高分子材料专业毕业设计轮胎结构设计说明

1引言：轮胎在各种车辆或机械上装配的接地滚动的圆环形弹性橡胶制品通常安装在金属轮辋上，能支承车身，缓冲外界冲击，实现与路面的接触并保证车辆的行驶性能。

轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用，它在行驶时承受着各种变形、负荷、力以及高低温作用，因此必须具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能。

同时，还要求具备高耐磨性和耐屈挠性，以及低的滚动阻力与生热性。

随着社会的发展，人们对轮胎的需求和要求逐步提高。

我运用CAD绘图软件设计11.00R20全钢载重子午线轮胎，通过课题设计，了解和掌握轮胎设计特别是全钢载重子午线轮胎的设计方法、设计流程及各部位尺寸的确定与计算，为今后的工作打下牢固的基础。

2设计前的准备
2.1轮胎基本参数的确定
轮胎结构设计的第一步是确定所设计的轮胎的规格，再根据其用途确定其荷载能力。

11.00R20—16PR这种规格轮胎在国标中和TRA及ETRTO中均有16层级的设计标准。

其参数的选取参照国标选取。

轮胎外轮廓设计依据“薄膜-网络”理论及“自然平衡轮廓曲线”来设计，而负荷能力则根据同规格TRA的要求来进行设计。

下面给出国标（GB 3487-89）中5°平底宽轮辋的参数图和各标准中11.00R20型号轮胎轮廓的基本参数表[4-7]。

图4-1 5°平底轮辋基本参数
Figure 4 -1 5 ° Flatbed wheels basic parameters
表4-1各标准相关参数
Table 4-1 The standards-related parameters
2.2轮胎负荷能力的计算
11.00R20—16PR 为非制载重子午线轮胎，根据美国TRA 工程手册载重汽车轮胎篇中
推荐的计算公式，单胎负荷计算公式为：
Q=K×0.425×（P-15）0.585×B 0.6251.39×（d r +B 0.625） （4-1）
当用公制计算时需乘以公制换算系数0.231，此时
Q=K×0.231×0.425×（P-15）0.585×B 0.6251.39×（d r +B 0.625） （4-2）
式中：Q ——负荷， kg ；
K ——负荷系数。

依据TRA-2006：取 K=1.30
P ——充气压，kgf/cm 2； 依据TRA-2006：11.00R20—16PR 的单胎最大充
气压力为 ：810（kPa ）=8.1kgf/cm 2
d r ——轮辋直径， cm ； 11.00R20—16PR 规格轮胎的
d r =20×2.54=50.8（cm ）
B 0.625——在62.5%轮辋上的断面宽度，cm 。

3
.141'/sin 180'B 10.625）（B C B R --⨯= （4-3） 式中： C R ——设计轮辋宽度 cm ；由图1-1可知C=20.3（cm ） ；
B '——设计轮辋上的轮胎断面宽度 （充气断面宽） cm ； 依据GB 9744-88：取B=29.3（cm ） ；
cm 23.283
.1413.29/3.20sin 1803.29B 10.625
=-⨯=-）（则： 即负荷能力：
Q=K×0.231×0.425×（P-15）0.585×B 0.6251.39×（d r +B 0.625） 规格 标准轮辋 负荷指数 相应气压kPa 最大负荷kg 充气外缘尺寸
mm
标准 双胎 单胎 外直径 断面宽
11.00R20—16PR 8.0 149/145 810/770 2870 3270 1085
293 GB9744-88 11.00R20—16PR 8.0 149/146 790 2960 3240 1085
293 TRA —2006 11.00R20
—16PR 8.0 150/146 790 3000
3350 1082 286 ETRTO
—2001
=1.30×0.231×0.425×（8.1-15×0.07032）0.058×28.231.39×（50.8+28.23）
=3282.78kg
单胎负荷：3282.78kg 大于GB 标准3270kg ，满足要求。

双胎负荷：为单胎负荷的91%（单胎负荷为2180kg 以上）。

即：3282.78×0.91=2987.33kg [1]。

3 子午线轮胎外轮廓断面形状设计
3.1外直径D 与断面宽B 的确定
由于子午线轮胎胎冠部有周向不易伸张的带束层箍紧着胎体的特点，所以充气后轮胎的外直径膨胀率要比斜交胎小得多。

一般充气后外直径变化甚小，大致增加1-2mm ，有时不膨大还略减小。

因此模型断面轮廓外直径的取值可与标准规定的新胎外直径相等或稍小一点。

则： D '=1085mm D '/D=1 D=1085mm
B '=293mm B '/B=1.01 B=290.1≈290mm
3.2胎圈着合直径d 的确定
为满足轮胎与轮辋紧密的着合及拆装方便的需要,GB 中8.00in 轮辋的标定直径为20in(508mm)，取轮胎着合直径为:d=508mm
3.3断面高H 与断面水平轴H 1和H 2的确定
由公式：
mm d D H 5.288250810852)(=-=-= （4-4）
子午线轮胎断面最宽点半径的位置要比斜交轮胎的高，希望能使轮胎的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胎的大，容易造成子口破裂，故断面最宽点半径要取得高一些来减轻所承受的力。

一般选取H 1/H 2＞1，载重子午线轮胎最高去值可达 1.4。

本规格根据2005年各公司轮胎的测量值取H 1/H 2=1.1。

则：H 2=H/2.1=288.5/2.1=137.38≈137.5mm
H 1=H －H 2=288.5－137.5=151mm
3.4断面最宽点半径m r 的确定
轮胎断面最宽点为轮胎变形量最大的点，其值的大小直接影响轮胎的使用。

其计算公式为：
mm H R r m 5.3911515.5422=-=-= （4-5）
mm D R 5.5422/10852/===轮胎外半径—式中：
3.5胎圈着合宽度C 的确定
近20年来子午线轮胎朝着扁平化方向发展，扁平比由80系列逐步降低到20系列。

低断面子午线胎的断面高很矮，导致胎侧刚性的增大，为了提高胎侧的柔软性，将子口宽度C 设计超过轮辋宽度C R 。

当安装在比子口宽度窄的轮辋上，充气后使胎侧弯曲并易变形，从而降低了过高的刚性，恢复其胎侧应有的弹性，因此改善了轮胎的乘坐舒适性。

子口宽度C 的选取可参考轮辋宽度与断面的比值和子口宽度与轮辋宽度之间的差值来确定，但其差值一般不宜太大，约0.5in （12.7mm ）左右，不超过1.0in （25.4mm ）。

标准轮辋宽度为8.0in ，本设计值取8.5in （215.9mm ）。

取整数为C=216mm 。

3.6行驶面宽度b 与弧度高h 和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。

行驶面弧度半径R 1的确定是直接与行驶面宽度（b ）和行驶面弧度高（h ）有关。

为确定b 和h 两个参数应考虑带束层宽度（B W ）与行驶面宽度、行驶面弧度高和断面高、行驶面宽度和断面宽度之比值及胎体帘线类型等方面的影响因素。

行驶面弧度高（h ）与断面高（H ）之比值，为保证轮胎与路面在行驶面宽度范围内有最大的接地面积，一般h/H 取0.03～0.05为宜。

行驶面宽（b ）与断面宽（B ）之比值，对70、80系列及其以上规格轮胎的b/B 一般取0.7～0.85为宜。

根据2005佳通对各轮胎厂的测量值选取：
b/B=0.73 B=290mm 则b=290×0.73=211.7≈212mm
h/H=0.035 H=288.5mm 则h=288.5×0.035=10.1≈10.0mm
h '=0.6h=0.6×10.0=6.0mm （根据作图当h '=0.6h 时，R n 和R n '的切点位置较合适）
3.7外轮廓弧度的计算
3.7.1胎冠弧R n 及R n '的确定
11.00R20规格轮胎行驶面b 较宽，用一段弧则行驶面太尖，接地面小，耐磨性差，而且会使带束层弯曲。

所以适合用两个弧度半径R n 和R n '。

mm h b R n 33.9392
6.0106.01082122'h '822=⨯+⨯⨯=+= （4-6） R n '一般为25～40%R n ，根据确定：
R n '=0.30×R n =0.30×939.33=281.80mm
3.7.2胎侧上弧半径R 1的确定
b B L b B h H R ---+-=2
222141）（）（ （4-7）
L ——胎肩切线长度H 2/2=137.5/2=68.75mm
mm R 32.167212
29075.6821229041105.1372
221=---+-=）（）（即： 上胎侧与胎面连接用半径为150mm 的反弧连接，这样可以减少胎肩厚度，有利散热，节省胶料。

3.7.3胎侧下弧半径R 2的确定
a
C B H H a C B R C 22412122---+--=）
（）（ （4-8） 式中： a ——下胎侧弧度曲线与轮缘曲线交点至轮缘曲线起点间的距离，一般a 等于轮辋
轮缘宽度的2/3～3/4。

由相关设计取a=0.7×23.5=16.45mm
H C ——轮辋轮缘高度（a 点对应的高度），由测量得H C =39.0mm
即： 45.1622162903915145.1622162904
1222⨯---+⨯--=）（）（R
=345.47mm
3.7.4胎圈曲线弧半径R 4、R 5的选取
胎圈曲线弧度设计，根据轮辋边缘曲线设计要求，胎踵曲线半径R 4小于轮辋相应部位半径(21.5mm) R 4取21mm
R 5大于轮辋相应部位半径(8mm) R 5取9mm
3.7.5下胎侧自由半径R 3的选取
R2和胎圈轮廓半径R 4用R 3连接，一般R 3约为R 2的25～40%。

R 3易取小，便于增加下胎侧至胎圈过度位置的厚度，即增加子口胶的厚度，防止子口破裂问题。

所以取
R3=0.25×R2=0.3×345.47≈86mm
4 子午线轮胎花纹设计
4.1轮胎花纹的基本功能
①传递牵引力、制动力和转向力的功能；
②安全行驶功能好，特别是耐湿滑和抗侧滑性，并提供足够的附着力和确保汽车的操
纵稳定性；
③保证轮胎的里程寿命。

4.2轮胎胎面花纹的要求
①保证与路面有优良的附着性能（纵向和横向滑移小），特别在高速下行驶，抗湿滑和
侧滑性能好确保行车安全；
②耐磨性能好且耐磨耗均匀，花纹不易崩花掉块、不易裂口、耐刺扎性能好；
③滚动阻力小，花纹生热低，散热性好；
④震动小，花纹块要保持连续性；
⑤花纹沟自洁性好，不夹石子，泥沙易清除；
⑥还要做到低噪声、美观。

4.3花纹设计注意事项
①花纹块面积与行驶面总面积之间成一定的比例，一般花纹块为行驶面积的60～
80%，载重胎为70～80%；
②花纹块大小配合要均匀，不易相差太大；
③花纹块的构型要避免锐角，一般采用超过90°的钝角；
④花纹块角度不应与帘线角度重合，一般至少要大3°；
⑤合理选择花纹沟宽度与深度之比。

4.4胎面花纹设计
11.00R20载重子午胎要适用高速公路和普通路面的使用，根据市场情况主要采用四条或三条纵向曲折花纹，本设计为三条纵向曲折混合花纹。

根据相关手册，装配平底轮辋的轮胎设计花纹深度，11.00R20为13.5～18.0mm。

本规格设计花纹沟深16.5mm，宽12mm。

具体花纹设计见设计图。

5子午线轮胎带束层的设计
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，并承受大部分的应力.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。

5.1带束层的结构设计
带束层结构主要是指它的帘布层数，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。

5.1.1带束层的层数与结构
本规格采用意大利倍耐力公司的0°带束层结构，如下图：
图4-2 0°带束层结构示意图
Figure 4-2 0 °Steel belt structure Map
第1、2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。

第3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。

0°带束层有两层沿周向排列重叠缠两圈而组成的环状增强带束条。

其主要作用是减小带束层边部的变形，提高子午线轮胎的胎肩刚性，减少变形生热，保护带束层免受由应力应变作用产生的疲劳损坏和热破坏。

保证在高速行驶时具有稳定的尺寸，提高胎面稳定性、减少不均匀磨耗。

与普通结构带束层子午线轮胎相比，有以下性能方面的改善：a.降低滚动阻力，节省燃料，约节油5%；b.降低生热，轮胎耐久安全，有更好的高速性能；c.胎面稳定，减少变形滑移，不易产生偏磨，提高行驶里程约20%，翻新率高；d.提高轮胎的侧向刚性（转弯刚性），提高路面抓着性能，改善车辆的操纵稳定性和转向性能。

5.1.2带束层的角度与密度
带束工作层帘线角度的取值，既要考虑到带束层对胎体的箍紧作用，又要照顾到便于加工。

对于子午线轮胎耐磨性来说，带束工作层帘线的最宜角度为15°～20°。

带束层帘线
密度要根据帘线强度和直径以及所受应力而定。

一般第1层（过渡层）的帘线密度可稀一些，只要保证与胎体有良好黏合强度，一般选用4～5根/㎝；第2、3层（工作层）的帘线密度，既要考虑确保轮胎受力强度（要求安全倍数），又要考虑帘线之间保持良好的附着力，要求含胶量的比例约占50%～60%，因此一般为5～6根/㎝，具体还需视钢丝帘线的强度和直径而定。

5.1.3带束层的宽度和长度
载重子午线轮胎的带束层宽度一般与轮胎行驶面宽度相当。

因带束层太窄会降低胎面的耐久性和稳定性，还会产生磨肩现象，而过宽又易造成带束层脱空。

取值范围一般为0.94～1.05为宜。

本设计的倍耐力带束层结构的带束层宽与着和直径相当。

每层依次与下一层的差级为10～15㎜。

带束层长度是指带束层直径，其值的大小对子午线轮胎箍紧程度有直接影响。

5.1.4带束层帘线角度的排列方向
带束层的结构排列形式对轮胎磨耗、带束层端部脱层以及轮胎行驶性能等方面都有很大影响。

如左、左、右、左（-、-、+、-）排列的轮胎均匀性中角效应（plysteer）指标为“-”值，这对右行道交通规则的安全性差，相反，如果右、右、左、右（+、+、-、+）排列则使轮胎均匀性中角效应（plysteer）指标为“+”值，这对右行交通规则就能提高安全性。

综合上述本规格带束层的结构为：
表4-2带束层钢丝帘线的相关参数
Table 4-2 Belt layer of steel cord for the relevant parameters
钢丝结构破断力
N/根
密度
根/m
角度
排列
方向
长度
m
宽度
m
半径
mm
1层（1+3）×0.22
+6×0.38HT
2262 657.8 22°+ 3.220 0.168 0.59
2层（1+3）×0.22
+6×0.38HT
2262 657.8 14°- 3.234 0.189 0.59
3层3×4×0.22HE 960 410 14°+ 3.249 0.102 0.59
0°层3×7×0.22HE 1390 945 0°6.5275
两层
0.032 0.70
第3层带束层长=3.14×[D-2×（花纹沟深+基部教厚）-挂胶帘布厚度/2] =3.14×[1085-2×（16.5+7.5+2.4/2）]
=3248.6mm
第2、1、0°层长度的算法类推。

5.2带束层应力的计算 根据美国公式：K
K K i n r p T α231cos 10⨯⨯⨯⨯= （4-9） 式中：T 1——带束层帘线应力，N/根；
P ——充气内压，kPa ； P=810kPa
K r ——胎冠点半径，m ；
K r =542.5-24-3×2.4-2.0=509.3mm=0.5093m
n ——带束层（工作层）层数； n=2
αK ——成品带束层胎冠点帘线角度（与周向夹角），（°）；
硫化后成品轮胎带束层的胎冠点帘线角度αK 的经验公式如下：
sin αK /sin α0=1-4mcos 3α0 （4-10）
α0——胎坯中半成品带束层帘线角度（裁断角），（°）；
α01=22°；α02=14°；
αK ——硫化胎中成品带束层胎冠帘线角度，（°）；
m ——半成品带束层直径（D 0）至成品带束层直径（D b ）
的膨胀率（即m=D b /D 0-1）；
D 0=1027.4mm ，D b =1039.88mm 即：m=0.012
sin αK1=（1-4×0.012×cos 322°）×sin22=0.359
sin αK2=（1-4×0.012×cos 314°）×sin14=0.231
则：αK1=21.05° ；αK2=13.36°
i K ——成品带束层胎冠点帘线密度，根/m ；
i K =i 0×D b /D 0=657.8/1.012=650根/m （4-11）
根）
（即：/18.34936.13cos 65005.21cos 6505093.0810102231N T =︒⨯+︒⨯⨯⨯= 5.3带束层安全系数K 的计算
安全系数K 值的确定是随计算公式不同而要求其值取不同，另外，还要根据轮胎类型和轮胎使用条件不同等因素，来选取安全系数K 值。

根据实际使用结果的经验表明，如果采用美国公式，对载重子午线轮胎在公路上使用情况下，一般K 值可取6倍以上。

安全系数的计算公式如下：
K=T n/T1 （4-12）式中：T n——带束层帘线破断强度，N/根；T n=2262N/根
T1——带束层帘线所受应力，N/根；T1=349.18N/根
即：K=2262/349.18=6.48倍（符合要求）
此结果是计算了两层工作层的安全系数，第3层及0°带束层也有一定的箍紧作用。

所以实际的安全系数要比计算的大，这样更能够保证轮胎的行驶安全性。

5.4带束层中橡胶部件的确定
5.4.1中间胶的确定
为了有效地调节带束层刚性，减少剪切力，提高附着力，设有中间胶放置在胎体与第1层带束层之间，也有放置在胎面胶与带束层之间，以便更好的提高胎面与带束层之间的黏合性能。

本设计为两条宽为10mm，厚为0.6mm，长分别为3212mm（第1层带束层与胎体之间）和3252mm（胎面与带束层之间）的胶条。

具体位置见设计图。

5.4.2带束层垫胶的确定
为将胎体帘布层与带束层端头隔开，是胎肩与胎侧的连接弧垫的比较平坦，是带束层能平直的放置在胎体层上面，并转移和吸收动态条件下通常集中于胎肩的应力，防止在胎侧上部与胎肩连接区出现早期破坏，带束层末端下面放置柔软低定伸、高耐疲劳的胶料作肩垫胶，从而防止胎体帘布层与带束层之间产生剪切应变。

具体尺寸如下：
图4-3带束层垫胶尺寸图
Figure4-3 Belt layer plastic pad size charts
5.4.3层间垫胶的确定
由于载重子午线轮胎带束层数多，各层的端部受力和变形较大，尤其在工作层之间受力更大，因此，在1层与2层之间放置硬度高、模量高、变形小的胶料，从而提高层间的附着力，防止带束层端部的脱层。

其厚度为0.6mm，宽度为160mm，长度为3226mm。

5.4.4带束层封口胶的确定
由于带束层边缘露出没有镀层的钢丝端头，此端头并未固定而且裁断后较锋利，加之端部受力和变形较大。

为此，带束层端部应加贴黏合性能好和耐疲劳强度高的封口胶。

表4-3带束层封口胶的相关参数
Table 4 -3 Belt-sealed plastic map of the relevant parameters
厚度mm 宽度mm 长度mm 数量第1层0.5 10 3216 2
第2层0.5 10 3221 2
第3层0.5 10 3234 2
6子午线轮胎胎体帘线的设计与计算
胎体帘线的作用是承担一定的负荷及限制轮胎的变形.载重子午线轮胎一般为一层钢丝帘线。

6.1胎体帘线的选择
本规格选用钢丝帘线做胎体。

钢丝的主要特点是耐热性和导热性极好，强度高，且强度受温度影响极小，初始模量高，伸长率极小，有利于轮胎尺寸稳定性能。

其缺点是密度大; 与橡胶粘合及耐疲劳腐蚀，化学腐蚀差；对于胎体用钢丝帘线，最重要的性能是高抗疲劳性能和高抗磨损能力。

所以一般采用高强度、小半径的钢丝，以及良好、稳定的生产工艺；而好的抗磨损能力则意味着更多地采用无外缠死、渗胶性能得到良好改善、内外层捻向一致的帘线及紧密型帘线。

本规格胎体帘线的选取参照2002年北京橡胶工业研究设计院对某公司相关型号轮胎的胎体帘线分析选取。

表4-4胎体帘线的相关参数
Table4-4 The cord matrix parameters map
帘线结构帘线破断力
（N）
直径
（mm）
帘线密度
（根/cm）
长度m 宽度m
（1×3）+9+15×0.22 2700 1.35 6.0 1596 429.5 胎体帘线长度=3.14×(D b+2×4)
=1596mm
图4-4胎体帘布层尺寸图（本图为胎体的一半） Figure4-4 Carcass ply - size map (the map half of the matrix)
6.2胎体帘线应力的计算
子午线轮胎的胎体帘线呈径向排列，即与轮胎周向成90°夹角（α）或与断面轮廓线成0°夹角（β）。

因此，帘线承受由内压引起的应力比斜交轮胎要小一些，这是为什么子午线轮胎能减少胎体层数的主要原因，这也可以从计算公式来说明。

胎冠点最大帘线应力计算公式为：
K
K m K i n r r r p t ⨯⨯⨯-⨯=2102
23max ）（ （4-13）
式中：t max ——胎体帘线最大应力，N/根； p ——充气压力，kPa ； p=810 kPa K r ——胎冠点半径，m ；
K r =542.2-24-2.4×3-2=509.3mm=0.5093m
m r ——断面最宽点半径，m ；
r m =D/2-H2=542.5-137.5=405mm=0.405m
i K ——胎冠点帘线密度，根/m ；
i K = i o ×D o /D K =600×0.5085/1.0186≈299.5（根/cm ） （4-14）
式中：i o ——帘线的原始密度，根／m ； i o =600根／m
D o ——帘线在成型贴合鼓上尚未膨胀时的直径，m ；
D o =0.5085m
D K ——胎冠点直径，m ； D K =1.0186m
n ——胎体帘布层数。

n=1
根）
（即：/2.2535
.29915093.02405.05093.081010223max
N t =⨯⨯⨯-⨯=
6.3胎体帘线安全系数的计算
安全系数的取值是与轮胎类型、速度级别以及使用条件如路面要求等有关。

载重轮胎在良好路面一般取10～12倍。

安全系数K的计算公式如下：
K=T n/t max （4-15）式中：t max——胎体帘线最大应力，N/根；t max=253.2N/根
T n——胎体帘线破断力，N/根；T n=2700 N/根
即：K=2700/253.2=10.66倍( 符合要求)
6.4内衬层的确定
本设计为有内胎轮胎，所以内衬层为一层。

由于子午线轮胎胎体为一次钢丝帘线，胎体强度较低，所以内衬层较厚，本设计取3.5mm。

表4-5内衬层相关参数
Table 4-5 Lining layer of the relevant parameters
层数厚度/mm 宽度/mm 长度/mm
一层 3.5 768 1586
图4-5内衬层尺寸图（本图为内衬层的一半）
Figure 4-5 Lining size map layer (layer lining the map half)
7子午线轮胎胎圈的设计与计算
子午线轮胎的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，受力过大，轮胎行驶时，稳定性差。

因此，胎圈部位必须加强，但在加强的同时，又须考虑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。

7.1胎圈结构的确定
子午线轮胎的胎圈结构比斜交轮胎的部件要多的多，也比较复杂。

为了保证胎圈的刚性，除应力用大而硬的三角胶芯外，还需要刚性较高的加强层，一般采用钢丝帘布、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度到柔软的胎侧。

为防止胎圈磨损，一般在与轮辋接触的胎圈部位增贴一层耐磨性好的子口护胶。

本规格为有内胎轮胎，其结构如下：
1—内衬层
1-lining layer
2—钢丝帘布层
2-layer steel cord
3—软三角胶
3- Soft filler strip
4—硬三角胶
4- Hard filler strip
5—钢丝圈
5-Bead wire
6—胎侧胶
6-tire sidewall
7—子口护胶
7-retaining plastic bead
8—加强层
8-enhancing layer
图4-6 胎圈结构图
Figure 4-6 Bead chart
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，适用于一次或两次法成型工艺。

7.2钢丝圈断面形状及钢丝性能的确定
为了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、宝塔形、U形和方形等。

目前载重子午线轮胎中广泛使用六角形钢丝圈，其优点是强度高，工艺制造方便，生产效率高。

有内胎载重子午线轮胎用正六角
形断面钢丝圈，其结构如下图：
图4-7钢丝圈断面结构
Figure 4-7 Bead section structure
表4-6钢丝圈钢丝的参数
Table 4-6 Bead wire the parameters
钢丝圈结构单根钢丝直
径/mm
单根钢丝破
断力/N
单根钢丝破
断伸长率
/%
单根钢丝挂
胶直径/mm
钢丝圈根数
/根
5-6-7-8-9-8-7-6-5 1.65 3822 5.0 2.0 61
钢丝圈外包附一层厚1.0mm的纤维帘布加以固定。

7.3钢丝圈应力的计算
子午线轮胎胎体帘线呈径向排列，受内压作用时胎体帘线对钢丝圈的拉力较大。

另外，钢丝圈应力除充气压力作用外，有时还与胎圈和轮辋的配合密切有关。

如有内胎轮胎的平底或5°斜底式轮辋与胎圈配合情况，计算钢丝圈应力，只需考虑充气内压的作用力。

而无内胎轮胎用深槽式轮辋，计算钢丝圈应力，除考虑充气内压作用力之外，还须附加计算轮胎胎圈对轮辋的过盈力。

本规格为有内胎轮胎所以计算时只需考虑充气内压的作用力。

计
算公式如下：
K r r p T m K ⨯-⨯=2
102
230）
（ （4-16）
式中：p ——充气压力，kPa ； p =810 kPa K r ——胎冠点半径，m ； K r =0.5093m m r ——断面最宽点半径，m ； m r =0.405m K ——校正系数，（对于子午线轮胎 K=0.95）。

95.02
405.05093.0810102230⨯-⨯⨯=）（即：T
=36690.33N
7.4钢丝圈安全系数的计算与取值
安全系数k 的计算公式为：b
n T n t k 1
⨯=
（4-17） 式中： n t ——胎圈钢丝破断力，N/根； n t =3822 N/根
1n ——胎圈中的钢丝根数，根； 1n =61根
b T ——钢丝圈总应力，N 。

b T =36690.3N
本规格轮胎为有内胎，钢丝圈应力不用考虑胎圈对轮辋的过盈力，仅由内压引起。

所以其安全系数k 值为5～7倍。

即： 倍35.63.36690613822=⨯=k （符合要求）
7.5胎圈加强层的设计
子午线轮胎的胎圈结构比斜交胎的部件复杂的多，为了保证胎圈的刚性，除用大而硬的三角胶芯外，还需刚性较高的加强层，有的靠在胎圈外侧，也有的靠在内侧或内外侧都有加强层。

本设计为重型载重子午线轮胎，所以采用内外侧都有加强层，其相关参数为：
表4-7胎圈加强层的相关参数
Table 4-7 Bead strengthening layer parameters
钢丝种类角度
°
密度
根/cm
宽度
mm
长度
mm
排列
半径
mm
厚度
mm
2+2x0.25 22 8.5 115 1595 右0.6 2.0
图4-8胎圈加强层尺寸图
Figure 4-8 Strengthening bead size map layer
7.6胎圈子口护胶的设计
为了防止胎圈磨损，一般在与轮辋接触的胎圈部位增贴一层耐磨性好的子口护胶，其相关参数如下图：
图4-9胎侧胶/子口护胶尺寸图
Figure 4-9 Tire sidewall / bead size for plastic map
7.7胎圈三角胶的设计
子午线轮胎的胎圈结构比较复杂，胎圈一般较大，所以要用三角胶加以填充。

同时为了保证胎圈的刚性和胎侧的柔性，将三角胶设计为两部分：由一个硬三角胶与钢丝圈连接，然后逐渐过度变软由软三角胶和胎侧连接，这样就能很好的过度。

具体设计如下图[1-2][8-13]：
硬三角胶
软三角胶
图4-10三角胶尺寸图
Figure 4-10 Filler strip size map
8子午线轮胎内轮廓断面形状的设计与计算
本设计内轮廓的设计采用自然平衡轮廓曲线设计。

自然平衡轮廓设计方法是以经典薄膜-网络理论为基础。

该理论的假设条件为：①认为充气压力是唯一的作用力，而且应力仅仅作用于薄膜壁上；①对剪切和曲挠力均可忽略不计，当轮胎充气时，胎体所受应力是均匀分布的。

从薄膜-网络理论的静态力学平衡方程中得出充气轮胎平衡轮廓曲线的曲率半径公式为：
K
m K K K k m K K K r r r r r r r r r r r ααααρ2
2
2
2
2
2
2
1
2
222c o s c o s 2c o s s i n ）（）（））（（-----=
（4-18）
式中：ρ——轮廓任意点的曲率半径； K r ——胎冠点半径； m r ——断面最宽点半径； αK ——胎冠点帘线角度； r ——断面轮廓上任意点半径。

此公式是用于普通斜交轮胎的平衡内轮廓曲线，由于子午线轮胎的胎体帘线角度于胎冠中心线周向呈αK =90°夹角（或按断面径向呈βK =0°夹角）。

因此其曲率半径计算公式可简化为：
r
r r m
k 22
2-=ρ （4-19）
从此公式中可以看出，只需确定r k 和r m 值后，即可求得断面轮廓上任意一点的曲率半径（ρ）。

由于胎体层具有一定厚度，故应以胎体层的中线来计算平衡轮廓曲线较合理。

8.1确定相关设计参数
需要事先确定的轮胎设计参数有：轮胎外半径R=D/2=1085/2=542.5mm ；轮胎断面宽B=290mm ；子口宽度C=216mm ：子口着和直径r t =254mm ； 轮胎行驶面弧度半径ρ1=755.4mm(ρ1值大小取一段弧计算的结果，防止胎里太平)； 胎面至帘布层中线的厚度m=31.2mm ；胎侧至帘布层中线的厚度n=5.0mm ；轮辋的轮缘半径r f =293.8mm 。

8.2求出内轮廓断面上某点至车轮旋转轴的半径
从理论上来讲，平衡轮廓曲线上各点的曲率半径均不同，但在实际使用中为了便于计算和简化设计，可不必要求很多曲率半径，而只需寻求几个典型点的位置，并相应地求出该位置的曲率半径。

这些典型点为胎冠点（A ）、断面最宽点（C ）和曲率过渡节点（j ）等，见下图所示： （1）胎冠点半径
K r =R －m=542.5－31.2=511.3mm ； （4-20）
（2）断面最宽点半径
m r =R －H2=542.5－137.5=405mm ； （4-21）
（3）下胎侧j 点半径
r j =m r －j/2=m r －（K r －m r ）/2 （4-22） =405－（511.3－405）/2=351.85mm ；
图4-11典型点位置
Figure 4-11 The location typical point
8.3求出内轮廓断面上典型点的曲率半径 （1）胎冠点曲率半径
ρ2=ρ1－m=755.4－31.2=722mm ； （4-23） （2）断面最宽点胎侧曲率半径
ρ3=（K r 2－m r 2）/2m r （4-24） =（511.32－4052）/2×405=120.25mm ；
（3）胎肩曲率半径
ρ4=（K r 2－m r 2）/2K r （4-25） =（511.32－4052）/2×511.3=95.25mm ； （4）下胎侧j 点曲率半径
ρ5=（K r 2－m r 2）/2r f （4-26）
=（511.32－4052）/2×293.8=165.75mm 。

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，内轮廓曲率半径的绘制见下图：
图4-12内轮廓曲率半径的绘制
Figure 4-12 Within a radius of curvature of the contour map drawing
8.4胎圈部位内轮廓曲线的设计
由于轮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。

这就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，然后以ρ5为半径，通过E 点向下胎侧的弧线作外公切圆，这样就可绘得胎圈部位的内轮廓中面曲线，如图所示：。