现代轮胎结构设计2

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、及其影响因素高分子科学与工程学院第一节轮胎的基本受力与变形一、轮胎内压负荷特性轮胎静负荷性能包括：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：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高分子科学与工程学院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。H0QHcba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。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。轮胎充气压力与负荷的关系9.00-20轮胎负荷特性曲线图气压（kPa）1-02-1003-2004-3005-400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轮胎接地印痕短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aQRsFxstxRMF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。0.1～0.20.05～0.100.1～0.30.5～0.70.3～0.50.6～1.0附着系数-5℃以下0～-5℃冰雪路湿土路干土路湿柏油路干柏油路路面状况不同路面轮胎的附着系数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。常用规格轮胎的变形范围25～3015～1810～1214～1614～1812～14压缩系数%软路面硬路面小规格轮辋直径，355mm和380mm轮辋直径，406mm拱形轮胎载重汽车轮胎轿车轮胎轮胎类型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，高分子科学与工程学院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。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。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nsRr2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。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。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:VQNf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/sQ—轮胎法向负荷，NV—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tgqRrRPvkk2)(202式中：V----临界速度，km/hP----轮胎气压，MPaRk----胎里半径，mmr0----零点半径，mmq----胎面单位面积重量，N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。高分子科学与工程学院d．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。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。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，轮胎在垂直负荷下剪应力分布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。高分子科学与工程学院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高分子科学与工程学院高分子科学与工程学院2.斜交轮胎缓冲层中的应力和应变斜交胎在法向负荷的作用下，缓冲层之间的剪切应力在接地印痕的边缘达到最大，向胎冠中心和胎侧部位逐渐减小，当轮胎负荷增大时，最大剪切值的作用部位随着接地面积的增加而向行驶面边缘移动，同时，剪切变形的最大值也增大。3.子午线轮胎带束层的应力应变子午线轮胎的带束层可增加与滚动表面平行方向的刚性，可以减小在斜交轮胎与路面接触时所发生的有害滑动。因此，与斜交轮胎比较，它改善了与路面的抓着性，降低了胎面花纹的磨耗。高分子科学与工程学院0.000.020.040.060.080.10-5-4-3-2-101234剪应力/MPa弧长/mbelt1belt2belt300belt轮胎在充气压力下各带束层中的剪应力分布高分子科学与工程学院三、胎体帘