轮胎设计2.

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1、 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 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

2、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。的使用性能和使用寿命。 一、轮胎静负荷性能 轮胎的轮胎的变形功是由压缩空气和胎体材料所承担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，。在正常径向变形下， 6060的功消耗于压缩空气，的功消耗于压缩空气，4040的功用于帘布层和胎面胶变形。当径向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。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(factor of

3、trie compression) 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。 高分子科学与工程学院 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。 H0 Q Hc 2、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。 高分子科学与工程学院 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

4、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 高分子科学与工程学院 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 =Phc 高分子科学与工程学院 （二

5、）高孟田（G Komandi匈牙利）经验公式 K-15103B+0.42 C1-轮胎设计参数，斜交胎=1.15，子午胎=1.5 Q-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，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。直接影响轮胎的内

6、腔容积，轮胎负荷能力随其断面宽的增大而提高。从增大从增大 轮胎断面宽、加宽轮辋宽度等角度来提高轮胎的负荷能力轮胎断面宽、加宽轮辋宽度等角度来提高轮胎的负荷能力。 高分子科学与工程学院 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可增大轮胎的负荷能力，见图，见图1-101-10轮胎充气压力与负荷量的关系。轮胎气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

7、下，极易造 成帘线疲劳损坏，影响轮胎的使用寿命，见图成帘线疲劳损坏，影响轮胎的使用寿命，见图1-111-11所示，所示， 高分子科学与工程学院 3.3.车辆的行驶速度对轮胎负荷能力的影响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。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，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: :重型载重轮胎为重型载重轮胎为80

8、km/h;80km/h; 中型载重轮胎为中型载重轮胎为90km/h;90km/h;轻型载重轮胎为轻型载重轮胎为100km/h100km/h。最高速度是持续行驶速。最高速度是持续行驶速 度，并非平均速度。度，并非平均速度。 速度，km/h 负负荷变变化率， 重型载载重轮轮胎载载重轮轮胎轻轻型载载重轮轮胎 40+5+10+12.5 50+2. 5+7. 5+10 600+5+7.5 700+2.5+5 800+2.5 9000 1000 轮胎使用速度与负荷对应关系 高分子科学与工程学院 四、轮胎负荷下接地面积和接地压力分布 4.4.轮胎骨架材料对负荷能力的影响轮胎骨架材料对负荷能力的影响 轮胎采用

9、高强度骨架材料和采用新型结构均可增加胎体强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。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.接

10、地面积的影响因素 实验证明，轮胎下沉量是影响轮胎与路面接触面积的主要 参数。如内压和负荷同时改变而保持轮胎下沉量不变，轮胎 接地面积实际上仍是常数。这说明接触现象可以用不伸张膜 或壳弯曲的模型描述。 （1）胎冠曲率半径大，接地印痕的长 轴会变短；短轴略微变长。但总的接 地面积还是小于曲率半径小的，胎冠 曲率半径小，接地长轴较长，接地面 积较大。 高分子科学与工程学院 （2）行驶速度 随着滚动速度增加，接地面积也略有增加的趋势，虽然不很 明显。所有试验都是负荷为常数时得到的。 (3)下沉量：下沉量增大，接地面积增大，在一定范围内接近线 性关系。 高分子科学与工程学院 3.接地压力分布及其影响因素

11、 在轮胎和路面的界面上作用于轮胎单元表面面积的力矢量可 表达为两个分量，一个垂直接触表面，称为正分量；一个与接触 表面相切，通常称为剪切分量，后者在接触平面内还可进一步分 解为两个分量。一个与轮胎中心平面平行，另一个则与之垂直。 轮胎与路面相互作用力的正压强，可用接地面积内的平均压强q 表示， Q=Q/F 这里，F接地椭圆的全部面积；Q轮胎的法向荷 。 较精确的表示方法应是实际印痕面积F，上的平均压强q q=Q/F 高分子科学与工程学院 q值比q值大，它们之间的关系与胎面花纹饱和度有关即与 花纹块表面和花纹沟表面的比值有关。 实验表明，实际上，正压强在轮胎与路面接触的面积内分布 是不均匀的，其

12、一个可能状态是: P=P0+f 这里，P是作用在任意点上的垂直压 强分量，P0是轮胎充气内压，f是一些普 通的函数关系，据现在所知，它是很复 杂的与轮胎的结构性能，轮胎牵引或制 动力矩，轮胎的侧向力，以及轮胎的速 度等因素有关，但它能定性的说明问题。 高分子科学与工程学院 6.00-16 轮胎接地法向压力分布 负荷Q=4.6kN 充气压力P=220kPa 行驶速度V=1km/h （1）胎面曲率半径：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。 （2）轮胎结构：子午线轮胎行驶面的接地压力分布比斜交轮 胎的均匀。 高分子科学与工程学院

13、 （3）带束层结构 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 式中 L 轮胎行驶里程，km h

14、1轮胎花纹深度，mm ho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 2.加宽轮辋宽度，增大C/B值，能改善耐磨性能 轮胎C/B 值对胎面磨耗的影响 1计算曲线；2实测曲线 3.增大胎面的弧度半径，也能提高轮胎耐磨性 高分子科学与工程学院 4.胎面花纹直接接触路面，合理设计胎面花纹能使轮胎具有 较高的耐磨性。降低花纹

15、沟槽的百分率，增加横向花纹，以 及减少花纹的移动性等，都能提高轮胎的耐磨性。 5.路面等级对轮胎磨耗的影响很大 高分子科学与工程学院 5.轮胎内压降低和负荷增加以及行驶速度加快，不同程度增大 胎面磨耗，但影响的幅度由于车辆、轮胎、路面复杂条件变化 ，不能作定量的肯定，只能指出一般变化规律。 6.气候对胎面花纹滑移影响较大，主要是气候影响胎面的作用 温度和路面状况，引起不同的磨耗条件。 高分子科学与工程学院 2-3 轮胎的滚动阻力与周向变形 当轮胎滚动时，轮胎和路面都发生变形，由于轮胎和路 面是非理想的弹性体，所以在它们变形时产生能量消耗。能 量消耗在轮胎材料和路面的内摩擦，以及轮胎对路面的摩擦 滑移中。这些现象的总效应通常称为轮胎的滚动阻力 。 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: 高分子科学与工程学院 式中