子午线轮胎结构设计.ppt
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1、轮胎结构设计,第三章 结构设计,学习目的与要求,通过学习掌握斜交轮胎的结构设计程序,掌握技术设计内容:外胎外轮廓设计、胎面花纹设计、内轮廓设计; 掌握斜交轮胎的施工设计;了解内胎、垫带、水胎和胶囊设计。,第三章 结构设计,第一部分 轮胎结构设计程序 第一节、轮胎设计前的准备工作 第二节、轮胎技术要求的确定 第三节、外胎外轮廓设计 第四节、外胎胎面花纹设计 第五节、外胎内轮廓设计 第二部分 施工设计 第一节、成型机头类型 第二节、成型机头直径的确定 第三节、成型机头肩部轮廓曲线设计 第四节、成型机头宽度计算 第五节、绘制外胎材料分布图 第六节、外胎施工标准表的制定 第七节、内胎、垫带的设计,轮胎
2、结构设计是指通过计算、选择、绘图等方法确定轮胎整体及各部件的结构和尺寸并拟定出施工标准及设计辅助工具的过程。轮胎结构设计直接影响轮胎质量及使用性能。 结构设计有两种方法 1、从轮胎外缘曲线开始,从外往内设计。 古典方法,历史悠久,经验丰富,但缺乏计算数据,只凭经验数据进行,2、根据内缘平衡形状曲线,从内往外设计 有数学模型作为计算依据,是当代科学的方法 轮胎结构设计现在广泛采用的传统设计方法,是以静态平衡轮廓理论为设计依据,用薄膜-网络理论为原理指导轮胎设计,轮胎在模型内的轮廓用几何作图法,从外缘轮廓向内进行设计。,第一部分 轮胎结构设计程序,轮胎结构设计分技术设计和施工设计两个阶段进行。 第
3、一阶段:技术设计。 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;设计外胎外轮廓曲线和胎面花纹;设计内胎、垫带和水胎(或胶囊)断面曲线;绘制外胎,内胎和垫带设计总图。,第二阶段:施工设计。 任务是根据技术设计确定成型机头型式、直径及肩部轮廓;绘制外胎材料分布图;制定外胎、内胎及水胎(或胶囊)施工标准表;提出外胎,内胎及水胎制造附属工具的技术要求。 在完成设计后,提出技术设计和施工设计说明书。,设计任务,轮胎设计前的准备工作,确定技术要求,确定外胎外轮廓曲线,设计外胎胎面花纹,确定外胎内轮廓曲线,优选方案,绘制外胎总 图,确定成型机头型式、直径、肩部曲线、绘制材料分布图,确定水胎(胶囊
4、)断面尺寸、绘制断面轮廓图,确定内胎断面尺寸、绘制内胎总图,确定垫带断面尺寸、绘制内胎总图,制定内胎施工标准表,制定垫带施工标准表,制定水胎(胶囊)施工标准表,制定外胎施工标准表,提出外胎、内胎、垫带及水胎(胶囊)制造附属工具的技术要求,提出结构设计文件,轮 胎 结 构 设 计 程 序 图,第一节、轮胎设计前的准备工作,轮胎是车辆驱动机构的主要配件,设计时应依据车辆的技术性能及车辆的使用条件,适应车辆发展的需要,并应考虑轮胎结构的合理性、经济性及发展前景,收集有关技术资料,选用先进技术,全面分析进行设计。一般包括车辆的技术性能、行驶道路情况、国内外同规格或类似规格轮胎的结构与使用情况等。,1车
5、辆的技术性能 (1)车辆类别、厂牌、型号、用途和外形尺寸。 (2)车辆自重、载重量、整车重量在各轴上的分布 和车轴所需承担的牵引负荷。 (3)车辆驱动形式、轴数、轴距、轮数和轮距。 (4)轮辋类型、代号及轮辋断面曲线。 (5)轮胎最大外缘尺寸及双轮间距离。 (6)车辆平均速度和最高速度。 (7)最小离地间隙、最小转弯半径和最大爬坡度。 (8)对轮胎的特殊要求。 (9)该车辆发展前景。,2.道路情况 (1)路面性质,包括硬基路面(水泥、柏油和碎 石)、混合路面(石土或城乡间的水泥路)、 软基路面(雪、砂及土路),还有特殊的作 业环境,如矿山、林场、水田、沼泽等 (2)路面拱度、坡度和弯路。 (3
6、)使用地区的年平均气温和降雨量。,3、国内外同规格或类似规格轮胎的结构和使用情况 (1)技术参数,例如轮胎的层数、内压、负荷 及花纹形式等。 (2)轮胎充气前后及使用过程中外缘尺寸的变 化。 (3)室内试验数据。 (4)实际使用中的性能及主要优缺点。 (5)使用部门的要求。,第二节、轮胎技术要求的确定,1.轮胎类型 包括轮胎规格、结构、层级、胎面花纹、胎体骨架材料品种、规格和基本技术性能。 2.轮辋的选择 应根据轮胎类型和规格,按国家标准(或部颁标准)及车辆技术状况和发展趋势选定。例如轿车采用深槽式轮辋和深槽式宽轮辋,轻型载重汽车采用半深槽式轮辋,中型和重型载重汽车一般采用平底式轮辋和平底式宽
7、轮辋(即5斜底轮辋)。不同类型车辆有其相对应的轮辋类型、规格及轮廓曲线。,3. 外胎充气外缘尺寸 包括充气外直径D和充气断面宽B,按国家标准(或部颁标准)所规定的尺寸执行。暂无国家标准(或部颁标准)的轮胎,可以按设计任务书所规定的充气轮胎外缘尺寸或参考国外轮胎轮辋标准所规定的尺寸进行设计。,4.负荷能力计算 (1)标准负荷和理论负荷 轮胎的负荷能力是衡量轮胎质量重要指标之一,其最大负荷能力与速度、内压、充气断面宽、轮辋直径和宽度有关。 确定外胎充气外缘尺寸D和B后,必须通过计算,验算其负荷能力是否符合国家标准,再进行外缘轮廓设计及计算,因此验算轮胎负荷能力是进行轮胎结构设计的基础。,标准负荷:
8、国家标准规定的负荷简称为标准负荷,是指在保证轮胎耐久性前提下要求轮胎承受的负荷。 理论负荷:通过计算得到的轮胎的负荷可称为理论负荷,它必须大于标准负荷,但也不能过大,以大25%为宜。 轮胎负荷标准分为单胎负荷和双胎负荷两种。 一般具有双胎并装的载重汽车应计算双胎负荷,双胎负荷能力较单胎负荷能力小。轿车轮胎只计算单胎负荷。,理想轮辋:轮辋宽W与充气轮胎断面宽B1之比等于 62.5%的轮辋称之为理想轮辋。 海尔公式:负荷能力的计算公式为海尔公式,是一个在轮辋与充气轮胎断面宽之比等于62.5%的标准条件下(理想轮辋)得出的实验式, 若比值超出此范围,必须换算为在标准理想轮辋的充气轮胎断面宽才能使用此
9、公式。 斜交轮胎负荷计算基本公式及负荷系数K值的选取与斜交载重轮胎和轿车轮胎负荷计算公式与负荷系数K的选取不相同。,载重轮胎负荷计算基本公式为:,式中:W负荷能力,kN K负荷系数 (K1.1(双胎),K1.14(单胎) P内压,kPa DR设计轮辋直径,cm W1轮辋名义宽度,cm B 为62.5%的理想轮辋上的轮胎充气断面宽,cm B1安装在设计轮辆上的新胎充气断面宽,cm 0.231-采用公制计算的换算系数,若用英制计算,此公式 不必乘0.231。 单胎负荷应为双胎负荷的1.14倍,气压应相应增加7OkPa。,轿车轮胎负荷计算基本公式为:,式中: K负荷系数(此值与轮胎的结构和高宽比有关
10、, 50系列、60系列和70系列的斜交轮胎和子午线轮胎K=1.655, 78系列斜交轮胎K=1.70, 78系列子午线轮胎和82系列套用=1.743) Bd扁平轮胎在理想轮辋上的断面宽度,cm d圆形轮胎设计断面高与扁平轮胎最大断面高之差,cm H最大断面高 (普通断面轮胎最大断面高H = 1.01设计断面高, 扁平轮胎最大断面高H=l.O2设计断面高),cm,(3)负荷能力计算实例 以9.00-20载重轮胎负荷能力计算为例。 已知条件:D=l018.5mm,B1=259mm, W1=177.8mm, P=588kPa,DR= 508mm,KD (双胎)= 1.l, KS (单胎)= 1.l4
11、 负荷计算公式为:,将已知数值代入上列公式中,首先求取S值,再求WD双胎负荷,最后计算单胎负荷WS。,=,=20(KN),(增加气压70KPa),第三节、外胎外轮廓设计,1、外胎模型各部位尺寸代号及其它设计参数 代号 (1)外胎模型各部位尺寸代号采用英文字母表示外胎模型各部尺寸(单位为毫米)代号,见图2-1所示。可按所在部位分为四类: 断面形状尺寸:D、B、H; 胎冠部尺寸:b、h、Rn、Rn“; 胎侧部尺寸:H1、H2、R1、R2、R3、L; 胎圈部尺寸:c、d、R4、R5、g、。,D外直径; B断面宽; H断面高; d胎圈着合真径;c两胎圈间距离;b行驶面弧度宽度;h行驶面弧度高度;H1断
12、面中心以下断 面高; H2断面中心线以上 断面高; L胎肩切线长度,图2-1 外胎模型各部位尺寸代号,(2)其它设计参数代号 常用的代号为: D0代表内压为零时轮胎外直径, B0代表内压零时轮胎断面宽, D代表充气轮胎外直径, B代表充气轮胎断面宽, H代表充气轮胎断面高, f代表下沉量(f=H-H1)单位均为毫米。,2、各部位尺寸确定 (1)断面外形尺寸 断面宽B的确定 外胎模型断面宽根据充气断面宽和充气后断面宽膨胀率的变化确定。轮胎处于充气条件下使用,其充气断面宽必然大于 模型断面宽,断面宽增加程度用膨胀率 表示,计算公式:,B胎模型断面宽,mm B轮胎充气断面宽,mm 断面膨胀率,断面膨
13、胀率 B/B值可通过调查和试验数据分析确定。此值受模型断面高宽比H/B、轮辋宽与断面宽比值W1/B、帘线性能和帘线胎冠角度等因素影响,一般有以下几种规律。,a. H/B值越大则值越大。 H/B值是轮胎结构特征的主要叁数之一 H/B1时,外胎断面呈长椭圆形,充气后断面膨胀率增大,达到近乎圆形的平衡轮廓,此时轮胎外径收缩,可提高胎面耐磨和抗机械损伤性能,适合载重斜交轮胎的设计规律 H/B1时,轮胎断面呈扁平状,充气后断面外径增大,断面膨胀率较小,此时胎面虽然处于伸张状态,但胎体平直,支撑性好,高速度、利于安全操纵,适合轿车轮胎的设计,轿车轮胎断面向扁平化发展,断面高宽比已成系列化,H/B值分别为0
14、.95、0.88、0.82等。低于0.82的超低断面轮胎,大部分属子午结构,分别为78,70、65和50系列(即H/B值为0.78,0.70,0.65,0.50) 一般斜交轮胎H/B1,值在0.91.17之间;H/Bl,在1.001.07之间。 b.W1/B值越大则值越小。 因轮胎胎体平直,膨胀变化不大。 c.胎冠角度越大则值越大。 因胎冠角度大,充气时限制胎冠外径伸张,相应使断面宽增大。,d.帘线伸长率越大则值越大。 例如尼龙帘线初始模量小,延伸率大,断面变形随之增大。 e.轮胎安装在不同宽度轮辋上,其值也不相同。 装在非设计的轮辋上,一般规格是轮辋宽度每增加或减小lcm时,充气断面宽度增加
15、或减小0.4cm。 f.轮胎结构不同值不相同。 子午线结构的轮胎值低于斜交轮胎,H/ Bl的纤维子午线轮胎,取值范围为1.031.04;H/B1的纤维子午线轮胎,值约为1.02。,外直径和断面高的确定 模型外直径D根据轮胎充气外直径D和充气外直径变化比值而定。轮胎是在充气条件下使用,其充气后外直径伸张或收缩,用D/D值表示,用下式求模型外直径D值。,一般H/Bl的人造丝斜交轮胎,D/Dl,约为0.9900,999;尼龙斜交轮胎则不同,其H/B值无论是大于或小于1,充气外直径均增大,一般约增加0.12.5%。 模型断面高H根据轮胎外直径D和着合直径d计算求得。,外胎的与H/B、W1/B的关系见表
16、2-1所列。,表2-1不同高宽比(H/B)轮胎的膨胀率(,),注:R为人造丝帘线,N为尼龙帘线,(2)胎冠部位尺寸的确定 行驶面宽度b和弧度高h的确定 行驶面宽度b和弧度高h是决定胎冠形状的主要参数,设计不当直接影响轮胎的耐磨性能、牵引性能、附着性能及滚动阻力。 b值确定应根据轮胎断面宽,用b/B值控制其一定范围。 b值过大即行驶面过宽时,胎肩增厚,生热量过高,散热困难,以致造成胎肩、胎冠脱层而早期损坏,影响轮胎的使用寿命,b值过小即行驶面过窄,胎面与路面接触面积小;平均单位压力增大,极易早期磨损。 一般设计行驶面宽度b值,以不超过下胎侧弧度曲线与轮辋曲线交点的间距为准。 b、h值确定应根据轮
17、胎断面高,用h/H值控制其二者范围。h值过大即胎冠曲率过大,胎面与路面接触面积小,耐磨性能差;b值过小时,虽然耐磨性能和附着性能得以提高,但胎肩过厚,影响散热。 一般要求轮胎b值在95%B以上,因此必须同时考虑h值,相互调整,达到最佳配合。,一般轮胎b/B值小则h/H值宜选小值;b/B值大则h/H可选大值,应视轮胎类型、胎面花纹、使用要求而定,不同类型轮胎的b/B,和b/H取值范围见表2-2所列。,表2-2 不同类型轮胎b/B和h/H取值范围,胎冠弧度半径 胎冠断面形状有正弧形、反孤形或双胎面形状。 a.正弧形 胎冠弧度可用13个正弧度进行设计,其弧度半径Rn根据行驶面宽度b和弧度高h计算,计
18、算公式为:,式中 行驶面弧度的夹角; 0.01745常数,即为/180; Rn胎冠弧度半径,mm La行驶面弧长,mm。 正弧形胎冠断面形状见图2-2所示。,普通花纹的载重轮胎,弧度高较小,行驶面较窄,比较平直,宜采用一个弧度半径Rn或由Rn和Rn两个弧度设计的胎冠,如图2-2(a), Rn值一般为Rn的2540%。 混合花纹和越野花纹的载重轮胎,行驶面较宽,弧度高较大,有时也采用两个弧度设计胎冠,这样可制得中部平直、两侧肩部呈圆形的胎冠,利于减薄胎肩。另一种方法是设计两个弧度高h和h,其中hh ,用弧度高h求算Rn值,计算公式为:,再用Rn通过弧度高h点与Rn的弧相切,形成中部平直两侧略弯的
19、胎冠形状,如图2-2(b)所示。其行驶面弧度为:,一般轮胎行驶面很少采用3个弧度半径组成的设计方法。,反弧形胎冠的轮胎不但接地面积大,同时可提高胎面使用寿命,多用于高速轿车轮胎和飞机轮胎,由于轮胎高速行驶中,受内压和离心力作用,外直径增大,此时胎冠形状将由反弧形变成正弧形胎面:反弧形胎冠中部凹人量不宜过大,高速轿车轮胎约为0.130.25mm。,b.反弧形胎冠弧度 胎冠中部凹下呈反弧状,见图2-3所示,此种行驶面弧度高h值很小,以致出现负值。,一般宽断面轮胎可采用此种设计方法,双行驶面轮胎的径向和侧向刚性较大,侧向刚性增大利于改善车辆的操纵性和稳定性;双行驶面轮胎周向刚性较小,则有利于减轻车辆
20、传动系统的负荷条件。,c.双行驶面胎冠 采用两个相等半径的弧度相连,如图2-4所示。,(3)胎侧部位尺寸的确定 断面水平轴位置的确定 断面水平轴位于轮胎断面最宽处,是轮胎在负荷下法向变形最大的位置,用H1/H2值表示,一般H1/H2值在0.800.95,据材料分布图内轮廓曲线确定。 H1/H2取值过小即断面水平线位置偏低,接近下胎侧,使用过程中,应力、应变较集中,易造成胎侧子口折断; H1/H2值过大则断面水平轴位置较高,应力和应变集中于胎肩部位,容易造成肩空或肩裂。,H1和H2值可通过H1/H2值计算求得。 计算式为:, 胎侧孤度半径R1、R2、R3的确定 胎侧弧度可用1个或2个不同半径的弧
21、度绘制,其弧度半径用计算方法求得,也可采用绘制法直接测量。 胎侧弧度分为上胎侧弧度和下胎侧弧度,以断断面水平轴为界线,一般上断面高,均大于下断面高,受W1/B比值的影响,轮胎侧部轮廓难以用一个弧度完成。W1/B值较大或值较小的轮胎,下胎侧弧度半经R2应大于上胎侧弧度半径R1,而R1和R2的圆心均设在断面水平轴上。,a.上胎侧弧度半径计算公式为:,图2-5 上胎侧弧度半径R1计算示意图,式中: L胎肩切线长度(L在轮胎断面中心轴的投影长度约为H2的50%,见图2-5所示),mm。 将 代入上式即可计算出R1,b下胎侧弧度半径的确定 可用绘图直接测出和计算求得。绘图法在断面水平轴上取圆心点,以为下
22、胎侧弧度半径,通过水平轴上断面宽位置作弧,要求相交于轮辋轮缘曲线外侧的2/31/4处。计算法通过下式计算出值,见下图所示。,式中: HR 轮辋轮缘高度,mm; a下胎侧弧度曲线与轮缘曲线交点至轮 辋轮缘垂线间距离( ),mm; A 轮辋轮缘宽度,mm; W1轮辋宽度,mm; B轮胎断面宽度,mm H1轮胎下断面高,mm;,c.下胎侧自由半径 R3 是用以连接上胎侧弧度半径R2和胎圈轮廓半径R4弧之间的自由半径,R3与R2 、 R4弧彼此相切,使下胎侧至胎圈部位形成均匀圆滑的曲线。一般R3约为R2的2540%,取1750mm,应视轮胎规格及胎侧轮廓曲线而定, R3值宜小,便于增加下胎侧至胎圈过渡
23、位置的厚度,加强胎圈强度。, 胎肩轮廓的确定 可根据轮胎类型、结构的不同,胎肩部有切线形,阶梯形、反弧形和圆形等设计方法,见图所示。,图27 胎肩断面轮廓图,(a)阶梯形胎肩,(b)反弧形胎肩,(c)圆形胎肩,a.切线形胎肩 是用直线与胎侧弧度半径R1弧相切而成,是广泛应用的一种胎肩设计方法。 b.阶梯形胎肩 是在切线形胎肩绘制的基础上,将切线分为几个阶梯级,这种设计可增加胎肩部的支撑性能,是中型载重斜交轮胎常用的一种胎肩设计方法,见图2-7(a)所示。,c.反弧形胎肩 用反弧替代胎肩切线如图2-7(b)所示。反弧长度在断面中心轴上的投影长度等于H2的30%,是载重子午线轮胎常用的一种胎肩设计
24、方法。 d.圆形胎肩 是在胎冠弧与胎肩切线交接处,用一小弧度相连成圆滑弧形,如图2-7(c)所示,高速轿车轮胎常用此法设计胎肩,连接弧半径约为1545mm,载重轮胎连接弧半径较小,约为58mm。,(4)胎圈部位尺寸的确定 胎圈必须与轮辋紧密配合,使轮胎牢固地安装在轮辋上,因此胎圈轮廓应根据轮辋轮缘和圈座尺寸进行设计,包括两胎之间距离、胎圈着合直径、胎圈轮廓各部位弧度半径等。 两胎圈之间距离 又称胎圈着合宽度C,此宽度根据设计轮辋宽度W1而定,一般胎圈着合宽度等于设计轮辋宽度W1,有时C可略小于W1,利于改善轮胎的耐磨性能和增大胎侧刚性,但减少的数值不宜过大,以1525mm为宜。,胎圈着合直经d
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