本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1引言：輪胎在各種車輛或機(jī)械上裝配的接地滾動的圓環(huán)形彈性橡膠制品通常安裝在金屬輪輞上，能支承車身，緩沖外界沖擊，實(shí)現(xiàn)與路面的接觸并保證車輛的行駛性能。輪胎常在復(fù)雜和苛刻的條件下使用，它在行駛時承受著各種變形、負(fù)荷、力以及高低溫作用，因此必須具有較高的承載性能、牽引性能、緩沖性能。同時，還要求具備高耐磨性和耐屈撓性，以及低的滾動阻力與生熱性。隨著社會的發(fā)展，人們對輪胎的需求和要求逐步提高。我運(yùn)用CAD繪圖軟件設(shè)計(jì)11.00R20全鋼載重子午線輪胎，通過課題設(shè)計(jì)，了解和掌握輪胎設(shè)計(jì)特別是全鋼載重子午線輪胎的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)流程及各部位尺寸的確定與計(jì)算，為今后的工作打下牢固的基礎(chǔ)。2設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備2.1輪胎基本參數(shù)的確定輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步是確定所設(shè)計(jì)的輪胎的規(guī)格，再根據(jù)其用途確定其荷載能力。11.00R2016PR這種規(guī)格輪胎在國標(biāo)中和TRA及ETRTO中均有16層級的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其參數(shù)的選取參照國標(biāo)選取。輪胎外輪廓設(shè)計(jì)依據(jù)“薄膜-網(wǎng)絡(luò)”理論及“自然平衡輪廓曲線”來設(shè)計(jì)，而負(fù)荷能力則根據(jù)同規(guī)格TRA的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面給出國標(biāo)（GB 3487-89）中 5平底寬輪輞的參數(shù)圖和各標(biāo)準(zhǔn)中11.00R20型號輪胎輪廓的基本參數(shù)表4-7。圖4-1 5平底輪輞基本參數(shù)Figure 4 -1 5 Flatbed wheels basic parameters表4-1各標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)參數(shù)Table 4-1 The standards-related parameters規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)輪輞負(fù)荷指數(shù)相應(yīng)氣壓kPa最大負(fù)荷kg充氣外緣尺寸mm標(biāo)準(zhǔn)雙胎單胎外直徑斷面寬11.00R2016PR8.0149/145810/770287032701085293GB9744-8811.00R2016PR8.0149/146790296032401085293TRA200611.00R2016PR8.0150/146790300033501082286ETRTO20012.2輪胎負(fù)荷能力的計(jì)算11.00R2016PR為非制載重子午線輪胎，根據(jù)美國TRA工程手冊載重汽車輪胎篇中推薦的計(jì)算公式，單胎負(fù)荷計(jì)算公式為： Q=K0.425（P-15）0.585B0.6251.39（dr+B0.625） （4-1）當(dāng)用公制計(jì)算時需乘以公制換算系數(shù)0.231，此時 Q=K0.2310.425（P-15）0.585B0.6251.39（dr+B0.625） （4-2）式中：Q負(fù)荷， kg； K負(fù)荷系數(shù)。 依據(jù)TRA-2006：取 K=1.30 P充氣壓，kgf/cm2； 依據(jù)TRA-2006：11.00R2016PR的單胎最大充氣壓力為 ：810（kPa）=8.1kgf/cm2 dr輪輞直徑， cm； 11.00R2016PR 規(guī)格輪胎的dr=202.54=50.8（cm） B0.625在62.5%輪輞上的斷面寬度，cm。 （4-3） 式中： CR設(shè)計(jì)輪輞寬度 cm；由圖1-1可知C=20.3（cm） ； B設(shè)計(jì)輪輞上的輪胎斷面寬度 （充氣斷面寬） cm； 依據(jù)GB 9744-88：取B=29.3（cm ） ； 即負(fù)荷能力：Q=K0.2310.425（P-15）0.585B0.6251.39（dr+B0.625） =1.300.2310.425（8.1-150.07032）0.05828.231.39（50.8+28.23） =3282.78kg單胎負(fù)荷：3282.78kg大于GB標(biāo)準(zhǔn)3270kg，滿足要求。雙胎負(fù)荷：為單胎負(fù)荷的91%（單胎負(fù)荷為2180kg以上）。即：3282.780.91=2987.33kg1。3 子午線輪胎外輪廓斷面形狀設(shè)計(jì)3.1外直徑D與斷面寬B的確定由于子午線輪胎胎冠部有周向不易伸張的帶束層箍緊著胎體的特點(diǎn)，所以充氣后輪胎的外直徑膨脹率要比斜交胎小得多。一般充氣后外直徑變化甚小，大致增加1-2mm，有時不膨大還略減小。因此模型斷面輪廓外直徑的取值可與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的新胎外直徑相等或稍小一點(diǎn)。 則： D=1085mm D/D=1 D=1085mm B=293mm B/B=1.01 B=290.1290mm3.2胎圈著合直徑d的確定為滿足輪胎與輪輞緊密的著合及拆裝方便的需要,GB中8.00in輪輞的標(biāo)定直徑為20in(508mm)，取輪胎著合直徑為:d=508mm3.3斷面高H與斷面水平軸H1和H2的確定由公式： （4-4）子午線輪胎斷面最寬點(diǎn)半徑的位置要比斜交輪胎的高，希望能使輪胎的變形落在水平軸以上，帶束層端點(diǎn)以下的上胎側(cè)高（H2）區(qū)域之內(nèi)，并減小下胎側(cè)高（H1）區(qū)域的應(yīng)力和胎圈的應(yīng)力。由于子午線輪胎胎體簾線呈徑向排列，其鋼絲圈承受力要比斜交胎的大，容易造成子口破裂，故斷面最寬點(diǎn)半徑要取得高一些來減輕所承受的力。一般選取H1/H21，載重子午線輪胎最高去值可達(dá)1.4。本規(guī)格根據(jù)2005年各公司輪胎的測量值取H1/H2=1.1。則：H2=H/2.1=288.5/2.1=137.38137.5mmH1=HH2=288.5137.5=151mm3.4斷面最寬點(diǎn)半徑的確定輪胎斷面最寬點(diǎn)為輪胎變形量最大的點(diǎn)，其值的大小直接影響輪胎的使用。其計(jì)算公式為： （4-5） 3.5胎圈著合寬度C的確定近20年來子午線輪胎朝著扁平化方向發(fā)展，扁平比由80系列逐步降低到20系列。低斷面子午線胎的斷面高很矮，導(dǎo)致胎側(cè)剛性的增大，為了提高胎側(cè)的柔軟性，將子口寬度C設(shè)計(jì)超過輪輞寬度CR。當(dāng)安裝在比子口寬度窄的輪輞上，充氣后使胎側(cè)彎曲并易變形，從而降低了過高的剛性，恢復(fù)其胎側(cè)應(yīng)有的彈性，因此改善了輪胎的乘坐舒適性。子口寬度C的選取可參考輪輞寬度與斷面的比值和子口寬度與輪輞寬度之間的差值來確定，但其差值一般不宜太大，約0.5in（12.7mm）左右，不超過1.0in（25.4mm）。標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度為8.0in，本設(shè)計(jì)值取8.5in（215.9mm）。取整數(shù)為C=216mm。3.6行駛面寬度b與弧度高h(yuǎn)和h的確定子午線輪胎行駛面弧度的選取，主要與輪胎扁平比和帶束層剛性有關(guān)。行駛面弧度半徑R1的確定是直接與行駛面寬度（b）和行駛面弧度高（h）有關(guān)。為確定b和h兩個參數(shù)應(yīng)考慮帶束層寬度（BW）與行駛面寬度、行駛面弧度高和斷面高、行駛面寬度和斷面寬度之比值及胎體簾線類型等方面的影響因素。行駛面弧度高（h）與斷面高（H）之比值，為保證輪胎與路面在行駛面寬度范圍內(nèi)有最大的接地面積，一般h/H取0.030.05為宜。行駛面寬（b）與斷面寬（B）之比值，對70、80系列及其以上規(guī)格輪胎的b/B一般取0.70.85為宜。根據(jù)2005佳通對各輪胎廠的測量值選?。篵/B=0.73 B=290mm 則b=2900.73=211.7212mmh/H=0.035 H=288.5mm 則h=288.50.035=10.110.0mmh=0.6h=0.610.0=6.0mm （根據(jù)作圖當(dāng)h=0.6h時，Rn和Rn的切點(diǎn)位置較合適）3.7外輪廓弧度的計(jì)算3.7.1胎冠弧Rn 及Rn的確定11.00R20規(guī)格輪胎行駛面b較寬，用一段弧則行駛面太尖，接地面小，耐磨性差，而且會使帶束層彎曲。所以適合用兩個弧度半徑Rn和Rn。 （4-6）Rn一般為2540%Rn，根據(jù)確定：Rn=0.30Rn=0.30939.33=281.80mm3.7.2胎側(cè)上弧半徑R1的確定 （4-7） L胎肩切線長度H2/2=137.5/2=68.75mm上胎側(cè)與胎面連接用半徑為150mm的反弧連接，這樣可以減少胎肩厚度，有利散熱，節(jié)省膠料。3.7.3胎側(cè)下弧半徑R2的確定 （4-8）式中： a下胎側(cè)弧度曲線與輪緣曲線交點(diǎn)至輪緣曲線起點(diǎn)間的距離，一般a等于輪輞輪緣寬度的2/33/4。由相關(guān)設(shè)計(jì)取a=0.723.5=16.45mmHC輪輞輪緣高度（a點(diǎn)對應(yīng)的高度），由測量得HC=39.0mm即： =345.47mm3.7.4胎圈曲線弧半徑R4、R5的選取胎圈曲線弧度設(shè)計(jì)，根據(jù)輪輞邊緣曲線設(shè)計(jì)要求，胎踵曲線半徑R4小于輪輞相應(yīng)部位半徑(21.5mm) R4取21mmR5大于輪輞相應(yīng)部位半徑(8mm) R5取9mm 3.7.5下胎側(cè)自由半徑R3的選取R2和胎圈輪廓半徑R4用R3連接，一般R3約為R2的2540%。R3易取小，便于增加下胎側(cè)至胎圈過度位置的厚度，即增加子口膠的厚度，防止子口破裂問題。所以取R3=0.25R2=0.3345.4786mm4 子午線輪胎花紋設(shè)計(jì)4.1輪胎花紋的基本功能傳遞牽引力、制動力和轉(zhuǎn)向力的功能；安全行駛功能好，特別是耐濕滑和抗側(cè)滑性，并提供足夠的附著力和確保汽車的操縱穩(wěn)定性；保證輪胎的里程壽命。4.2輪胎胎面花紋的要求保證與路面有優(yōu)良的附著性能（縱向和橫向滑移?。貏e在高速下行駛，抗?jié)窕蛡?cè)滑性能好確保行車安全；耐磨性能好且耐磨耗均勻，花紋不易崩花掉塊、不易裂口、耐刺扎性能好；滾動阻力小，花紋生熱低，散熱性好；震動小，花紋塊要保持連續(xù)性；花紋溝自潔性好，不夾石子，泥沙易清除；還要做到低噪聲、美觀。4.3花紋設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)花紋塊面積與行駛面總面積之間成一定的比例，一般花紋塊為行駛面積的6080%，載重胎為7080%；花紋塊大小配合要均勻，不易相差太大；花紋塊的構(gòu)型要避免銳角，一般采用超過90的鈍角；花紋塊角度不應(yīng)與簾線角度重合，一般至少要大3；合理選擇花紋溝寬度與深度之比。4.4胎面花紋設(shè)計(jì)11.00R20載重子午胎要適用高速公路和普通路面的使用，根據(jù)市場情況主要采用四條或三條縱向曲折花紋，本設(shè)計(jì)為三條縱向曲折混合花紋。根據(jù)相關(guān)手冊，裝配平底輪輞的輪胎設(shè)計(jì)花紋深度，11.00R20為13.518.0mm。本規(guī)格設(shè)計(jì)花紋溝深16.5mm，寬12mm。具體花紋設(shè)計(jì)見設(shè)計(jì)圖。5 子午線輪胎帶束層的設(shè)計(jì)帶束層是子午線輪胎的主要受力部件，在很大程度上決定著胎體的變形，并承受大部分的應(yīng)力.帶束層的剛性對子午線輪胎使用性能影響很大，因此，對它的設(shè)計(jì)與計(jì)算是子午線輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問題。 5.1帶束層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶束層結(jié)構(gòu)主要是指它的簾布層數(shù)，簾線角度、密度、和排列方式，帶束層的厚度、寬度和長度，以及所采用的簾線結(jié)構(gòu)與類型等。5.1.1帶束層的層數(shù)與結(jié)構(gòu)本規(guī)格采用意大利倍耐力公司的0帶束層結(jié)構(gòu)，如下圖：圖 4-2 0帶束層結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4-2 0 Steel belt structure Map第1、2層是帶束層中主要承受應(yīng)力者，稱工作層，簾線角度為1523。起著束縛胎體向外膨脹的作用，其剛性可直接影響輪胎的耐磨性、操縱性和節(jié)油等使用性能。第3層稱保護(hù)層，一般采用高伸長簾線，角度與工作層相仿，是起著保護(hù)工作層的作用，也起著防止胎面與帶束層之間產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，提高輪胎的使用壽命和翻新率。0帶束層有兩層沿周向排列重疊纏兩圈而組成的環(huán)狀增強(qiáng)帶束條。其主要作用是減小帶束層邊部的變形，提高子午線輪胎的胎肩剛性，減少變形生熱，保護(hù)帶束層免受由應(yīng)力應(yīng)變作用產(chǎn)生的疲勞損壞和熱破壞。保證在高速行駛時具有穩(wěn)定的尺寸，提高胎面穩(wěn)定性、減少不均勻磨耗。與普通結(jié)構(gòu)帶束層子午線輪胎相比，有以下性能方面的改善：a.降低滾動阻力，節(jié)省燃料，約節(jié)油5%；b.降低生熱，輪胎耐久安全，有更好的高速性能；c.胎面穩(wěn)定，減少變形滑移，不易產(chǎn)生偏磨，提高行駛里程約20%，翻新率高；d.提高輪胎的側(cè)向剛性（轉(zhuǎn)彎剛性），提高路面抓著性能，改善車輛的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性能。5.1.2帶束層的角度與密度帶束工作層簾線角度的取值，既要考慮到帶束層對胎體的箍緊作用，又要照顧到便于加工。對于子午線輪胎耐磨性來說，帶束工作層簾線的最宜角度為1520。帶束層簾線密度要根據(jù)簾線強(qiáng)度和直徑以及所受應(yīng)力而定。一般第1層（過渡層）的簾線密度可稀一些，只要保證與胎體有良好黏合強(qiáng)度，一般選用45根/；第2、3層（工作層）的簾線密度，既要考慮確保輪胎受力強(qiáng)度（要求安全倍數(shù)），又要考慮簾線之間保持良好的附著力，要求含膠量的比例約占50%60%，因此一般為56根/，具體還需視鋼絲簾線的強(qiáng)度和直徑而定。5.1.3帶束層的寬度和長度載重子午線輪胎的帶束層寬度一般與輪胎行駛面寬度相當(dāng)。因帶束層太窄會降低胎面的耐久性和穩(wěn)定性，還會產(chǎn)生磨肩現(xiàn)象，而過寬又易造成帶束層脫空。取值范圍一般為0.941.05為宜。本設(shè)計(jì)的倍耐力帶束層結(jié)構(gòu)的帶束層寬與著和直徑相當(dāng)。每層依次與下一層的差級為1015。帶束層長度是指帶束層直徑，其值的大小對子午線輪胎箍緊程度有直接影響。5.1.4帶束層簾線角度的排列方向帶束層的結(jié)構(gòu)排列形式對輪胎磨耗、帶束層端部脫層以及輪胎行駛性能等方面都有很大影響。如左、左、右、左（-、-、+、-）排列的輪胎均勻性中角效應(yīng)（plysteer）指標(biāo)為“-”值，這對右行道交通規(guī)則的安全性差，相反，如果右、右、左、右（+、+、-、+）排列則使輪胎均勻性中角效應(yīng)（plysteer）指標(biāo)為“+”值，這對右行交通規(guī)則就能提高安全性。 綜合上述本規(guī)格帶束層的結(jié)構(gòu)為：表4-2帶束層鋼絲簾線的相關(guān)參數(shù)Table 4-2 Belt layer of steel cord for the relevant parameters鋼絲結(jié)構(gòu)破斷力N/根密度根/m角度排列方向長度m寬度m半徑mm1層（1+3）0.22+60.38HT2262657.822+3.2200.1680.592層（1+3）0.22+60.38HT2262657.814-3.2340.1890.593層340.22HE96041014+3.2490.1020.590層370.22HE139094506.5275兩層0.0320.70第3層帶束層長=3.14D-2（花紋溝深+基部教厚）-掛膠簾布厚度/2=3.141085-2（16.5+7.5+2.4/2） =3248.6mm第2、1、0層長度的算法類推。5.2帶束層應(yīng)力的計(jì)算根據(jù)美國公式： （4-9）式中：T1帶束層簾線應(yīng)力，N/根； P充氣內(nèi)壓，kPa； P=810kPa 胎冠點(diǎn)半徑，m； =542.5-24-32.4-2.0=509.3mm=0.5093m n帶束層（工作層）層數(shù)； n=2 aK成品帶束層胎冠點(diǎn)簾線角度（與周向夾角），（）；硫化后成品輪胎帶束層的胎冠點(diǎn)簾線角度aK的經(jīng)驗(yàn)公式如下： sinaK/sina0=1-4mcos3a0 （4-10） a0胎坯中半成品帶束層簾線角度（裁斷角），（）； a01=22；a02=14； aK硫化胎中成品帶束層胎冠簾線角度，（）； m半成品帶束層直徑（D0）至成品帶束層直徑（Db） 的膨脹率（即m=Db/D0-1）； D0=1027.4mm，Db=1039.88mm 即：m=0.012 sinaK1=（1-40.012cos322）sin22=0.359 sinaK2=（1-40.012cos314）sin14=0.231 則：aK1=21.05 ；aK2=13.36 iK成品帶束層胎冠點(diǎn)簾線密度，根/m； iK=i0Db/D0=657.8/1.012=650根/m （4-11） 5.3帶束層安全系數(shù)K的計(jì)算安全系數(shù)K值的確定是隨計(jì)算公式不同而要求其值取不同，另外，還要根據(jù)輪胎類型和輪胎使用條件不同等因素，來選取安全系數(shù)K值。根據(jù)實(shí)際使用結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)表明，如果采用美國公式，對載重子午線輪胎在公路上使用情況下，一般K值可取6倍以上。安全系數(shù)的計(jì)算公式如下： K=Tn/T1 （4-12） 式中：Tn帶束層簾線破斷強(qiáng)度，N/根； Tn=2262N/根 T1帶束層簾線所受應(yīng)力，N/根； T1=349.18N/根 即：K=2262/349.18=6.48倍 （符合要求）此結(jié)果是計(jì)算了兩層工作層的安全系數(shù)，第3層及0帶束層也有一定的箍緊作用。所以實(shí)際的安全系數(shù)要比計(jì)算的大，這樣更能夠保證輪胎的行駛安全性。 5.4帶束層中橡膠部件的確定5.4.1中間膠的確定為了有效地調(diào)節(jié)帶束層剛性，減少剪切力，提高附著力，設(shè)有中間膠放置在胎體與第1層帶束層之間，也有放置在胎面膠與帶束層之間，以便更好的提高胎面與帶束層之間的黏合性能。本設(shè)計(jì)為兩條寬為10mm，厚為0.6mm，長分別為3212mm（第1層帶束層與胎體之間）和3252mm（胎面與帶束層之間）的膠條。具體位置見設(shè)計(jì)圖。5.4.2帶束層墊膠的確定為將胎體簾布層與帶束層端頭隔開，是胎肩與胎側(cè)的連接弧墊的比較平坦，是帶束層能平直的放置在胎體層上面，并轉(zhuǎn)移和吸收動態(tài)條件下通常集中于胎肩的應(yīng)力，防止在胎側(cè)上部與胎肩連接區(qū)出現(xiàn)早期破壞，帶束層末端下面放置柔軟低定伸、高耐疲勞的膠料作肩墊膠，從而防止胎體簾布層與帶束層之間產(chǎn)生剪切應(yīng)變。具體尺寸如下：圖4-3帶束層墊膠尺寸圖Figure4-3 Belt layer plastic pad size charts5.4.3層間墊膠的確定由于載重子午線輪胎帶束層數(shù)多，各層的端部受力和變形較大，尤其在工作層之間受力更大，因此，在1層與2層之間放置硬度高、模量高、變形小的膠料，從而提高層間的附著力，防止帶束層端部的脫層。其厚度為0.6mm，寬度為160mm，長度為3226mm。5.4.4帶束層封口膠的確定由于帶束層邊緣露出沒有鍍層的鋼絲端頭，此端頭并未固定而且裁斷后較鋒利，加之端部受力和變形較大。為此，帶束層端部應(yīng)加貼黏合性能好和耐疲勞強(qiáng)度高的封口膠。表4-3帶束層封口膠的相關(guān)參數(shù)Table 4 -3 Belt-sealed plastic map of the relevant parameters厚度 mm寬度 mm長度 mm數(shù)量第1層0.51032162第2層0.51032212第3層0.510323426子午線輪胎胎體簾線的設(shè)計(jì)與計(jì)算胎體簾線的作用是承擔(dān)一定的負(fù)荷及限制輪胎的變形.載重子午線輪胎一般為一層鋼絲簾線。6.1胎體簾線的選擇本規(guī)格選用鋼絲簾線做胎體。鋼絲的主要特點(diǎn)是耐熱性和導(dǎo)熱性極好，強(qiáng)度高，且強(qiáng)度受溫度影響極小，初始模量高，伸長率極小，有利于輪胎尺寸穩(wěn)定性能。 其缺點(diǎn)是密度大; 與橡膠粘合及耐疲勞腐蝕，化學(xué)腐蝕差；對于胎體用鋼絲簾線，最重要的性能是高抗疲勞性能和高抗磨損能力。所以一般采用高強(qiáng)度、小半徑的鋼絲，以及良好、穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝；而好的抗磨損能力則意味著更多地采用無外纏死、滲膠性能得到良好改善、內(nèi)外層捻向一致的簾線及緊密型簾線。本規(guī)格胎體簾線的選取參照2002年北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院對某公司相關(guān)型號輪胎的胎體簾線分析選取。表4-4胎體簾線的相關(guān)參數(shù)Table4-4 The cord matrix parameters map簾線結(jié)構(gòu)簾線破斷力（N）直徑（mm）簾線密度（根/cm）長度m寬度m（13）+9+150.2227001.356.01596429.5 胎體簾線長度=3.14(Db+24) =1596mm圖4-4胎體簾布層尺寸圖（本圖為胎體的一半）Figure4-4 Carcass ply - size map (the map half of the matrix)6.2胎體簾線應(yīng)力的計(jì)算子午線輪胎的胎體簾線呈徑向排列，即與輪胎周向成90夾角（a）或與斷面輪廓線成0夾角（b）。因此，簾線承受由內(nèi)壓引起的應(yīng)力比斜交輪胎要小一些，這是為什么子午線輪胎能減少胎體層數(shù)的主要原因，這也可以從計(jì)算公式來說明。胎冠點(diǎn)最大簾線應(yīng)力計(jì)算公式為： （4-13） 式中：tmax胎體簾線最大應(yīng)力，N/根； p充氣壓力，kPa； p=810 kPa 胎冠點(diǎn)半徑，m； =542.2-24-2.43-2=509.3mm=0.5093m 斷面最寬點(diǎn)半徑，m； rm=D/2-H2=542.5-137.5=405mm=0.405m iK胎冠點(diǎn)簾線密度，根/m； iK= ioDo/DK=6000.5085/1.0186299.5（根/cm） （4-14）式中：io簾線的原始密度，根m ； io=600根m Do簾線在成型貼合鼓上尚未膨脹時的直徑，m； Do=0.5085m DK胎冠點(diǎn)直徑，m； DK=1.0186m n胎體簾布層數(shù)。 n=16.3胎體簾線安全系數(shù)的計(jì)算安全系數(shù)的取值是與輪胎類型、速度級別以及使用條件如路面要求等有關(guān)。載重輪胎在良好路面一般取1012倍。安全系數(shù)K的計(jì)算公式如下：K=Tn/tmax （4-15）式中：tmax胎體簾線最大應(yīng)力，N/根； tmax=253.2N/根Tn胎體簾線破斷力，N/根； Tn=2700 N/根 即：K=2700/253.2=10.66倍 ( 符合要求)6.4內(nèi)襯層的確定本設(shè)計(jì)為有內(nèi)胎輪胎，所以內(nèi)襯層為一層。由于子午線輪胎胎體為一次鋼絲簾線，胎體強(qiáng)度較低，所以內(nèi)襯層較厚，本設(shè)計(jì)取3.5mm。表4-5內(nèi)襯層相關(guān)參數(shù)Table 4-5 Lining layer of the relevant parameters層數(shù)厚度/mm寬度/mm長度/mm一層3.57681586圖4-5內(nèi)襯層尺寸圖（本圖為內(nèi)襯層的一半）Figure 4-5 Lining size map layer (layer lining the map half)7子午線輪胎胎圈的設(shè)計(jì)與計(jì)算子午線輪胎的胎體簾線呈徑向排列，胎體簾布層數(shù)少，胎側(cè)柔軟，胎圈剛性不足，受力過大，輪胎行駛時，穩(wěn)定性差。因此，胎圈部位必須加強(qiáng)，但在加強(qiáng)的同時，又須考慮怎樣使增強(qiáng)的胎圈與柔軟的胎側(cè)之間有一個適宜的剛性過渡，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起胎圈脫層、斷裂或折斷等其他類型的損壞，并改善輪胎的行駛性能。7.1胎圈結(jié)構(gòu)的確定子午線輪胎的胎圈結(jié)構(gòu)比斜交輪胎的部件要多的多，也比較復(fù)雜。為了保證胎圈的剛性，除應(yīng)力用大而硬的三角膠芯外，還需要剛性較高的加強(qiáng)層，一般采用鋼絲簾布、尼龍等纖維簾布，同時需用不同形狀的填充膠來使剛性的胎圈逐步過度到柔軟的胎側(cè)。為防止胎圈磨損，一般在與輪輞接觸的胎圈部位增貼一層耐磨性好的子口護(hù)膠。本規(guī)格為有內(nèi)胎輪胎，其結(jié)構(gòu)如下： 1內(nèi)襯層 1-lining layer 2鋼絲簾布層 2-layer steel cord 3軟三角膠3- Soft filler strip 4硬三角膠 4- Hard filler strip 5鋼絲圈 5-Bead wire6胎側(cè)膠 6-tire sidewall 7子口護(hù)膠 7-retaining plastic bead 8加強(qiáng)層8-enhancing layer 圖4-6 胎圈結(jié)構(gòu)圖Figure 4-6 Bead chart這種結(jié)構(gòu)可提高胎圈剛性，胎圈結(jié)構(gòu)的材料布置比較均勻?qū)ΨQ，適用于一次或兩次法成型工藝。7.2鋼絲圈斷面形狀及鋼絲性能的確定為了適應(yīng)載重子午線輪胎胎圈結(jié)構(gòu)的需要，鋼絲圈斷面形狀比較多樣，例如有圓形、六角形、橢圓形、矩形、寶塔形、U形和方形等。目前載重子午線輪胎中廣泛使用六角形鋼絲圈，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，工藝制造方便，生產(chǎn)效率高。有內(nèi)胎載重子午線輪胎用正六角形斷面鋼絲圈，其結(jié)構(gòu)如下圖：圖4-7鋼絲圈斷面結(jié)構(gòu)Figure 4-7 Bead section structure表4-6鋼絲圈鋼絲的參數(shù)Table 4-6 Bead wire the parameters 鋼絲圈結(jié)構(gòu)單根鋼絲直徑/mm單根鋼絲破斷力/N單根鋼絲破斷伸長率/%單根鋼絲掛膠直徑/mm鋼絲圈根數(shù)/根5-6-7-8-9-8-7-6-51.6538225.02.061鋼絲圈外包附一層厚1.0mm的纖維簾布加以固定。7.3鋼絲圈應(yīng)力的計(jì)算子午線輪胎胎體簾線呈徑向排列，受內(nèi)壓作用時胎體簾線對鋼絲圈的拉力較大。另外，鋼絲圈應(yīng)力除充氣壓力作用外，有時還與胎圈和輪輞的配合密切有關(guān)。如有內(nèi)胎輪胎的平底或5斜底式輪輞與胎圈配合情況，計(jì)算鋼絲圈應(yīng)力，只需考慮充氣內(nèi)壓的作用力。而無內(nèi)胎輪胎用深槽式輪輞，計(jì)算鋼絲圈應(yīng)力，除考慮充氣內(nèi)壓作用力之外，還須附加計(jì)算輪胎胎圈對輪輞的過盈力。本規(guī)格為有內(nèi)胎輪胎所以計(jì)算時只需考慮充氣內(nèi)壓的作用力。計(jì)算公式如下： （4-16） 式中：p充氣壓力，kPa； p =810 kPa 胎冠點(diǎn)半徑，m； =0.5093m 斷面最寬點(diǎn)半徑，m； =0.405m K校正系數(shù)，（對于子午線輪胎 K=0.95）。 =36690.33N7.4鋼絲圈安全系數(shù)的計(jì)算與取值安全系數(shù)k的計(jì)算公式為： （4-17）式中： 胎圈鋼絲破斷力，N/根； =3822 N/根胎圈中的鋼絲根數(shù)，根； =61根鋼絲圈總應(yīng)力，N。 =36690.3N本規(guī)格輪胎為有內(nèi)胎，鋼絲圈應(yīng)力不用考慮胎圈對輪輞的過盈力，僅由內(nèi)壓引起。所以其安全系數(shù)k值為57倍。即： （符合要求） 7.5胎圈加強(qiáng)層的設(shè)計(jì)子午線輪胎的胎圈結(jié)構(gòu)比斜交胎的部件復(fù)雜的多，為了保證胎圈的剛性，除用大而硬的三角膠芯外，還需剛性較高的加強(qiáng)層，有的靠在胎圈外側(cè)，也有的靠在內(nèi)側(cè)或內(nèi)外側(cè)都有加強(qiáng)層。本設(shè)計(jì)為重型載重子午線輪胎，所以采用內(nèi)外側(cè)都有加強(qiáng)層，其相關(guān)參數(shù)為：表4-7胎圈加強(qiáng)層的相關(guān)參數(shù)Table 4-7 Bead strengthening layer parameters鋼絲種類角度密度根/cm寬度mm長度mm排列半徑mm厚度mm2+2x0.25228.51151595右0.62.0圖4-8胎圈加強(qiáng)層尺寸圖Figure 4-8 Strengthening bead size map layer7.6胎圈子口護(hù)膠的設(shè)計(jì)為了防止胎圈磨損，一般在與輪輞接觸的胎圈部位增貼一層耐磨性好的子口護(hù)膠，其相關(guān)參數(shù)如下圖： 圖4-9胎側(cè)膠/子口護(hù)膠尺寸圖Figure 4-9 Tire sidewall / bead size for plastic map7.7胎圈三角膠的設(shè)計(jì)子午線輪胎的胎圈結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，胎圈一般較大，所以要用三角膠加以填充。同時為了保證胎圈的剛性和胎側(cè)的柔性，將三角膠設(shè)計(jì)為兩部分：由一個硬三角膠與鋼絲圈連接，然后逐漸過度變軟由軟三角膠和胎側(cè)連接，這樣就能很好的過度。具體設(shè)計(jì)如下圖1-28-13： 圖4-10三角膠尺寸圖Figure 4-10 Filler strip size map8子午線輪胎內(nèi)輪廓斷面形狀的設(shè)計(jì)與計(jì)算本設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓的設(shè)計(jì)采用自然平衡輪廓曲線設(shè)計(jì)。自然平衡輪廓設(shè)計(jì)方法是以經(jīng)典薄膜-網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)。該理論的假設(shè)條件為：認(rèn)為充氣壓力是唯一的作用力，而且應(yīng)力僅僅作用于薄膜壁上；對剪切和曲撓力均可忽略不計(jì)，當(dāng)輪胎充氣時，胎體所受應(yīng)力是均勻分布的。從薄膜-網(wǎng)絡(luò)理論的靜態(tài)力學(xué)平衡方程中得出充氣輪胎平衡輪廓曲線的曲率半徑公式為： （4-18） 式中：輪廓任意點(diǎn)的曲率半徑； 胎冠點(diǎn)半徑； 斷面最寬點(diǎn)半徑； aK胎冠點(diǎn)簾線角度； r斷面輪廓上任意點(diǎn)半徑。此公式是用于普通斜交輪胎的平衡內(nèi)輪廓曲線，由于子午線輪胎的胎體簾線角度于胎冠中心線周向呈aK=90夾角（或按斷面徑向呈bK=0夾角）。因此其曲率半徑計(jì)算公式可簡化為： （4-19）從此公式中可以看出，只需確定rk和rm值后，即可求得斷面輪廓上任意一點(diǎn)的曲率半徑（r）。由于胎體層具有一定厚度，故應(yīng)以胎體層的中線來計(jì)算平衡輪廓曲線較合理。8.1確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù) 需要事先確定的輪胎設(shè)計(jì)參數(shù)有：輪胎外半徑R=D/2=1085/2=542.5mm；輪胎斷面寬B=290mm；子口寬度C=216mm：子口著和直徑rt=254mm； 輪胎行駛面弧度半徑r1=755.4mm(1值大小取一段弧計(jì)算的結(jié)果，防止胎里太平)； 胎面至簾布層中線的厚度m=31.2mm；胎側(cè)至簾布層中線的厚度n=5.0mm；輪輞的輪緣半徑rf=293.8mm。 8.2求出內(nèi)輪廓斷面上某點(diǎn)至車輪旋轉(zhuǎn)軸的半徑從理論上來講，平衡輪廓曲線上各點(diǎn)的曲率半徑均不同，但在實(shí)際使用中為了便于計(jì)算和簡化設(shè)計(jì)，可不必要求很多曲率半徑，而只需尋求幾個典型點(diǎn)的位置，并相應(yīng)地求出該位置的曲率半徑。這些典型點(diǎn)為胎冠點(diǎn)（A）、斷面最寬點(diǎn)（C）和曲率過渡節(jié)點(diǎn)（j）等，見下圖所示：（1）胎冠點(diǎn)半徑=Rm=542.531.2=511.3mm； （4-20）（2）斷面最寬點(diǎn)半徑=RH2=542.5137.5=405mm； （4-21）（3）下胎側(cè)j點(diǎn)半徑rj=j/2=（）/2 （4-22）=405（511.3405）/2=351.85mm；圖4-11典型點(diǎn)位置Figure 4-11 The location typical point 8.3求出內(nèi)輪廓斷面上典型點(diǎn)的曲率半徑 （1）胎冠點(diǎn)曲率半徑r2=r1m=755.431.2=722mm； （4-23）（2）斷面最寬點(diǎn)胎側(cè)曲率半徑r3=（22）/2 （4-24）=（511.324052）/2405=120.25mm；（3）胎肩曲率半徑r4=（22）/2 （4-25） =（511.324052）/2511.3=95.25mm；（4）下胎側(cè)j點(diǎn)曲率半徑r5=（22）/2rf （4-26） =（511.324052）/2293.8=165.75mm。曲率半徑的圓心O2、O3分別在縱橫軸上，O4、O5、以內(nèi)切圓用幾何作圖法找出圓心，內(nèi)輪廓曲率半徑的繪制見下圖：圖4-12內(nèi)輪廓曲率半徑的繪制Figure 4-12 Within a radius of curvature of the contour map drawing8.4胎圈部位內(nèi)輪廓曲線的設(shè)計(jì)由于輪胎圈厚度大大超過胎體層的厚度，所以平衡輪廓曲線的中線應(yīng)設(shè)在胎圈的中央部位。這就必須先確定鋼絲圈中心點(diǎn)E的坐標(biāo)，可根據(jù)胎圈結(jié)構(gòu)和鋼絲圈的排列來確定S和q值，即可定下E點(diǎn)的位置，然后以r5為半徑，通過E點(diǎn)向下胎側(cè)的弧線作外公切圓，這樣就可繪得胎圈部位的內(nèi)輪廓中面曲線，如圖所示： 圖4-13胎圈中面曲線和E點(diǎn)Figure 4-13 Bead facial curve and E coordinates 圖 4-14胎圈中線的繪制 Figure 4-14 Bead centerline drawing 8.5平衡輪廓內(nèi)輪廓曲線的繪制根據(jù)上述步驟，將已知參數(shù)和計(jì)算參數(shù)編制成表如下1：表4-8平衡輪廓曲線計(jì)算表Table 4-8 Curve balance calculation chart輪胎規(guī)格：11.00 R 20原始參數(shù)（mm）R=542.5B=290rf=293.8rt=254C=2161=566.8m=31.2n=5.0S=18q=17計(jì)算參數(shù)（mm）rk=Rm=511.3rm=405r2r1m=535.6j=rKrm=106.3rb=rtq=271rj=(3rmrK)/2=351.85r3（rk2rm2）/2rm=120.75r4（rk2rm2）/2rk=95.25r5（rk2rm2）/2rf=165.75通過上表參數(shù)繪制內(nèi)輪廓圖如下： 圖 4-15平衡輪廓曲線 Figure 4-15 Balancing contour diagrams9子午線輪胎施工設(shè)計(jì)由于子午線輪胎胎體簾線排列的特殊性，必須有一個多層結(jié)構(gòu)簾線角度排列接近于周向的帶束層來相應(yīng)配合。因此，子午線輪胎與斜交輪胎的成型工藝不同，要求將胎體先定型，之后再進(jìn)行帶束層和胎面膠的貼合，而且成型后的胎坯尺寸幾乎接近于成品，這樣就帶來了子午線輪胎成型方法的復(fù)雜性和多樣性，同時也會使輪胎成品對半成品施工要求的多樣化。9.1成型方法的選擇成型方法的選擇主要與子午線輪胎的結(jié)構(gòu)（如胎體層數(shù)、扁平比等）和性能要求（如高速、高性能輪胎等）有關(guān)，但同時也應(yīng)考慮生產(chǎn)效率和設(shè)備價格等因素。目前比較成熟的成型方法有一次成型和二次成型法。（1）一次成型法一次成型法是在一臺成型機(jī)上完成扣胎圈、正反包、上帶束層和胎面等成型步驟。不用上、下裝卸胎坯，因此不會引起半成品部件不對中心線或分布不均等問題。由于一次法成型機(jī)頭直徑小于鋼絲圈直徑，所以包胎圈后簾線分布均勻不起皺折。另外，在鋼絲圈定位的同時反包，不再轉(zhuǎn)動，亦可避免胎圈周圍的材料部件發(fā)生變形。根據(jù)一次法成型過程的特點(diǎn)，歸納以下優(yōu)點(diǎn)：確保成型精度，各材料部件正確貼合到位，不發(fā)生轉(zhuǎn)動移動；胎圈部位質(zhì)量好，包圈后不起皺折，簾線分布均勻，提高輪胎餓均勻性；省去上、下卸胎坯和中間搬運(yùn)，從而避免了胎體簾線扭曲變形，保證胎坯質(zhì)量；復(fù)合部件、帶束層、胎面等半成品部件自動定長、裁斷，且各部件按設(shè)定程序均勻錯開接頭分布，大大提高了輪胎的均勻性；工藝操作方便，機(jī)械化和自動化水平高，成型周期短，生產(chǎn)效率高。一次法成型雖有眾多優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處的弱點(diǎn)：胎體膨脹比值大，在定型時膨脹率高達(dá)80%100%，所以胎體簾布接頭易發(fā)生劈縫和其他部件接頭也易開裂。一次法的成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)要更換輪胎規(guī)格時，則費(fèi)事、費(fèi)時、工作量大，轉(zhuǎn)產(chǎn)靈活性差。另外，成型機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修保養(yǎng)難度大。一次法成型機(jī)價格昂貴，據(jù)報道，一臺一次法成型機(jī)的耗資相當(dāng)于23套二次法成型機(jī)。目前輪胎的扁平化、超扁平化更促進(jìn)了一次法成型工藝的長足發(fā)展。雖然一次法成型工藝難度較大，但適用于伸張較小的扁平化子午線輪胎，也適用于全鋼絲載重子午線輪胎 ，更適用于扁平化的無內(nèi)胎鋼絲子午線輪胎。（2）二次成型法將一條輪胎的成型步驟分別在兩臺設(shè)備上完成。在第一段成型機(jī)上完成上簾布筒、扣胎圈、正反包、貼子口膠和胎側(cè)膠等，在第二段成型機(jī)上完成貼帶束層和胎面膠稱為二次成型法。二次成型法是子午線輪胎問世后早期的成型方法，歷史悠久，技術(shù)成熟。根據(jù)二次成型法的特點(diǎn)，比較適用于多層胎體的纖維子午線輪胎和扁平比大的圓斷面子午胎，如輕載子午線和纖維載重子午線輪胎以及對性能要求檔次不高的轎車子午線輪胎。綜合上述，本設(shè)計(jì)采用一次成型法。9.2成型鼓類型的選擇成型鼓常見的類型與斜交胎采用的相似，有半芯輪式、半鼓式和鼓式三種。半芯輪式適用大型和中型載重子午線輪胎，特別是纖維胎體。半鼓式只要適用于胎體為23簾布層的中、輕型載重子午線輪胎和轎車子午線輪胎。鼓式主要適用于單層胎體簾布的全鋼子午線輪胎和轎車子午線輪胎的一次成型法。所以本規(guī)格采用鼓式成型鼓。9.3成型鼓直徑與寬度的計(jì)算9.3.1成型鼓直徑Db的計(jì)算一次法成型載重或轎車子午線輪胎均采用鼓式成型機(jī)頭，要求成型鼓直徑小于輪胎鋼絲圈直徑，約比減去鋼絲圈底部半成品厚度后的直徑再略小一些，以便成型操作。所以計(jì)算公式為： Db=（DC2q）2X （4-27） 式中：DC鋼絲圈直徑，mm； DC=542mm q鋼絲圈底部半成品膠厚，mm； q=18mm X操作范圍，mm； X=3mm 即：Db=（542-218）23=500mm則相關(guān)計(jì)算參數(shù)為：成型鼓直徑與鋼絲圈直徑之比為：Db/DC=500/542=0.923胎里直徑與成型鼓直徑之比為：DK/Db=1018.6/500=2.037著合直徑與成型鼓直徑之比為：d/Db=508/500=1.0169.3.2成型鼓寬度BSC的計(jì)算因鼓式成型鼓沒有鼓肩，所以沒有鼓肩曲線，也沒有鼓肩寬度。因此鼓式成型鼓寬度計(jì)算公式可以簡化為：BS=2