轮胎性能力学基础及设计理论

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§2-1轮胎的负荷能力与法向变形轮胎的载荷能力是由轮胎的结构参数决定的，主要有外形尺寸、充气压力、帘布性能及断面轮廓等，与这些参数密切相关的决定载荷能力的重要设计依据是轮胎的径向变形。在最佳径向变形条件下，轮胎能获得最佳的使用性能和使用寿命。一、轮胎静负荷性能轮胎的变形功是由压缩空气和胎体材料所承担。在正常径向变形下，60％的功消耗于压缩空气，40％的功用于帘布层和胎面胶变形。当径向变形过大或过小时，消耗于压缩空气的功一般都要降低。1.轮胎的下沉量（法向变形）和压缩系数(factoroftriecompression)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：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。0c00H-HHHhfcH0QHc2、轮胎的接地系数指轮胎在相应负荷下，接地印痕的长轴与短轴之比。ba表示了轮胎承受垂直负荷时发生的周向和横向变形状态。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.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说明轮胎的气压刚好承受全部负荷，为理想状态Q/SP1说明气压不够用来承受全部负荷（胎体骨架承受过多负荷）Q/SP1说明气压用来承受全部负荷还有余二、轮胎下沉量的理论计算假设：轮胎在接地面积之外不产生变形；接地面中的平均单位压力等于内压。（一）赫德克尔（Hadekel）近似公式式中：D---轮胎充气外直径，Rn---胎面曲率半径，hc---下沉量，Q---轮胎负荷,P---轮胎充气压力,S---接地面积.Q=SP=PπhcRn*2DchDacnhRb2DRhabSnc2（二）高孟田（GKomandi匈牙利）经验公式KPDBQChc6.043.07.085.01K---15×103B+0.42C1--轮胎设计参数，斜交胎=1.15，子午胎=1.5Q---轮胎负荷B---轮胎充气断面宽D---轮胎充气外直径P---轮胎充气压力三、影响轮胎负荷的因素1、轮胎外形尺寸对负荷能力的影响轮胎依靠充入压缩空气承载负荷,内腔容积增大可增大轮胎的空气容量，随之轮胎的负荷能力相应增大。而轮胎的断面宽、外直径及轮辋直径、宽度直接影响轮胎的内腔容积，轮胎负荷能力随其断面宽的增大而提高。从增大轮胎断面宽、加宽轮辋宽度等角度来提高轮胎的负荷能力。2.轮胎充气压力对负荷能力的影响轮胎负荷能力的大小与充气压力存着密切关系，提高轮胎的内压，相应可增大轮胎的负荷能力，见图1-10轮胎充气压力与负荷量的关系。轮胎气压增加的同时会导致胎体帘线应力的增大，尤其在动负荷作用下，极易造成帘线疲劳损坏，影响轮胎的使用寿命，见图1-11所示，3.车辆的行驶速度对轮胎负荷能力的影响车辆行驶速度对轮胎的负荷能力影响很大。降低行驶速度，可提高轮胎的负荷标准，车速增加时，负荷标准应降低，但不得在任何条件下随意提高负荷量。中国轮胎标准中规定的最高速度范围:重型载重轮胎为80km/h;中型载重轮胎为90km/h;轻型载重轮胎为100km/h。最高速度是持续行驶速度，并非平均速度。速度，km/h负荷变化率，％重型载重轮胎载重轮胎轻型载重轮胎40+5+10+12.550+2.5+7.5+1060±0+5+7.570±0+2.5+580－±0+2.590―±0±0100－—±0轮胎使用速度与负荷对应关系四、轮胎负荷下接地面积和接地压力分布4.轮胎骨架材料对负荷能力的影响轮胎采用高强度骨架材料和采用新型结构均可增加胎体强度，也可提高轮胎内压去增大其负荷能力。1.接地面积轮胎在法向负荷作用下与路面接触，其接地面积的形状决定于轮胎模断面形状和结构。例如飞机轮胎与平面的接触面积是近似的椭圆形状，因为这种轮胎的胎肩较薄，胎面的径向曲率较大。汽车轮胎由于它的胎肩较厚，胎面径向曲率较小，因此，接地面积横贯整个轮胎的胎肩，趋向于包括平行的两边，其宽度不受轮胎下沉量的影响。试验证明，轮胎接地面积与下沉量的关系近似于线性关系，与规格制造工艺关系不大。高分子科学与工程学院§2-2轮胎的耐磨性能一、轮胎磨耗的形式胎面磨耗过程较为复杂，一般可分疲劳磨耗、磨损磨耗和卷曲磨耗三种。疲劳磨耗:由于胎面胶反复受力变化而产生的；磨损磨耗:因路面粗糙对胎面剪切所生成的；卷曲磨耗:是轮胎在高温和高压时胎面胶在路面卷磨造成的。三种类型磨耗产生的原因不同，可用不同的技术手段提高轮胎的耐磨性。通常称轮胎的磨耗，是上述三种磨耗的综合形式。轮胎的制造和使用不断改善，有80%-90%是因花纹磨光而报废，所以轮胎耐磨性能在一定程度上表明轮胎的使用寿命，因此，轮胎使用寿命可按高分子科学与工程学院10-1000hhLh式中L－轮胎行驶里程，kmh1－轮胎花纹深度，mmho－最低花纹允许深度(磨光后)，mm；△h－胎面单耗，mm/l000km。二、影响轮胎磨耗的因素轮胎耐磨性能取决于轮胎结构、胎面胶性能和使用条件的不同。子午线轮胎的耐磨性较斜交轮胎高30%-50%以上。1.轮胎胎体骨架材料的弹性模量对磨耗影响很大，以钢丝帘布代替尼龙帘布代替人造丝帘布能提高耐磨性。高分子科学与工程学院一、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。二、轮胎滚动阻力表示和影响因素1.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:VQNf高分子科学与工程学院2.影响轮胎滚动阻力因素影响轮胎滚动阻力因素是多方面的，如路面状况、行驶速度、轮胎结构、使用气压及负荷、车辆性能等。（1）路面状况的影响（2）行驶速度的影响（3）轮胎结构的影响（4）气压的影响（5）车辆性能的影响三、轮胎的周向变形轮胎的周向变形是与径向变形同时产生的一种形变，主要发生在轮胎圆周的下半周，当轮胎滚动时，滚动方向的前部轮胎呈压缩状态，后部轮胎则呈拉伸状态，使轮胎断面沿滚动方向扭曲变形，此周向变形通用胎面长度变化的百分率表示。高分子科学与工程学院2）．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。4）．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。1.轮胎半径1）.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。3）.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nsRr2式中S—轮胎所滚动的路程；—轮胎滚动半径n—轮胎滚动的转数。rR§2-4轮胎附着与牵引性能轮胎的通过和牵引性能是保证汽车行驶的重要性能一、牵引性能汽车发动机发出的动力，经传动系统作用于驱动轮胎上，使轮胎对道路产生一种力简称周向力，与周向为大小相等方向相反的另一种力是道路作用于轮胎的反作用力，也是驱动汽车行驶的外力，一般称为牵引力。在牵引力作用下，轮胎要克服道路对它的滚动阻力，使轮胎能在不同道路上行驶通过的能力，称为牵引性能。aQRsFx发动机提供轮胎转动的条件：Fx*Rs≥Q*a发动机提供高分子科学与工程学院轮胎牵引性能好坏取决于轮胎滚动阻力及其附着性能。滚动阻力小，附着性能好才能提高轮胎的牵引性能。二、牵引性能的影响因素提高轮胎牵引性能可从轮胎结构、类型、胎面花纹、道路等级、气压等因素考虑。1.轮胎结构及类型2.轮胎的气压3.轮胎与路面的附着性能三、轮胎附着性能和影响因素1.附着力与附着系数附着力（Fφ）是路面对轮胎切向反作用力的极限。附着系数Φ=FФ/Q高分子科学与工程学院§2-5轮胎高速性能一、高速时轮胎断面形状的变化1.高速时轮胎半径的变化BPRdmkR2式中：dm----行驶面每1cm中的质量B----轮胎充气断面宽；R----轮胎外直径；P----充气内压；k----系数，随轮辋宽度的增加、胎冠帘线角度的增大、帘线刚度的增大而减小，一般0.1—0.2。pRdm2一般在0.5以内。较大时R增长缓慢高分子科学与工程学院2．行驶速度与生热的关系随轮胎速度的增加，轮胎各部位的温度是按线性规律增长的，这一关系一直保持到临界速度。关系可近似表示为：式中：T----轮胎温度v----轮胎行驶速度a1,a2----系数21avaT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。高分子科学与工程学院式中:kctgPAc432222mmkrrr)(34sin323142hhGiyEAkK)1(Andhhn)2(2)(20222actgdrrrPvkmkmkc)1(42242kknktgtgPGhtgaG——胶料的弹性剪切模量hn——胎体折合厚度A——与帘线促度d和帘线节距t有关Ek——帘线动态弹性模量i——帘线密度βk——胎冠角rm——零点半径（断面最宽点的半径）rk——胎里半径y——各层帘线至中面的距离r1——轮胎断面方向的曲率半径h1——外表面至中面的距离h2——内表面至中面的距离高分子科学与工程学院2．子午胎临界速度的计算rcEIKTV22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四、临界速度的影响因素1．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2．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。3．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。4．胶料的弹性模量另外对于斜胶胎：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。提高轮胎的刚性是提高临界速度的有力措施。（如右图）高分子科学与工程学院§2-6轮胎的结构设计理论一、轮胎结构设计的经典理论1．薄膜网络理论(MembranceNettingTheory)薄膜网络理论的假设条件：（1）轮胎胎体无厚度；（2）胎体应力都由网络帘线承担，并在断面方向上无剪切应力；（3）胎体帘线无伸长；（4）轮胎只受唯一的内压应力作用。2.层合理论（LaminateTheory）轮胎是由多层帘线/橡胶复合单层板所组成。研究由两层或两层以上单层板组合成为整体结构叠层板的力学性能，称为层合（叠层）理论。（1）层和理论在轮胎结构力学中应用状况：高分子科学与工程学院①考虑了轮胎各部位不同的材料性质，更反映了轮胎结构的真实性。②能用于研究子午胎的带束层结构力学性质问题。③对研究斜交胎的断面形状与应力-应变分析颇为有效。④计算过程比较复杂，必须与薄壳理论结合应用。（2）层合理论的局限性：