现代轮胎结构设计2

高分子科学与工程学院
轮胎半径 a)自由半径Rf 轮胎充入额定气压后，无外力作用 时，胎冠行驶面最高点的外直径的一半。 b)静负荷半径Rs 轮胎在静止状态下，仅受法向力的 作用时，从轮轴中心到支撑面的距离。 c)动负荷半径Rm 当轮胎在动态时，发生变化，轮 轴中心至路面间距变为，称为动半径。
高分子科学与工程学院
高分子科学与工程学院
d．胶料的弹性模量 提高轮胎的刚性是提高临界 速度的有力措施。（如右图）
另外对于斜胶胎：减小H/B和增加轮辋的宽度均 能有效的提高临界速度。 对于子午胎：增大气压和减小H/B都能提高临界 速度；但与斜胶胎不同 增宽轮辋宽度和减轻胎 面质量一般不能提高临界速度增大带束层的宽 度和提高胎圈部位的硬度和提高其高度是提高 临界速度的有效措施。
a 和横向变形状态。 b
高分子科学与工程学院
3.硬度系数 指轮胎承受负荷（Q）对接地印痕面积（S）和轮胎相应气压（P）乘积之比。 表示在规定的轮辋条件下轮胎气压承受负荷的能力。 Q/SP=1 Q/SP>1 Q/SP<1 说明轮胎的气压刚好承受全部负荷，为理想状态 说明气压不够用来承受全部负荷（胎体骨架承受过多负荷） 说明气压用来承受全部负荷还有余
A 4 c ctg k 3 P
r r k 2m 2rm
2 2
hn h nd ( A 1)
hn ——胎体折合厚度 Ek ——帘线动态弹性模量 βk ——胎冠角 rk——胎里半径 r1——轮胎断面方向的曲率半径 h2——内表面至中面的距离 高分子科学与工程学院
G——胶料的弹性剪切模量 A——与帘线促度d和帘线节距t有关 i——帘线密度 rm——零点半径（断面最宽点的半径） y——各层帘线至中面的距离 h1——外表面至中面的距离
高分子科学与工程学院
1）轮胎骨架结构对侧向力和变形的影响
2）结构设计参数对侧偏特性的影响 a）扁平率对轮胎侧向刚度影响较大， 扁平率较小的轮胎侧向变 形较小，侧向刚度较大； b）轮辋宽度增加，轮胎着合宽度增大， 侧向变形较小；
高分子科学与工程学院
c）胎冠弧度半径增大，接地压力分布较为均匀，承受的侧向力增 大； d）纵向花纹沟的使用也会进一步提高轮胎承受侧向力的能力； e）合理的选取轮胎断面水平轴的位置，也是提高轮胎侧向力的有效 手段。 3）轮胎受法向力及充气压力对侧向力和变形的影响
N f Q V
式中
f —滚动阻力系数; N —轮胎滚动时单位时间所耗用的能量，J/s Q —轮胎法向负荷，N V—滚动速度，m/s 高分子科学与工程学院
轮胎的驻波和临界速度 驻波---当轮胎在高速下行驶，到达某一特定速度时， 在轮胎离地处呈现出观察完全静止的波形。 临界速度—-轮胎产生驻波时的速度。 达到临界速度时轮胎的特性： (1）滚动损失剧增（2）接地压力分 布不均（3）径向变形量增大
第一节
一、轮胎内压负荷特性 轮胎静负荷性能包括：
轮胎的基本受力与变形
法向变形、负荷下接地印痕面积、印痕的长轴和短轴、负荷下接 地压力分布。 1.下沉量（法向变形）与压缩系数 下沉量(deflection)：自由状态下充气轮胎断面高H0与静负荷下 断面高Hc之差。 压缩率：
f hc H - Hc 0 H0 H0
常用规格轮胎的变形范围
轿车轮胎 轮胎类型 压缩系数 % 轮辋直径， 406mm 12～14 轮辋直径，355mm和 380mm 14～18 载重汽车轮胎 小规格 14～16 硬路面 10～12 软路面 15～18 拱形轮胎 25～30
高分子科学与工程学院
影响轮胎径向变形的因素： 轮胎结构参数方面，断面高度大，扁平率增大的轮胎断面，子午线 结构，帘布层数少和帘线角度小等都能增加轮胎的径向变形。 轮胎使用条件方面，负荷增大或内压降低时，径向变形亦随之增大。 轮胎周向变形与径向变形同时产生，发生在轮胎的接地部位，轮胎 在滚动时，滚动部位的前方被压缩，而后方拉伸，
d)滚动半径Rr 轮胎在无滑移存在且不打滑的状态下，轮胎滚动单位弧度所 通过的距离。反映轮胎的周向变形，值越小则周向变形越大。
s Rr 2n
式中: S—轮胎所滚动的路程； Rr—轮胎滚动半径 n—轮胎滚动的转数。
高分子科学与工程学院
轮胎滚动阻力及滚动阻力系数： 轮胎滚动阻力产生的方式 1. 轮胎在路面上的滑移 2. 轮胎内部材料的摩擦 轮胎内部摩阻损失随外胎的结构、构造和材料的性质、制造技术而 变的。轮胎中气压的降低对轮胎内部摩阻损失起着很大的影响。气压 降低使轮胎变形增大，因而轮胎内部的摩阻损失就急剧猛增。 轮胎滚动阻力表示和影响因素 滚动阻力系数 滚动阻力系数等于滚动阻力除以法向载荷。在良好路面上， 轮胎滚动阻力系数f计算公式为:
不同路面轮胎的附着系数
冰雪路 路面状况 附着系数 干柏油路 0.6～1.0 湿柏油路 0.3～0.5 干土路 0.5～0.7 湿土路 0.1～0.3 0～-5℃ 0.05～0.10 -5℃以下 0.1～0.2
高分子科学与工程学院
2）轮胎的滚动变形和滚动阻力
周向变形
发向变形 一般用压缩系数表示
缓冲性能，可用单位径向变形所需负荷量表示，单位为N/cm。
高分子科学与工程学院
2）轮胎骨架结构：子午线轮胎行驶面的接地压力分布比斜交轮胎的 均匀。
不同结构轮胎接地压力分布情况 曲线1为11.00-20载重轮胎、曲线2为165/60R13 子午线轮胎、曲线3为5.00-13微型载重轮胎
高分子科学与工程学院
高分子科学与工程学院
三、轮胎的侧向力与侧向变形、纵向力与滚动变形 轮胎在侧向和周向的变形和作用力对轮胎的很多使用性能有较为 直接的影响。 1.轮胎的侧向力与侧向变形
青 岛 科 技 大 学 高 分 子 科 学 与 工 程 学 院
第二章
轮胎性能力学基础及设计理论
学习目的与要求
通过学习掌握: 1.轮胎的性能要求及相应的影响因素 2.轮胎的几种变形、轮胎的半径特点 3.轮胎的接地面积和接地压力分布的影响因素 4.轮胎的牵引性能，附着力和附着系数 5.轮胎的临界速度、驻波、及其影响因素
临界速度的影响因素 a．充气压力 提高充气压力对提高临界速度有明显的效果， 影响接近直线正比关系。
高分子科学与工程学院
b．胎冠行驶部分质量
行驶部分质量增加严重降低临界速度。因此，可 采用减薄胎面胶厚度的措施来提高轮胎的临界速 度，但要求采用高耐磨、高强度、耐撕裂胶料。
c．帘线角度 增大帘线角度可以明显增大临界速度， 但同时也会增加帘线层之间剪切应力的增大， 因此必须增大胶料的粘和强度。
2．子午胎临界速度的计算
EIK r T Vc 2
2
式中：μ---行驶面单位长度的质量 EI----断面内的弯曲刚度 T----张力 Kr----胎体径向弹性常数
高分子科学与工程学院
vP( Rk r0 ) tg Nhomakorabea 2 Rk q
2
2
式中：V----临界速度，km/h P----轮胎气压，MPa Rk----胎里半径，mm r0----零点半径，mm q----胎面单位面积重量，N
4.轮胎负荷与法向变形和气压的关系
轮胎负荷、法向变形、充气压力之间相互联系，三者相互影响。
气压（kPa）1-0 2-100 3-200 4-300 5-400
轮胎充气压力与负荷的关系
9.00-20轮胎负荷特性曲线图
高分子科学与工程学院
二、轮胎负荷下的接地印痕面积与压力分布
1.轮胎接地印痕形状及面积 接地印痕面积与轮胎的使用性能有较大关系，同时，轮胎的结构 与断面形状对印痕有很大的影响。 1）接地印痕面积与形状和胎冠形状的关系
高分子科学与工程学院
二、缓冲层（带束层）中的应力 缓冲层分散胎体受到的振动和冲击，增强不同硬度的胎面胶和胎 体间的附着力。子午线轮胎带束层还有承受圆周向载荷的作用，是主 要受力部件，它决定轮胎的强度、充气时的轮廓和使用性能。 斜交轮胎的缓冲层是用比胎体帘布较稀的帘布制造的，以降低帘 线—橡胶界面间的剪切应力，从而减小生热。子午线轮胎带束层则用 伸长小而强度高的帘布制造，载重胎主要用钢丝帘布。 在内压作用下子午线轮胎带束层帘线的应力：
高分子科学与工程学院
P(rk rm ) 2 vc (tg k 2 ac ) 2rk dm0
2
2 式中: a 2tg k
2
2
4Ghn (1 tg 4 k tg 2 k ) P
4 3 3 A EK iy 2 sin 4 k G(h1 h2 ) 3
高分子科学与工程学院
4）行驶速度、路况对侧向力的影响 2.轮胎的纵向力和滚动变形 轮胎的纵向力是指其滚动方向与路面之间的作用力，它包括驱动 力、制动力、滚动阻力等。 1）轮胎对牵引力的影响及附着性能
Fx Rs a Q
Mt Fx Rs
轮胎设计时考虑不同的下沉量，其会对应不同的静负荷半径，该半 径就会影响牵引力的大小；轮胎的牵引特性还取决胎面的宽度、接 地印痕面积及在印痕中的压力分布均匀情况。
高分子科学与工程学院
3.轮胎横断面上剪切应变的分布 剪切应变沿断面厚度是非线性的, 子午线轮胎的最大剪切应变在胎 面最内层的带束层边缘部位， 花纹沟边的剪切应变比花纹沟底 的大些，这就说明轮胎使用中为什 么除了有花纹沟底裂口的毛病外， 还产生崩花掉块。
轮胎在垂直负荷下剪应力分布
高分子科学与工程学院
高分子科学与工程学院
轮胎与路面的附着性能越好，在相同条件下其牵引性能、制动性能越 优越。 轮胎的附着力是指轮胎与路面之间切向反作用力的极限，其值略大 于轮胎完全静止时与路面之间的摩擦力，它包括侧向附着力和周向附 着力。 附着系数是指附着力与法向负荷的比值。轮胎与道路的附着性能是 汽车安全行驶的决定因素。国际公路协会规定了在不同道路条件下的 最低附着系数在0.4-0.6范围内。
高分子科学与工程学院
第二节 轮胎各部位的力学基础
一、胎面的应力与应变 1.胎体骨架结构对胎面应力应变影响 子午线轮胎由于胎侧刚性比斜交轮胎小，下沉量大，其弯曲剪切 应力比斜交轮胎的大。但是由于下沉量大，接地面积大，接地面积上 的比压力小，加上行驶面刚性较大，它因圆周力矩和花纹块压缩而产 生的剪切应力较斜交轮胎的小。总剪切应力比外斜轮胎的个，因而比 斜交轮胎耐磨。 2.带束层结构对行驶面法向比压强的影响 胎面上的比压强与轮胎行驶面刚性有很大关系，带束层的层数、 帘线角度和密度对轮胎行驶面刚性有较大影响。
轮 胎 接 地 印 痕 短 轴
轮胎在相同气压负荷下 不同胎冠曲率半径的接地印痕形状
轮胎接地印痕长轴
高分子科学与工程学院
2）在气压和胎冠形状一定时，提高轮胎负荷，下沉量增大，接地面 积增大。
下沉量为5.6mm
下沉量为11.2mm
下沉量为17.9mm
下沉量为28mm
轮胎在不同下沉量下的接地印痕
高分子科学与工程学院
3）轮胎负荷，胎冠形状一定时，印痕面积随充气压力的提高减小。 4）接地印痕面积与轮胎滚动速度的关系：
高分子科学与工程学院
2.轮胎接地印痕内的压力分布 接地压力分布对轮胎的使用性能有很大的影响。分为正压力和切 向力。
磨耗、抓着性、 附着性影响较大。
1）在骨架结构和气压、负荷一定的情况下，胎冠形状对接地压力分 布有较大的影响。胎冠弧度半径减小，行驶面接地压力分布胎冠中部 大于肩部；弧度半径增大，接地压力中部逐渐减少，肩部逐渐增大。
高分子科学与工程学院
二、轮胎的驻波和临界速度 驻波---当轮胎在高速下行驶，到达某一特定速度时， 在轮胎离地处呈现出观察完全静止的波形。 临界速度—-轮胎产生驻波时的速度。 达到临界速度时轮胎的特性： (1）滚动损失剧增（2）接地压力分 布不均（3）径向变形量增大 三、轮胎临界速度的近似计算 1．斜胶胎临界速度的计算 模型----假设轮胎是被拉伸的弹性环。
表示轮胎的径向弹性特征。
若f过小，说明轮胎的弹性发挥不良，影响乘坐的舒适性；若f过 大，说明轮胎在大变形下工作，使用寿命缩短。
高分子科学与工程学院
Q Hc H0
2.轮胎的接地系数 λ-指轮胎在相应负荷下，接地印痕的长轴与短轴之比。 表示了轮胎承受垂直负荷时发生的周向 例如：9.00R20 全钢子午胎的接地系数在1.7 左右，轿车胎165/70R13 的在 1.43左右。