高性能子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計

田芳 于宗南

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高性能子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計

田芳 于宗南

（天津市萬達(dá)輪胎集團(tuán)有限公司，天津，300402）

本文主要針對高性能子午線輪胎的結(jié)構(gòu)，從其輪廓尺寸的設(shè)計、花紋形式的設(shè)計、胎體材料的選用設(shè)計等方面做了詳細(xì)的論述，了解掌握高性能子午線輪胎的設(shè)計方法，設(shè)計流程，根據(jù)高性能子午胎產(chǎn)品的特性，從花紋的設(shè)計，材料的選取，半制品材料尺寸的設(shè)計等方面做以詳細(xì)的說明。要求所設(shè)計的輪胎必須滿足輪胎在高速度行駛條件下，具備安全、舒適、節(jié)能等性能。

高性能，附著性能，耐磨性，散熱性，自潔性，噪音

隨著社會發(fā)展的加速進(jìn)步，轎車已走向每個家庭，成為人們必不可少的交通工具，與之相匹配的重要零部件之一就是汽車輪胎。輪胎是支撐車身，緩沖外界沖擊，實(shí)現(xiàn)與路面的接觸并保證車輛的安全行駛，在復(fù)雜和苛刻的路面條件下使用，行駛中承受著各種變形、負(fù)荷、內(nèi)外應(yīng)力、以及高低溫條件下的作用。

因此，現(xiàn)在人們對輪胎不僅僅局限于能夠使用，而對輪胎必須要具備較高的承載、牽引、緩沖，同時，還需要具備高耐磨性能，耐屈撓性能，以及較低的滾動阻力和生熱，從而提高輪胎的使用壽命等一系列的性能要求有更高的要求。

如上所述，針對高性能子午線輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計做以詳細(xì)說明。

一、高性能子午線輪胎模具設(shè)計

1、設(shè)計前的準(zhǔn)備

1.1輪胎基本參數(shù)的確定

輪胎設(shè)計的規(guī)格： 245/45ZR18, 在良好的公路上行駛使用，輪胎輪輞參照國標(biāo)選取。

圖1-1 5°J型輪輞輪廓基本參數(shù)

表 1-1， 設(shè)計規(guī)格相關(guān)參數(shù)

規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)輪輞負(fù)荷指數(shù)氣壓Kpa充氣外緣尺寸mm標(biāo)準(zhǔn) 外直徑斷面寬 245/45ZR188J96250677243GB9743-2015

2、高性能子午胎外輪廓斷面形狀設(shè)計

2.1外直徑D與斷面寬B的設(shè)計

因子午胎結(jié)構(gòu)的特殊性，冠部有周向不易伸張的帶束層箍緊著胎體的特點(diǎn)，其輪胎充氣后的外直徑膨脹率較小，因此模具外輪廓直徑的取值可等于或小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的新胎外直徑，根據(jù)所設(shè)計規(guī)格的低扁平比45系列，模具外直徑與斷面寬設(shè)計尺寸如下：

D = 677mm D’= 668mm D’/ D = 0.9867

B = 243mm B’= 256mm B’/ B = 1.0535

2.2胎圈著和直徑的設(shè)計

國標(biāo)中18寸轎車胎標(biāo)準(zhǔn)輪輞為8J，胎圈著和直徑標(biāo)準(zhǔn)值為462±0.4mm，為滿足輪輞與輪胎趾口著合部位的緊密，同時也要方便輪輞拆裝方便，特將該設(shè)計規(guī)格胎圈著和直徑設(shè)計為：457.6mm；

2.3斷面高H與斷面水平軸H1和H2的設(shè)計

輪胎在使用的過程中，是要使輪胎的變形量落在水平軸以上，帶束層端點(diǎn)以下的上胎側(cè)區(qū)域內(nèi)，這樣可以減小下胎側(cè)和胎圈的應(yīng)力，則斷面高的設(shè)計值如下，

公式：H = (D-d)/2 = (668-457.6)/ 2 = 105.2mm

H1 / H2 = 1 即H1 = H2 = 52.6mm

2.4胎圈著和寬度C的設(shè)計

基于目前轎車胎扁平化的發(fā)展趨勢，輪胎斷面高度很小，導(dǎo)致胎側(cè)剛性增大，為了提高胎側(cè)的柔軟性，將胎圈著和寬度的設(shè)計值超出輪輞標(biāo)準(zhǔn)值約1英寸，輪胎充氣使胎側(cè)彎曲便于變形，可降低胎側(cè)的剛性，改善輪胎乘坐的舒適性。本設(shè)計胎圈著和寬度C值為：228.6mm；

2.5行駛面寬度b和弧度高度h的確定

輪胎扁平比的大小，帶束層的剛性直接影響行駛面弧度的選取，行駛面弧度半徑R1的確定直接與行駛面寬度b和弧度高h(yuǎn)有關(guān)，為確保輪胎與路面行駛寬度范圍內(nèi)最大的接地面積，設(shè)計該規(guī)格h/H = 9.937/105.2 = 0.094，行駛面寬度：207.026mm.

3、外輪廓弧度的設(shè)計

3.1胎冠使用一段弧弊端太大，行駛面太小，接地面小，耐磨性差，而且易使帶束層彎曲，所以將該規(guī)格胎冠設(shè)計為兩段弧形式，且肩部采用圓弧做以銜接冠部和上胎側(cè)，可減少胎肩部厚度，降低生熱，同時優(yōu)化的輪廓設(shè)計及材料結(jié)構(gòu)分布的應(yīng)用，使輪胎外型美觀，同時帶來順暢的運(yùn)作和均衡壓力分布。見圖3-1：

圖3-1：胎冠弧度尺寸圖

3.2上、下胎側(cè)弧度,胎圈曲線的設(shè)計

設(shè)計規(guī)格245/45ZR18為低扁平比45系列的輪胎，上下胎側(cè)弧度值的設(shè)計采用小半徑值，使上下胎側(cè)輪廓變形量減小，保證其良好的曲撓性能。同時在下胎側(cè)增加了輪輞保護(hù)，提高了胎圈到下胎側(cè)的強(qiáng)度，且使輪胎在高速度行駛中防止胎圈磨損,則上下胎側(cè)弧度分別設(shè)計為R48.665mm / R50mm.。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輪輞曲線尺寸，輪胎實(shí)際使用狀況，胎腫設(shè)計一個角度為18°，胎踵角度設(shè)計為R8。見3-2圖：

圖3-2：胎側(cè)，胎圈尺寸設(shè)計圖

4、高性能子午線輪胎花紋設(shè)計

4.1高性能輪胎花紋所具備的特殊要求

①確保輪胎與路面有優(yōu)良的附著性能，行駛中橫向和縱向滑移小，在高速行駛狀態(tài)下，抗?jié)窕涂箓?cè)滑性能好，保證車輛行駛安全；

②輪胎花紋耐磨性能好，耐磨均勻，花紋不易崩花掉塊，不裂口，耐刺扎性能好，花紋形式滾動阻力小，生熱低，散熱性好；花紋塊振動小，且要保持連續(xù)性，

③花紋設(shè)計中，花紋溝要求不夾石子，易清除泥沙，排水性、自潔性好；

④花紋設(shè)計美觀，噪音低，確保輪胎的使用壽命。

4.2依據(jù)以上高性能輪胎花紋所需要具備的性能要求，設(shè)計一款花紋，用在規(guī)格245/45ZR18，其花紋溝設(shè)計深度為：7.5mm，縱向主溝設(shè)計寬度分別為：12.5mm/ 9.5mm；采用多節(jié)距無序排列，能有效的減小輪胎行駛中的共振，降低輪胎的噪音。詳見4-1花紋設(shè)計圖：

圖4-1：245/45ZR18 2D花紋設(shè)計展開圖

4.3輪胎花紋采用非對稱性設(shè)計及優(yōu)化，能夠降低花紋噪音，提升輪胎性能。見圖4-2：245/45ZR18 3D花紋圖

圖4-2：245/45ZR18 3D花紋圖

4.4輪胎花紋設(shè)計詳細(xì)說明

4.4.1花紋主溝設(shè)計

4.4.2花紋中心肋條設(shè)計

4.4.3花紋內(nèi)側(cè)、外側(cè)花紋說明

二、高性能子午線輪胎骨架材料設(shè)計選用

1.子午線輪胎帶束層的設(shè)計

帶束層是子午線輪胎主要的受力部件，決定著胎體的變形量，承受著大部分的應(yīng)力，因此，對帶束層的選取是子午線輪胎的主要核心。

帶束層結(jié)構(gòu)主要是指它的簾布層數(shù)，簾線角度，密度，排列方式，帶束層的寬度和長度，以及所采用的簾線簾線結(jié)構(gòu)與類型。

2.帶束層簾線結(jié)構(gòu)的選取

根據(jù)設(shè)計規(guī)格的氣壓與所受應(yīng)力，計算帶束層簾線的安全倍數(shù)，必須≥7倍；

帶束層安全倍數(shù)的計算：

帶束層安全倍數(shù)計算過程：

應(yīng)力（T1）計算：

T1=103×P×rk/n×ik×cos2αk T1=87.4700

式中：P—輪胎充氣氣壓 P=300kPa

rk—胎冠點(diǎn)半徑，m rk=0.318

n—帶束層（工作層）層數(shù) n=2

ik—成品帶束層胎冠點(diǎn)簾線密度，根/m ik=675.6

i0—帶束層簾線密度，根/m i0=700

αk—成品帶束層胎冠點(diǎn)簾線角度（與周向夾角），弧度 αk=0.453

αk的計算

sinαk/sinα0=1-4mcos3α0

αk—成品帶束層胎冠點(diǎn)簾線角度（與周向夾角），° αk=25.97

α0—胚胎中半成品帶束層簾線角度（裁斷角，°） α0=29

m—半成品帶束層直徑D0至成品帶束層直徑Db的膨脹率 {m=Db/D0-1}

m=0.036

半成品帶束層直徑D0 D0=0.626

成品帶束層直徑Db Db=0.649

這世上的人有很多愛，一如這世上的人有很多恨，都似乎只是沉浸在自己的世界中，像波斯貓在明前茶的玻璃杯前照鏡子一樣，像我們固執(zhí)地認(rèn)為遠(yuǎn)方有一個讓自己拿不起也放不下的人一樣。

胎冠半成品厚度t t=0.97

安全倍數(shù)計算：K=Tn/T1

式中：K—安全倍數(shù) K=7.26

Tn=鋼絲簾線的破斷強(qiáng)力，N/根 3×0.30HT-7 Tn=635

根據(jù)以上安全倍數(shù)的計算，材料設(shè)計符合要求，245/45ZR18 帶束層鋼絲選用3×0.30HT-70.其簾布角度的選取，要考慮到帶束層的箍緊系數(shù)，該規(guī)格選用29°。

3、胎體簾線的選取

計算胎體簾線的安全倍數(shù)，必須≥6倍；

簾布安全倍數(shù)的計算：

應(yīng)力（N）計算：

N=P×（R2K-R20）cosβk/2cosαc T=339.448635

式中：N—單根簾線伸張應(yīng)力 Kg/根 N=0.6835

P—輪胎充氣內(nèi)壓 P=3.0591Kg/cm2

Rk—胎里半徑 Rk=31.84cm

R0—零點(diǎn)半進(jìn)徑 R0=28.13998cm

n1—V1簾布層數(shù) n1=2

n2—V2簾布層數(shù) n2=0

n3—V3簾布層數(shù) n3=0

ΣiK—胎體簾布密度 根/cm ΣiK=15.6

βk—胎冠角度，弧度 βk=0

iK1—胎體簾布密度 根/cm iK1=7.8

iK2—胎體簾布密度 根/cm iK2=0

iK3—胎體簾布密度 根/cm iK3=0

Rc—機(jī)頭半徑 cm Rc=24.75

i1—V1簾布原始密度 根/cm i1=100

i2—V2簾布原始密度 根/cm i2=0

i3—V3簾布原始密度 根/cm i3=0

δ0—成型工藝伸張值 δ0=0.99677809

α0—裁斷角度 cosα0=1

βk—胎冠角度，弧度 cosβk=1

R1—第一層簾布半徑 cm R1=24.8

安全倍數(shù)計算：K=S/N

式中：S—單根簾布強(qiáng)度 Kgf/根 S=14.2857143

K—安全倍數(shù) K=20.9

簾線規(guī)格：1100dtex/2-100

胎體簾線計算值的安全倍數(shù)符合要求，設(shè)計規(guī)格245/45ZR18 選用兩層1100dtex/2，簾線密度為100根。

4、胎圈結(jié)構(gòu)設(shè)計

子午線輪胎胎體簾線呈徑向排列，簾布少，胎側(cè)柔軟，為保證胎圈部位的剛性，則使用大而硬的三角膠芯，提高胎側(cè)強(qiáng)度。鋼絲圈采用六角形結(jié)構(gòu)，單絲纏繞方式制備，其優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)工藝簡單，效率高，提高鋼圈強(qiáng)度。

胎圈過盈力和鋼絲安全倍數(shù)（≥6倍）的計算如下：

過盈力（Tt）計算過程：

Tt=EbrδT/2t Tt=525.4447

式中：E—鋼圈底部材料的平均彈性模量kgf/cm2E=400

b—鋼絲圈的寬度cm b=0.78

r—鋼絲圈的平均直徑cm r=47.012

t—鋼絲圈底部材料的厚度cm t=0.402

δT—胎圈對斜底輪輞的箍緊力（kgf） δT=0.0288081

δT=dr-d+2a（tgαt- tgαr）

δt（N）=0.288081

dr—輪輞直徑cm dr=46.2

d—輪胎著合直徑cm d=46.28

a—輪緣至胎圈中心的距離cm a=0.775

αt—輪圈底座的傾斜角度，° αt=18

αr—輪輞胎圈座的傾斜角度，° αr=5

安全倍數(shù)：

K=S/（T+Tt）

式中：K—安全倍數(shù) K=6.47

S—鋼絲總強(qiáng)力（S=鋼絲根數(shù)N×單根強(qiáng)力M） S=5600

鋼絲根數(shù)N=20 單根強(qiáng)力M=280kg

鋼圈：5-6-5-4

根據(jù)以上計算數(shù)值，鋼絲圈的安全倍數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，245/45ZR18 規(guī)格設(shè)計胎圈鋼絲結(jié)構(gòu)為5-6-5-4，詳見圖4-3，胎圈、鋼絲排列結(jié)構(gòu)圖。

圖4-3：胎圈、鋼絲排列結(jié)構(gòu)圖

5.2 45/45ZR18 規(guī)格選用的骨架材料參數(shù)見表5-1

5-1：骨架材料設(shè)計參數(shù)

骨架材料名稱型號密度：根/cm角度厚度破斷力（N） 鋼絲帶束層3×0.30HT7029°1.2635 胎體簾布1100dtex/2100900.95140 胎圈鋼絲φ1.30HT——————280

6、胎側(cè)設(shè)計

根據(jù)規(guī)格模具輪輞保護(hù)設(shè)計形狀的不同，為防止胎圈磨損，特將耐磨膠尺寸形狀做特殊的設(shè)計，見胎側(cè)形狀設(shè)計圖；

胎側(cè)形狀設(shè)計圖

7.胎面設(shè)計

根據(jù)設(shè)計規(guī)格花紋形狀，胎面尺寸采用有型設(shè)計，致使胎冠部材料均勻分布。

胎面形狀設(shè)計圖

8、胎圈三角膠設(shè)計

三角膠是提高子午線輪胎胎圈部強(qiáng)度的主要部件，同時也擔(dān)負(fù)著應(yīng)力的均勻過渡，分散胎圈部的應(yīng)力，為此三角膠的形狀設(shè)計至關(guān)重要，在245/45ZR18規(guī)格設(shè)計中，因其為低扁平輪胎，將三角膠高度設(shè)計為25mm，厚度尺寸均勻延伸至三角膠頂端，確保應(yīng)力的均勻過渡。詳見下圖：

三角膠設(shè)計圖

9、高性能子午胎內(nèi)輪廓尺寸、曲線的設(shè)計

9.1 根據(jù)選用材料的不同，設(shè)計各部位尺寸，繪制材料分布圖；

內(nèi)輪廓材料尺寸厚度的計算

鋼絲圈結(jié)構(gòu)：5-6-5-4

鋼絲圈寬度×鋼絲圈高度：7.8×4.32mm

胎體結(jié)構(gòu)：1100dtex/2-100×2P+3×0.30HT×2P+942dtex

尼龍冠帶纏繞方式：1JF+1JE

反包高度：1#簾布60mm

胎冠總厚度=花紋溝深度+基部膠厚度+帶束層厚度+胎體簾布厚度+內(nèi)襯層厚度

15.6=（7.5+2.2+0.8+2.4+1.9+1.5）×0.95

胎側(cè)總厚度=胎側(cè)膠厚度+胎體膠簾布厚度+內(nèi)襯層厚度

7.0=（3.0+2.85+1.5）×0.95

胎圈總厚度=鋼絲圈厚度+胎體膠簾布厚度+耐磨膠厚度+內(nèi)襯層厚度

15.6=（7.8+0.93×3+1.5+0.7+3.0）×0.95

鋼絲圈底部材料總厚度=胎體膠簾布厚度+耐磨膠厚度

4.1=0.95×2+2.2

鋼絲圈直徑選?。篋0=d0+2tk=457.76+2×4.1×0.95=465.55，周長：1462.57mm

最終設(shè)計尺寸，取L：1463mm

材料分布圖

10、成型一次鼓寬度的設(shè)計

根據(jù)已有18寸成型鼓，由內(nèi)輪廓曲線長度，成型鼓曲線長度，計算一次鼓寬度；18寸成型鼓形式的選用，見下曲線圖：

18寸成型鼓

材料分布圖中，內(nèi)輪廓曲線、成型鼓曲線長度如圖：

11、一次成型鼓寬度（BS）的計算

BS=根據(jù)內(nèi)輪廓曲線周長及簾線伸張值）

此規(guī)格選取鼓寬度：360mm

三、硫化膠囊設(shè)計

通過內(nèi)輪廓的設(shè)計繪制，計算該規(guī)格內(nèi)直徑和內(nèi)輪廓周長尺寸來設(shè)計硫化膠囊。

膠囊的周向拉伸（CS）=(DT-DB)×100/DB，一般在15～25%，

徑向拉伸（LS）=[IP+2×(D-DIA-dB-2×b)-LB]×100/LB，一般在15～25%，

245/45ZR18規(guī)格經(jīng)計算

其內(nèi)直徑：636.8mm，

內(nèi)輪廓周長：527.1642mm;

為此，根據(jù)實(shí)際計算對比，應(yīng)選用亞通膠囊RB18-3較為適用，參數(shù)如下：

外直徑(Db)：520mm；斷面周長（Lb）：395mm；總高度(Hb)：326mm；

徑向伸張= 636.8/520 =1.225；

周向伸張= 527.1642/395=1.335；

亞通膠囊RB18-3

四、成型鼓上半成品部件的施工

根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的成型鼓寬度，再加上鋼絲圈寬度和簾布反包高度，算得胎體簾布的總長度，然后根據(jù)材料分布圖設(shè)計半成品各部件尺寸和要求。

五、施工表的編寫

施工表是輪胎制造過程中貫穿各工序，制備半成品部件的依據(jù)，根據(jù)施工標(biāo)準(zhǔn)表內(nèi)項(xiàng)目的要求，將輪胎所需的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行匯總填寫，完善施工標(biāo)準(zhǔn)。

1、梁守智，鈡延壎，張丹秋，橡膠工業(yè)手冊 修訂版 第四分冊 輪胎，北京：化學(xué)工業(yè)出版社。2004

2、辛振祥《現(xiàn)代輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計》，2011.6.19

3、陳志宏，國內(nèi)外輪胎生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展與市場前景〔J〕，輪胎工業(yè)，2001,21〔7〕:387-394.

田芳，女，43歲，本科學(xué)歷，畢業(yè)于青島科技大學(xué)，高分子專業(yè)，現(xiàn)就職于天津萬達(dá)輪胎集團(tuán)子午胎研發(fā)部，從事輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計及現(xiàn)場生產(chǎn)工藝22年。