第六部分---带束层设计子午线轮胎设计

第六章子午线轮胎带束层设计与计算带束层的设计与计算是子午胎结构设计中的核心问题带束层是子午线轮胎主要受力部件，它在很大程度上决定着充气轮胎形状及轮胎各部位由内压引起的初始应力。文献报道，载重子午线轮胎带束层约承受此种应力约60%～75%，而斜交轮胎则胎体承受80%～90%。带束层帘线中由内压引起的应力，在带束层全宽范围内是不均匀的。由于带束层边端未固定，此部位帘线中的初始应力等于零，而中心部位则达最大值。带束层的刚性对轮胎使用性能影响很大，为此，带束层应有足够的刚性，以防胎体胎冠部位的伸张，从而保证轮胎行驶平稳，与路面的接触良好。本章仅能对常见的带束层刚性、箍紧系数、带束层结构以及带束层帘线应力计算等作一般介绍。带束层设计与计算带束层刚性箍紧系数带束层结构带束层帘线应力计算带束层的刚性主要取决于带束层的结构（如帘线类型、帘线的角度与密度、排列方式、与带束层层数等）及对胎体的箍紧程度等。这里着重列述对带束层刚度的计算、箍紧系数以及带束层刚度对轮胎使用性能的影响。带束层的刚性带束层结构帘线类型与密度帘线角度排列方式带束层层数对胎体箍紧程度第一节带束层刚性一、带束层的刚度计算1.带束层拉伸刚度和弯曲刚度的计算拉伸刚度Fbr计算公式：弯曲刚度[EI]计算公式：tan(1)brFab331[][1(cot)]12bEIaa=Enisin4βc=Enicos4β式中tanα-双曲线正切,cotα-双曲线余切,2bGhctaneeeecoteeeeE-主带束层（工作层）帘线弹性模量，10N/根(kgf/根)；i-主带束层（工作层）帘线密度，根/cm;β-主带束层（工作层）帘线角度（径向夹角），(°)；G-胎面胶剪切模量，10-1MPa(kgf/cm2)；b-主带束层（工作层）宽度，cm；h-橡胶层的折合厚度，cm；n-主带束层（工作层）层数。2.带束层刚度对轮胎性能的影响带束层的拉伸刚度对轮胎充气形状几何特性如外直径、断面宽、行驶面曲率以及接地面积等均有一定的影响。根据前苏联资料报道，以260-508P（相当于9.00R20）钢丝带束层纤维胎体子午线轮胎为例，研究结果表明，带束层拉伸刚度高于250×10-2N时，对轮胎充气轮廓、刚性及接地面积几乎没有影响；而当低于250×10-2N时，轮胎断面增高、变窄、胎面曲率增大，同时接地面积和刚性也随之变化，见图6-1所示。图6-1带束层拉伸刚度与轮胎几何特性关系图中(a)表示带束层拉伸刚度与轮胎充气形状的变化关系。1-△D充气轮胎外直径的增量；2-△B充气轮胎断面宽的增量。图6-1带束层拉伸刚度与轮胎几何特性关系图中(b)表示拉伸刚度与轮胎某些几何特性的变化关系；3-1/R胎面曲率；4-b轮胎接地宽度；5-L轮胎接地长度；6-S轮胎接地面积。图6-1带束层拉伸刚度与轮胎几何特性关系图中(c)拉伸刚度与轮胎刚性的关系；7-Fs侧向刚度；8-Fp周向刚度；9-f轮胎径向弯曲。当带束层拉伸刚度增加100×10-2N(100×10-3kg)时，滚动阻力和温度开始下降，然后在一段相当大的刚度值内保持恒定不变，直至刚度达400×10-2N(400×10-3kg)时，滚动阻力出现增大迹象，而温度成直线急剧上升，见图6-2所示图6-2带束层拉伸刚度与轮胎性能的关系10-Pf滚动阻力；11-T温度图6-3胎面花纹相对磨耗强度与带束层弯曲刚度的关系带束层的弯曲刚度对轮胎在接地面的摩擦性能及磨耗强度影响很大。据称，弯曲刚度低于40N·m2时，轮胎的磨耗强度明显下降。胎面花纹相对磨耗强度与带束层弯曲刚度之间的关系，见图6-3所示。研究结果表明，带束层拉伸刚度低于(200～250)×10-2N和弯曲刚度低于40N·m2时轮胎使用性能随之恶化。二、子午线轮胎的箍紧系数1.箍紧系数箍紧系数K一般用来表征子午线轮胎的断面形状和带束层受力的状况。由于带束层的作用使断面高减小，箍紧系数也是表示带束层对胎体箍紧的程度，其表达式为：式中H0-无带束层充气轮胎断面高度；H-有带束层充气轮胎断面高度。00HHKH子午线轮胎断面轮廓形状的变化范围是很宽广的，对子午胎等帘线长度的断面轮廓，随带束层直径的变化直接影响断面轮廓形状。若是无带束层的子午线轮胎，其充气平衡轮廓直径最大，断面宽度最小，如图6-4(a)所示。随着带束层直径的减小，使子午胎变成断面高较低的轮廓形状，见图6-4(b)、(c)、(d)所示。因此箍紧系数K值的大小是表示了带束层对子午胎断面形状和与胎体之间受力分配的相互关系，图6-5表示了不同箍紧系数对胎体和带束层之间的应力分配，从图中看出，随箍紧系数的增大，带束层应力增大，而胎体应力逐步减小。图6-4带束层直径对子午胎断面现状的影响图6-5不同箍紧系数的胎体、带束层应力分配箍紧系数2.箍紧系数对轮胎断面几何参数的影响不同箍紧系数的同规格子午胎断面形状，以及轮胎断面基本几何参数与箍紧系数的关系如图6-6所示。图中曲线表明，随着箍紧系数的增大，则轮胎的断面宽度B和支撑带束层的胎体宽度bK逐渐增大，而胎冠点的内轮廓曲率(I/P)和轮胎断面高与断面宽比值(H/B)逐渐减小。上述参数和箍紧系数之间并非线性函数关系。图6-6子午线轮胎断面几何参数与箍紧系数K的关系图6-6子午线轮胎断面几何参数与箍紧系数K的关系1-H/B;2-B;3-bK;4-1/ρ为了计算支撑带束层的胎体宽度bK可采用下列半经验公式：式中ρ1-无带束层时轮胎平衡内轮廓的胎冠点半径；f=H0-H（无带束层时轮胎断面高和有带束层后轮胎断面高之间的差值）。当f为常量时，bK值越大，断面周长越长。而带束层宽度L和bK的比值取决于箍紧系数K，可等于和大于或小于1。子午线轮胎的带束层宽度L应大于支撑带束层的胎体宽度bK，而活胎面子午胎的两者之比接近于1。12(2)kbff3.箍紧系数对帘线应力和轮胎刚性的影响实验证明，随着箍紧系数的变化，胎体和带束层帘线应力亦随之改变，见图6-7所示。从图中看出，在条件相同时，增大子午胎的箍紧系数可导致胎体帘线应力减小，带束层应力增大，带束层承受的周向总应力增大，轮胎径向刚度γ是随箍紧系数增大而减小。图6-7箍紧系数对帘线应力和轮胎刚性的影响1-胎体帘线应力T;2-带束层帘线应力T1；3-带束层周向应力To；4-轮胎径向刚度γ。另外，试验表明，箍紧系数对轮胎的耐磨耗性能也有影响。据文献报道，以人造丝帘线做轿车子午胎的带束层，其箍紧系数由0.04增至0.11时，胎面磨耗量由0.2mm/103km下降至0.09mm/103km。为保证子午线轮胎的使用性能，一般对轿车子午胎的K值较大(0.11～0.16)，而载重车子午胎的K值较小(0.07～0.08)。轿车子午胎由于内压较低，为了确保行驶安全性，箍紧系数宜稍大。载重车子午胎箍紧系数稍小，有利于带束层和胎体之间的应力合理分配。活胎面子午胎的箍紧系数应大于子午胎的箍紧系数。否则活胎条很容易脱落，但也不宜过大，因带束层应力过大会导致活胎条的断裂。第二节带束层的结构设计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、宽变和长度，以及所采用的帘线结构与类型等。这些参数决定了带束层的刚性，而其刚性直接影响子午线轮胎的使用性能，如耐磨性能、操纵稳定性、安全性和节油性能等。带束层结构帘布层数帘线角度密度排列方式厚度、宽变和长度帘线结构与类型第二节带束层的结构设计载重子午胎带束层结构层数、结构帘线角度帘线排列铺设方向一、载重子午线轮胎带束层结构设计1、带束层的层数与结构带束层的层数与结构层数四层三层三层半结构0°带束层波形带束层载重子午线轮胎的带束层一般由三至四层钢丝帘线所组成，采用的结构形式常见的为重叠式，根据轮胎的规格不同和使用条件来选用，如对大规格轮胎或路面差使用条件苛刻的情况下可选用四层结构，反之，对轮胎规格小和使用条件好的则可选用三层结构为宜。(1)四层结构带束层四层结构的排列设计。第1层称为过渡层，帘线角度为55°～65°，它是最靠近胎体帘线的一层，主要起着使由径向排列(90°)的胎体帘线角度过渡到接近周向排列的小角度带束层，这样可减小层间的剪切力，避免带束层与胎体帘布层之间的脱层；第2层和第3层为工作层，常用帘线角度为15°～22°，它起着束缚子午线轮胎的胎体向外膨胀并形成带束层的刚性。此刚性可直接影响轮胎的耐磨性、操纵稳定性和节省油耗等使用性能；第4层称为保护层，一般采用高伸长率和高抗冲击型钢丝帘线，其角度与工作层相仿，它起着保护工作层的作用，同时也起着防止产生胎面与带束层脱空现象，提高轮胎使用寿命与翻新率。(2)三层结构一般中型载重车的全钢丝子午线轮胎多数采用三层结构的带束层，第1层仍为过渡层，2层和3层帘线角度排列基本上与四层结构相仿，仅把第4层保护层取消。见图6-8(b)所示。它有减轻轮胎重量和简化工艺的优点。(a)四层结构(b)三层结构图6-8载重子午线轮胎带束层结构示意图1-过渡层；2,3-工作层；4-保护层(3)三层半结构这是法国米其林公司对载重子午胎常用的带束层结构，目前已被美国和日本的大轮胎公司广泛采用。结构的特点是将第一层过渡层分为两个边部，中间部分被断开，见图6-9所示。其优点是降低胎冠中央部位的刚性，使接地印痕面积中单位压力分布得较为均匀，从而提高轮胎胎面磨耗的均匀性。另外，三层半结构也可减小带束层胎冠中部的应力。图6-9三层半带束层结构示意图(4)0°带束层结构0°带束层是意大利倍耐力公司的专利技术，专利公布的时间虽然早在20世纪70年代末，但这是一项已经实际应用于生产的专利技术。到目前为止，它仍然是国际上公认比较先进的带束层结构，尤其是对低断面载重子午线轮胎来说。倍耐力公司的全钢丝载重子午胎，包括80系列和70系列低断面子午线轮胎均采用这种结构的带束层，见图6-10所示。图6-100°带束层结构示意图1-胎体；2-带束层工作层；3-0°带束层0°带束层，是由两层沿周向排列重叠缠两圈而组成的环状增强带束条。图6-11315/70R22.5轮胎的带束层结构图中的1和2为钢丝帘线带束层的工作层，其总宽度L与行驶面宽度大体相等，两层之间的差级为5～10mm，工作层钢丝帘线的扯断伸长率要求在2.6%～3.2%之间，帘线角度为10°～30°。在工作层2上面的两侧各覆盖一个由扯断伸长率为4%～8%的高伸长钢丝帘线周向重叠两圈（图6-11中的4、5所示）组成的环状增强带束条3。此增强带束条铺设于轮胎中心平面m-m的外侧边缘，与工作层2的边端基本对齐，其宽度l为工作层中最宽层宽度L的20%左右。0°带束层结构的主要作用: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胎相比，有以下方面改善：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t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)波形带束层结构为满足汽车运输发展的需要，载重子午线轮胎的扁平率也在不断降低。在美国与欧洲标准中都有扁平化为50系列甚至是45系列的22.5轮辋。然而轮胎越扁平，其径向膨胀变形越大，如图6-12所示，从而严重影响带束层的耐久性。图6-12轮胎径向膨胀和扁平率的关系普利司通公司为了解决这方面的课题，开发出可抑制带束层变形的新技术“波形带束层结构”，从而成功地使带束层的耐久性得到提高。抑制轮胎外径增大的最有效方法就是在带束层上置放冠带层。扁平轿车子午胎通常采用在交叉排列的钢丝带束层上缠绕0°纤维冠带层，以形成环箍效应。因帘线是有机纤维，当胎坯膨胀时帘线伸