第八章 胎圈结构设计与钢丝圈应力计算

倍耐力公司为提高子午胎的胎侧刚性，改进稳定 性（特别是高速稳定性），提出了新型胎圈设计 方案。
主要改进措施：加强层由两层纤维（尼龙或人造 丝）帘布和一层钢丝帘布组成。两层纤维帘布的 帘线角度均为68º，钢丝帘布层其角度约65º。 钢丝层往胎侧上方延伸的高度，约为轮胎断面高 的35%；而纤维层内外层上端延伸高度。分别 比钢丝层低约10～20mm。
一、钢丝圈断面形状
为适应载重子午线轮胎胎圈结构的需要，钢丝圈断面形状比较多 样，例如有圆形、六角形、椭圆形、矩形（平行四边形）、宝塔形、 U形和方形等，后两种形状用于轿车子午线轮胎为多。
1.圆形断面
钢丝圈为圆形断面强度高、排列紧密，可使胎圈设计宽度减小，从 而使胎圈与胎侧的过渡平稳，因子午线轮胎的胎侧较薄，若胎圈宽 度很宽，则下胎侧的轮廓就不易平滑地接连过渡。另外，圆断面钢 丝圈在成型过程中便于钢丝圈的转动。钢丝圈结构排列见图8-11所 示。中间钢丝芯直径较粗约为φ2～3mm，外面缠绕钢丝直径可取 φlmm，然后根据钢丝圈强度应力计算的根数分为几层进行缠绕编织 而成。由于圆断面钢丝圈加工制造困难，生产效率低，故许多厂家 不采用此种结构，但法国米其林公司的载重子午线轮胎仍采用圆断 面钢丝圈。
8-14所示。在外层钢丝钢丝圈芯矩形钢丝圈中单丝短边为径向，排列组合后的四 个角最好成圆角。此种形式钢丝圈使相邻钢丝之间的力传递均衡。由于相邻钢丝 之间的空隙小，减少滑移提高胎圈强度，改善胎圈的稳定性。矩形钢丝圈断面小， 有利于在结构设计上安排胎圈部位的材料布置，提高设计精度，改善胎圈的耐磨 性和耐撕裂性。 采用矩形钢丝制造斜底15°矩形钢丝圈时，不需在矩形单根钢丝的外表面覆胶， 而是直接用光面矩形钢丝多层、多股紧密缠绕，用薄片钢带捆扎制成钢丝圈，例 如11R22.5的钢丝圈排列为5层，每层8根钢丝，其断面见图8-15所示。钢丝规格 为2mm×1.3mm。制成的胎坯经硫化后，该钢丝圈就被一圈邵尔A型硬度大于90。 的胶料牢牢地固定住。在轮胎行驶过程中，由于钢丝圈各层钢丝之间没有可被挤 压变形的胶料，而且各层钢丝之间是平面接触，钢丝层与层、根与根之间根本不 可能错位，因此，各层钢丝会同时进入受力状态，这样胎圈对轮辋的箍紧力就相 当稳定，不仅能可靠地传递汽车功率，极大限度地减小胎圈部位的疲劳应力，而 且又保证了胎圈与轮辋之间良好的气密性，其安全可靠性对无内胎全钢载重子午 线轮胎而言是圆断面钢丝制成的斜底15°扁六角形钢丝圈所无法比拟的。
要用于无内胎载重子午线轮胎，
常用钢丝规格直径为φ1.3～ 1.6mm。
图8-12 六角形钢丝圈断面 (a)有内胎钢丝圈（正六角形）；(b)
无内胎斜底15。钢丝圈（扁六角形）
(a)正六角形 (b)扁六角形 图8-12 六角形钢丝圈断面
(a)有内胎钢丝圈（正六角形）；(b)无内胎斜底15。钢丝圈（扁六角形）
子午线轮胎
第八部分 胎圈结构设计与钢丝圈应力计算
胎圈部位必须加强
子午胎胎体帘线呈径向排列，胎体帘布层数少，胎 侧柔软，胎圈刚性不足，受力又大，轮胎行驶时， 稳定性较差。
胎圈与柔软的胎侧之间适宜的刚性过渡
怎样使增强的胎圈与柔软的胎侧之间有一个适宜的 刚性过渡，防止产生应力集中，引起胎圈脱层、断 裂或折断等其他类型的损坏，并改善轮胎的行驶性 能。
➢ 第一节 胎圈结构 ➢ 1子午胎的胎圈部件要多，也比较复杂。
➢ 2应用大而硬的三角胶芯，还要刚性较高的加 强层。
➢ 3常采用钢丝帘布、尼龙等纤维帘布，同时需 用不同形状的填充胶来使刚性的胎圈逐步过渡 到柔软的胎侧。
➢ 4子口护胶：防止胎圈磨损，在与轮辋接触的 胎圈部位增贴一层耐磨性好的子口护胶，也可 采用既耐磨又气密性好的无纺挂胶布层。
钢丝加强层高度一般 要比轮辋的轮缘约高 l0mm以上。
图8-1外侧单层钢丝加强层胎圈结构 1-胎体帘布层；2一软三角胶； 3-硬三角胶；4-钢丝圈； 5-加强层；6-子口护胶
2.单层钢丝加强层贴在内外两侧结构
这种结构可提高胎圈刚性，胎圈结构的 材料布置比较均匀对称，适用于一次或 二次法成型工艺。
图8-6 钢丝-尼龙加强层胎圈结构 1-胎体帘布层；2-尼龙加强层； 3-钢丝加强层；4-钢丝圈； 5-子口护胶；6-硬三角胶； 7-软三角胶；8-端部包胶
让钢丝加强层的上端低于胎体帘布 层的反包高度，而两层尼龙加强层 延伸至下胎侧，使刚性高的胎圈与 柔软的胎侧逐步平稳地过渡。此胎 圈结构比较适用于全钢丝载重子午 线轮胎。
四、无内胎钢丝载重子午胎胎圈结构
胎圈中的三角胶芯由两种硬度的胶料组成， 接近钢丝圈部分为硬胶(邵氏A硬度85～95)， 并向胎侧上方延伸高度至少等于轮胎断面高 的1/4，以增强轮胎在使用中的抗侧向力性能。 软胶芯（邵氏A硬度55～65）的起始位置与 硬胶芯相同，也在与钢丝圈相近的上方，但 上端延伸高度超过硬胶芯，软胶芯的作用是 将帘布层和硬胶芯隔开。从而大大减少胎圈 区内部脱层的可能性。
第二节 钢丝圈断面形状及钢丝性能
由于子午线轮胎的胎圈应力大于斜交轮胎，所以不应像斜交轮胎 那样使用简单整排挤出缠成的钢丝圈，而需采用单根缠绕改变钢丝 圈断面形状，增加单根钢丝的直径和强度以及改变单根钢丝断面的 形状（如矩形）等措施来保证胎圈的强度。以下分钢丝圈断面形状 和单根钢丝的性能和形状来介绍。
；19-由人造丝两层20、21和钢丝帘布层22组成的加强层；23-帘布包边；24低硬度胶件；25高硬度胶件
加强层放置于两个高硬度（邵氏80～90）橡 胶部件之间，具有两个优点：
第一，从下胎侧区至胎侧较高区，刚性变化平 缓；
第二，高硬度胶件能使加强层上端受力减少， 此外，还可降低具有不同定伸强力部件之间相 互滑移，防止这些部件之间可能发生脱层的危 险。
层为一窄条，放置于胎圈 内侧不包住钢丝圈。另外， 胎圈结构设计参数也不同。
其中，H1=0.60H．H2=0.52H，
a=0.36H，l=0.80L。第1层加
强层帘线角向右成50°,第2层
加强层帘线角向左成60°。
表8-1 对比不同方案的胎圈耐久性
方案
对比方案 发明专利1方案 发明专利2方案 发明专利3方案
这使加强层最上端不包含钢丝和纤维帘布相互交 叉层，可以避免使下胎侧区和胎侧较高区之间的 刚性不致发生突然变化。
加强层的放置方法有两种：
一种是每个加强层都从内侧到外侧包 住钢丝圈，并由下胎侧区延伸出去， 直到胎体帘布层反包端部之上，但钢 丝层只包到钢丝圈为止，见图8-7 (a)。
另一种是从胎侧的外侧到包住钢丝圈 为止，而钢丝层只到钢丝圈为止，见 图8-7(b)。
丝圈；4-外包布；5-钢丝加强层; 6-三角胶芯；7-子口护胶
这种小钢圈是以单根钢丝为芯，用 钢丝帘布斜交折叠包合而成。该增 强型钢圈有二个作用：
一是对胎圈起固定作用；
二是能提高整个胎圈的刚性和抗屈 挠性能，从而增强子午线轮胎的纵 向和侧向稳定性能。
据介绍，抗屈挠能力可以提高25% 左右。
钢丝加强层5的上端比轮辋凸缘高度约 高35mm，其帘线角度为30°。
子口护胶6（胶片硬度约为邵氏A90)的 上端比加强层5的高度约高15mm。三角 胶芯软胶8的上端可延伸至胎侧达 l00mm左右；硬胶9上端点超过加强层5 的高度约20mm，因而能降低加强层所 承受的应力。
图8-9无内胎钢丝载重子 午胎胎圈结构 1-胎体帘布层； 2-钢丝圈； 3-帘布反包； 4-轮辋； 5-钢丝加强层； 6-子口护胶； 7-由软胶8和硬胶9组成的 三角胶芯
图8-11 圆形钢丝圈断面
图8-11 圆形钢丝圈断面
2．六角形断面
目前载重子午胎中广泛使用的
胎圈结构，优点是强度高，工
艺制造方便，生产效率高，特
别是对无内胎轮胎可保证胎圈
底部接触面与轮辋曲线良好的
配合。六角形断面可分为正六
角形，用于有内胎载重子午线
轮胎，扁六角形底面还带有
15°斜度的六角形钢丝圈，主
图8-7(a)尼龙-钢丝加强层胎圈结构
图8-7(b)人造丝-钢丝加强层胎圈结构
1-单层尼龙帘布层；9-钢丝圈；3-帘层反包；4-三角胶芯；5-由尼龙帘布6、7及钢丝帘布8组成的加强层；9-钢丝帘布层下
端点；10-高硬度胶件；11-低硬度胶件；12-高硬度胶件 15-单层尼龙帘布层；16-钢丝圈；17-帘布层反包；18-三角胶芯
图8-14 不同单丝断面形状组成的钢丝圈 图8-15斜底15°矩形钢丝圈断面
三、半钢载重子午线轮胎胎 圈结构
由多层纤维（一般4～7层） 帘布层组成的半钢载重子午 线轮胎，其胎圈结构如胎体 帘布为5层以上可采用双方形 钢丝圈足以保持胎圈的稳定 性和抗屈挠疲劳性能。胎圈 结构的主要特点是在外钢丝 圈与子口护胶之间增加一个 特制的加强型小钢圈。
图8-8半钢载重子午线轮胎胎圈结构 1-胎体帘布层；2帘布层反包差级，3钢
胎圈耐久性（指数表示）/%
100 138 165 145
与对比方案进行胎圈耐久性试验，其试验结果发 明轮胎与对比轮胎相比，胎圈耐久性提高38%～ 65%。
二、钢丝-尼龙加强 层结构
避免下胎侧与胎侧 中部之间刚性过渡 不发生突然变化， 同时不使钢丝加强 层的上端进入较高 的下胎侧区内以免 产生脱层。
为了提高钢丝载重子午胎胎圈刚性并防 止胎圈脱层，又提出对胎圈结构进一步 改进的方案，其主要特点是胎体帘布层 反包外侧的两层钢丝加强层5之间加有填 充胶条7，使两层钢丝加强层隔开，以防 层间内摩擦和类似的损伤，但工艺操作 上要比前两种结构复杂困难。
图8-2 内外两侧单层钢丝加强层胎圈结构 1-胎体帘布层；2软三角胶；3-硬三角胶；4-钢丝圈；
H-胎圈基准线O到轮胎最大断面之 间的距离；
L表示第1层加强层的长度；
l表示第1、2层加强层间的重叠长 度；
10表示第1层加强层；
20表示第2层加强层；
K1表示内侧胎体； K2表示外侧（反包）胎体层； S表示胶料；