为恒值，并在一个方向为r ，而在其正交方向为0。

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子午线轮胎的基本力学

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基本假设

·子午线轮胎由完全子午方向的胎体和通常称为带束层的环形部件组成。我们考虑下述草图，所示意的子午线轮胎断面由两半部分组成。右侧仅显示了胎体，更确切地说，如果不考虑带束层的存在，它描述的是胎体帘线。

·让我们考虑所提到的帘线，选择任意一点P，它的坐标为x和y，它在点A和点K之间变化，点A的定义为δ角为0。

·δ角是平衡轮廓的切线和通过P点的水平线之间的夹角。

·点K被认为是胎圈区域以外的胎侧的第一个点，此处有胎体反包、胎圈填充胶和其他增强材料，此处的刚性可能使胎体帘线处于子午方向排列的增强薄膜充气平衡轮廓的外边。

·图上左侧部分增加了带束层。点S＇相应于右侧的假设S点，是胎侧平衡轮廓上铺设的胎侧的最后一个点，即在带束层影响之外的点。在设计者开始设计一个新项目时，做的第一件事就是确定在x-y平面内的K点和S点的坐标。

·平衡轮廓计算，就是基于假设胎体是一个不伸张的增强帘线排列组成的充气薄膜，每根帘线都在子午平面内。同时，也假定，横向（垂直于子午增强部件方向）的薄膜的模量是可以忽略的。

·充气压力被胎体帘线的张力全部平衡。

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平衡轮廓计算（1）

·我们可以写出下式t = Pρ，此处t （N/m）是胎体单位横向宽度的特定张力。ρ（m）是局部曲率半径，P（N m-2）是充气压力。

·我们称f0（m-1）是胎体帘线的频度，即每米内的根数。我们假设，在成型时，胎体铺设在成型鼓上，它的半径是以使胎体帘线有一个半径为y0（m）的圆柱形，从实际考虑，y0等于成型鼓的半径+内衬层厚度+胶片厚度+半个胎体本身厚度。近似成型鼓的半径+2.5mm；如果使用鼓肩胎圈夹持形式的成型鼓，其半径相当于图中Z点的纵坐标。而如果轮胎在平式成型鼓设备上成型（如米其林），则所说的半径相当于钢丝圈的内部半径。

·P点（x，y

）增强帘线局部的频率为。

·如果T（N

）为单根帘线的张力，则我们可以写出。

·或，此处N = f0（2πy0）是胎体帘线的总根数。

·由于在笛卡尔坐标系中，曲率半径，我们可以写成下面的二次微分方程：

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平衡轮廓计算（2）

·是在胎体断面上相当于1弧度角度内的帘线根数。它也可以定义为“角度密度”或角度的胎体频度。表示为（根数/弧度）。它对应于一部分胎体帘布的帘线根数，其长度等于胎体铺设的半径y0。

·常数K可以这样定义，它是每根帘线伸张力和充气的比值，乘以胎体的角度密度。在量纲上K表示为（m 2），显然它对应于微分方程一次根的尺寸，因为y＇是一个尺寸，y″是（m-1）。常数可以认为是每个单位充气压力在单根帘线上的张力指数，并且对于直（长的曲率半径）胎侧，它有“直”的高数值，对于高曲率（短的曲率半径），它具有低数值。

·因为上述微分方程是二次微分方程，它的结果写成带有二个参数C1和C2的一系列的曲线；因为参数K是一个未知参数，因此我们可以说，一般来讲平衡轮廓可以满足三个不同条件，它依赖于三个参数。

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平衡轮廓计算（3）

通常，首要的两个条件是：

1. 轮廓必须包括K点（x = x K，y = y K）

2. 轮廓必须包括S点（x = x S，y = y S）

第三个条件通常是下列三个条件之一：

·B点的横坐标，最大的轮胎弦的一半，必须等于x B（轮胎初步设计）

·S点的角度δ必须等于预先确定的δS角度的数值（轮胎初步设计）

·K和S点之间的移动的帘线长度，必须等于一个确定的数值l0（移动的轮胎轮廓计算）

由于薄膜平衡轮廓微分方程不包括横坐标x的明显的参照值，它就很容易表示为，如果f（x）是一个结果，则f（x+C）也是一个结果；这就意味着，平衡轮廓的胎侧轮廓，在不改变形状的前提下，在平行于x轴方向上可以移动。第一页的图中，A点的横坐标设定为0。这样，设想的无带束层的子午线轮胎的断面，可以以右半图描述。在不改变形状前提下，

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同样的断面可以在右部分按预想的移动量移动。当一个低断面轮胎需要设计时，点A随着整个平衡轮廓向右移动，结果，一个更大的带束层断面，从中心开始加了上去。这就是设计者要做的。

平衡轮廓形状

·平衡轮廓最重要的是，充气薄膜形状仅仅依靠于几个参数，并且不能由其他方法控制。

·既使如果子午线轮胎在一个与平衡轮廓差别很大的形状的模具内硫化，而一旦轮胎充气，它的形状变化，直到达到平衡轮廓。

·变形的胶料的高拉伸应力将引起胶料的早期损坏，但是在胎侧区域，轮胎断面形状不受模具形状的影响。

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小的断面高度

·看草图右侧，显然，如果在胎冠区域不加带束层结构，则轿车或载重子午线路轮胎的胎冠弧，就不是预想的那样。

·通常指出，如果

的值小，例如轮胎断面高度和胎圈半径比较可以忽略不计，则平衡轮廓接近比较稳

定的曲率半径曲线。换言之，就是接近一个园形曲线。自行车轮胎的断面轮廓几乎就是一个园形。

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平衡轮廓的数值计算通过数值计算椭圆积分，依据常数x A，y A，y B，可以计算平衡轮廓方程：

，此处

曲率半径ρ和角度δ由下式给出：

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轮胎设计几何尺寸参数

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轮胎几何尺寸设计设计依据：

·外直径（胎冠）

·断面宽

·轮辋直径

·断面高= 断面宽×高宽比

·轮辋宽

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轮胎几何尺寸设计设计参数的选择：

·胎面宽度

·胎冠厚度（胎面+ 带束层）

·胎冠曲率

·胎圈厚度

·模型轮辋宽度

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轮胎几何尺寸设计

·胎面宽度必须接近带束层宽度，此参数决定了S点的横坐标

·外半径、胎冠厚度和胎冠曲率，决定了S点的纵坐标

·K点横坐标是模型轮辋宽度

·K点纵坐标等于轮辋半径+ 15 mm（对于标准P轮胎），如果胎圈厚度大于或小于通常值，则此值可大可小·B点横坐标必须等于（宽度/2）—胎侧厚度

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行驶面宽度

·这是确定轮胎几何尺寸的基本参数。

·它不受规格尺寸（ETRTO表格）约束，是设计者的选择。

·宽行驶面是大部分适用设计性能的特例。

·宽带束层通常导致大的δ角，因此有较大的胎体刚度，大的带束层边缘胎体帘线拉力的垂直分量。

·这也意味着，B点（轮胎的弦）横坐标处于稳定值，一个减小的胎侧轮廓曲率，相应每根胎体帘线上总的拉力比较高的数值。

·宽胎冠的缺点，基本是在崎岖不平道路上的乘坐舒适性的一定损失和增加滚动阻力。

·宽胎冠不利于水上漂浮性能。

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轮胎胎冠弧曲率（1）

·这是轮胎优异转向性能的最有意义的参数之一。

·胎冠曲率是控制接地印痕尺寸的最有力的参数，同时，还有δ角值和胎体帘线拉力。

·它经常规定“箭头标志”f ，也就是外直径圆周带束层坐标Y和有效带束层宽度边缘坐标Y之间的差值（mm）。·带束层部件的曲率弧半径用下式计算：

，此处S是带束层宽度的一半，

。

·两个曲率半径的胎冠，经常被认为是低高宽比轮胎的最佳选择，轮胎的中间部分较胎肩区域平坦。

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胎冠弧曲率（2）

·在以下几个设想条件下，接地印痕的形状是通过胎冠弧曲率来确定的：

·δ角数值保持不变，即用B点横坐标调整来补偿S点的横坐标的变化。

·带束层部件的机械特性也保持不变，包括附加胶料的模量、带束层帘线的模量和密度、带束层角度、冠带层特性。

·在上述提到的条件下，根据子午方向的曲率，设计者可以得到任何形式的印痕形状：形式A是比较高的胎冠弧曲率条件下得到的，形式B和C是在中等和低的胎冠弧曲率下得到的。

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