R子午线轮胎的结构设计.docx

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R子午线轮胎的结构设计

沈阳化工大学

本科毕业设计

题目：

295/80R22.5子午线轮胎的结构设计

院系：

材料科学与工程学院

专业：

高分子材料与工程

班级：

1001班

学生姓名：

熊丁

指导老师：

赫秀娟教授

设计提交日期：

2014年06月19日

设计答辩日期：

2014年06月24日

毕业设计任务书

高分子材料与工程专业

1001班

学生：

熊丁

毕业设计（论文）题目：

295/80R22.5子午线轮胎的结构设计

毕业设计（论文）内容：

1）负荷核算、胎体帘布层设计、带束层设计、胎面花纹设计

2）设计绘制外胎断面结构图、材料分布图、胶囊结构图

3）书写结构设计说明书

毕业设计（论文）专题部分：

指导教师：

签字年月日

教研室主任：

签字年月日

院系负责人：

签字年月日

摘要

本次毕业设计为295/80R22.5子午线轮胎的结构设计。

设计断面膨胀率取1.03，外直径1042mm，断面宽289mm，胎圈着合直径570mm，胎圈着合宽度254mm，断面水平轴位置（H1/H2）为1.10，行驶面宽度232mm。

胎面花纹采用的是不对称的4条纵向花纹，花纹深度15.0mm，花纹饱和度77.6%。

轮辋的标准是15°深槽轮辋DC型轮辋。

骨架材料选取的是钢丝帘线，其轮胎的最大负荷高于国家标准的最大负荷。

胎体结构采用一层钢丝帘线，三层半缓冲层的结构设计。

钢丝圈断面形状为15°正六边形，以单钢丝圈加强胎体。

胶囊的尺寸根据外胎内缘对应数值来设计。

轮胎不配备内胎，空气直接充入轮胎的内腔。

关键词：

298/80R22.5；全钢载重子午线轮胎；无内胎轮胎；胎面花纹设计；结构设计。

Abstract

Thegraduationprojectis295/80R22.5radialtyrestructuredesign.Designsectionexpansiontakes1.03,outsidediameter1042mm,sectionwidth289mm,thediameterofthebeadwithatotal570mm,beadwidthat254mm,cross-sectionhorizontalaxisposition（H1/H2）of1.10,runningsurfacewidthof232mm.Asymmetricaltreadpatternisusedinthelongitudinaldirectionofthetread4,treaddepth15.0mm,thesaturationofpatternis77.6%.Thestandardofrimis15°dropcenterrimDCtyperims.Skeletonsteelcordmaterialisselected,themaximumtireloaditsmaximumloadishigherthanthenationalstandard.Carcasslayerstructureusingasteelcordstructuredesign,threeandahalfofthebufferlayer.Sectionalshapeofthebeadof15°hexagon,asinglebeadstrengtheningcarcass.Designedaccordingtothesizeofthecapsulecasinginneredgecorrespondingvalues.Tireswithinnertubes,airdirectlyintothetirecavityfilled.

Keywords：

298/80R22.5；All-steelRadialTruckTyre；TubelessTires；TreadPatternDesign；StructuralDesign.

第一章文献综述1

1.1轮胎的功能及使用性能1

1.1.1轮胎的基本功能1

1.1.2轮胎的基本使用性能1

1.2轮胎的结构组成与分类1

1.2.1轮胎的组成2

1.2.2轮胎的分类2

1.3轮胎的历史与发展3

1.4中国轮胎的现状及前景4

1.5子午线轮胎简介5

1.5.1子午线轮胎性能特点5

1.5.2子午线轮胎的发展6

第二章轮胎负荷能力的计算11

2.1负荷计算基本公式11

2.2基本参数选取11

2.3Bm的计算12

2.4计算W值12

2.4设计依据国标12

第三章轮胎外缘尺寸设计14

3.1外胎轮廓尺寸的确定14

3.1.1轮胎断面宽B的确定14

3.1.2轮胎外直径D的确定15

3.1.3轮胎断面高H的确定15

3.1.4轮胎水平轴位置的选取H1/H215

3.1.5行驶面宽b和行驶面高h的确定16

3.1.6着合宽度C与着合直径d的确定17

3.2外胎断面各连接弧半径确定及绘图方法18

3.2.1胎冠部弧度曲线18

3.2.2胎侧部弧度曲线19

3.2.3胎圈弧度曲线20

3.2.4胎肩轮廓曲线21

3.2.5外胎轮廓绘图步骤21

第四章轮胎外胎花纹设计22

4.1外胎花纹设计的基本要求22

4.2花纹的类型23

4.3胎冠部花纹设计24

4.3.1花纹沟深度的确定24

4.3.2花纹沟宽度的确定25

4.3.3花纹排列角度及花纹沟断面形状25

4.3.4花纹沟基部胶厚度26

4.3.5花纹节距、周节数的确定27

4.4胎肩及上胎侧花纹27

4.5胎面其他尺寸28

4.5.1胎面排气孔28

4.5.2排气线28

4.5.3胎肩防擦线28

4.5.4定心分度线29

4.5.5胎冠、胎侧磨耗标志29

4.5.6花纹块宽度29

4.5.7花纹饱和度的计算29

4.6花纹展开图的设计29

第五章轮胎胎体和缓冲层的设计31

5.1胎面胶厚度的计算31

5.1.1胎面厚度31

5.1.2胎肩胶厚度31

5.1.3胎侧胶厚度31

5.2胎体的结构设计32

5.2.1帘布层数32

5.2.2帘线排列角度的确定32

5.2.3胎体强度安全倍数的计算32

5.2.4气密层确定33

5.3轮胎缓冲层的设计34

5.3.1带束层结构设计34

5.3.2缓冲层强力安全倍数的计算35

5.4轮胎胎圈设计36

5.4.1钢丝圈形式及数量的确定36

5.4.2钢丝圈的设计37

5.5外胎内缘曲线设计37

5.5.1成品断面各部位厚度的设计37

5.5.2成品断面各部位弧度半径的设计38

第六章轮胎胶囊的设计40

6.1胶囊夹口直径设计40

6.2胶囊的断面周长伸张L40

6.3胶囊厚度40

6.4胶囊高度41

6.5胶囊排气槽设计41

致谢42

参考文献43

附录一44

附录二50

第一章文献综述

1.1轮胎的功能及使用性能

轮胎是汽车的重要部件之一，它直接与路面接触，和汽车悬架共同来缓和汽车行驶时所受到的冲击，保证汽车有良好的乘座舒适性和行驶平顺性；保证车轮和路面有良好的附着性，提高汽车的牵引性、制动性和通过性；承受着汽车的重量，轮胎在汽车上所起的重要作用越来越受到人们的重视。

1.1.1轮胎的基本功能

随着车辆的高档化、高性能化、使用条件的多样化，轮胎需要的功能、性能也不断发展成多样化。

为达到良好的牵引力和稳定性，还要根据不同的通途选择轮胎花纹。

而且，轮胎被镶在轮辋上使用，需要与轮辋紧紧结合，因此这部分应具有坚固的结构。

具体来说，轮胎作为汽车的一个重要的部件，其功能是：

承受车辆自重及承载货物的负荷；

和汽车悬架共同缓冲来自路面的冲击，并衰减由此产生的震动，以保证汽车有良好的行驶平稳性和乘坐舒适性；

为传递驱动力和制动力，提供足够的附着力；

为改变或保持汽车行驶方向提供足够的转向操纵与方向稳定性。

1.1.2轮胎的基本使用性能

轮胎的使用性能包括承载负荷性、耐磨性能、缓冲性能、附着于牵引性能、行驶安全性能、节能与经济性、高速性等。

1.2轮胎的结构组成与分类

轮胎作为结构较为复杂的橡胶制品，它是车辆的重要配件，为更好的了解和掌握它的设计及生产工作，必须首先了解其结构、组成及各部位材料的性能和作用，只有这样，才能更加好地完成它的设计任务。

1.2.1轮胎的组成

轮胎一般又外胎、内胎、垫带组成，有些情况下如果是一条无内胎轮胎，那么就只有外胎。

外胎是轮胎设计最为复杂、生产工艺最多的产品，外胎的组成包括胎面、胎体、胎圈三部分。

如图1-1是轮胎与轮辋装配断面图，图1-2所示为外胎各部位的组成。

图1-1轮胎与轮辋装配断面图图1-2外胎各部位的组成

1.2.2轮胎的分类

从不同角度可对轮胎进行不同的分类，通常分类包括按照骨架结构分类、按照用途及国际标准进行分类、按照不同车辆进行分类等。

根据轮胎骨架材料的排布情况，轮胎可分为斜交轮胎、带束斜交轮胎、子午线轮胎。

斜交结构轮胎是历史最悠久的一种结构，设计理论、生产工艺较为成熟，随着汽车及轮胎工业的发展，出现了子午线轮胎和带束斜交胎。

轮胎按照国际标准一般分为轿车轮胎、载重轮胎、农业轮胎、工程轮胎、特种车辆轮胎、航空轮胎、摩托车胎和自行车胎。

每一种轮胎都有相应的标准对其规范，确定各种类和规格的相应指标。

不同用途的车辆使用的轮胎种类是不同的，PC—轿车轮胎；LT—轻型载货汽车轮

胎；TB—载货汽车及大客车胎；AG—农用车轮胎；OTR—工程车轮胎；ID—工业用车轮胎；AC—飞机轮胎；MC—摩托车轮胎。

[1]

他分类方法其1.2.3.4其他分类方法包括活胎面轮胎、低断面轮胎、宽断面轮胎、拱形轮胎、反弧轮胎、无内胎轮胎、安全轮胎。

总的来说，当前随着汽车制造和交通运输部门对轮胎要求日益苛刻，安全舒适的耐用等问题日益突出。

为此，轮胎结构趋势是三化一体。

三化是子午线化、无内胎化、低断面化。

一体是三化共同实施于一条轮胎上。

[2]

1下面将几个比较重要的阶段介绍如下。

开始起步，组织科研

胎的历史与发展轮1.3轮胎是汽车的主要部件之一，是汽车的腿。

最早的轮胎是由木头制造的，这从我国古代的战车上和国外的绅士马车上都能看出。

后来，哥伦布在1493-1496年第二次探索新大陆到达西印度群岛中的海地岛时，发现了当地小孩所玩的橡胶硬块。

他把这个奇妙的东西带回了祖国，若干年以后，橡胶得到了广泛的应用，车轮也逐渐由木制变成了硬橡胶制造。

但这时的橡胶轮胎却还是实心的，走起来还很不舒服，而且噪声也很大。

1845年美国人发明了用橡胶和皮革制成的简易充气轮胎，并装在马车上，第一条充气轮胎诞生。

1888年英国人邓录普制造了第一批充气轮胎，不久又制造出带有气门嘴的充气轮胎。

1890年巴特莱先后解决了内胎、钢丝圈，使轮胎可箍紧在轮辋上。

1892年，帘线的出现（骨架材料），这是轮胎发展史上重大的突破。

轮胎使用帘线作为骨架材料的发明。

1895年出现了汽车，由于汽车的出现，开辟了充气轮胎的使用范围。

1895年制造出汽车用样品轮胎。

1899年生产出小型汽车轮胎，但只能在好路面上行驶。

1908年—1912年这个时期轮胎开始有了几个显着的变化：

开始了轮胎花纹的历史。

增加了轮胎断面宽，允许采用较低的气压，以获得较好的缓冲性能。

1913年以后的十多年中，又发明了帘线、瓦斯炭黑和无机、有机等配合剂，并相继用于轮胎生产，轮胎制造工艺日趋完善，产量与日俱增，这一时期可称为轮胎工业发展的初期。

后来，又出现了人造丝，新型轮胎骨架材料的出现，使轮胎的强度增加，负荷能力提高，使用寿命长。

1938年，又研制了钢丝帘线并用于生产轮胎，称为“钢丝胎”。

1942年，又发现了尼龙纤维帘线，由于高强力的帘线的出现，大大地推动了轮胎结构的重大改进。

1913年，英国的格雷和斯洛伯发现了子午胎并申请了专利。

1930年，米其林制造了第一个无内胎轮胎；

1946年，米其林又发明了举世闻名的子午线轮胎。

1948年，法国米西林首先生产制造出子午胎。

[3][4]

我国子午线轮胎开发研究的萌芽时期可追溯到1958年，当时天津橡胶工业研究所的科技人员以敢想敢干的精神开始了研究工作。

直到1960年院、所（天津橡胶工业研究所与北京橡胶工业设计院）合并为化工部北京橡胶工业研究设计院之后，继续开展了全钢丝斜交载重胎和活胎面载重胎以及半钢丝载重子午线轮胎的研制工作。

后来到了1964年，由中国橡胶工业总公司下达科研项目，以北京橡胶工业研究设计院为龙头在四个点同时开展不同品种子午线轮胎的研制:

桦林橡胶厂搞活胎面载重子午胎；上海大中华轮胎厂搞全钢丝载重子午线轮胎；青岛橡胶二厂搞半钢丝载重子午线轮胎；北京橡胶工业研究设计院除自己研制子午线轮胎以外，还配合各厂开展工作。

国轮胎的现状及前景中1.4中国轮胎生产已有70多年的历史。

在1950年前,轮胎年产量不足3万条；到1980年,轮胎产量已达到1146万条,基本是斜交轮胎；2003年,全国轮胎产量约为1.6亿条,子午线轮胎产量为7600万条（其中全钢载重子午线轮胎1117万条）,全国轮胎子午化率为47.5%。

中国对子午线轮胎的研发始于20世纪60年代中期,形成规模的产业化生产始于90年代初期。

随着中国汽车工业的快速发展和高速公路的迅速增加,1990-2000年,子午线轮胎产量年均增长率达40%；2000-2003年,子午线轮胎产量的年均增长率仍保持在28%,其中钢载重子午线轮胎产量2002和2003年的增长率分别达到和超过60%。

轮胎的规格、品种基本能满足目前国内市场的需求和部分出口需求。

中国轮胎出口逐年增加,目前约有总产量30%的轮胎销往欧、美、澳、中东、东南亚等地区。

子午线轮胎的发展大大带动了国内轮胎橡胶机械和原材料行业的发展。

在中国,子午线轮胎已成为较完整、较先进的新兴产业。

由于中国轮胎与其它橡胶制品生产的迅速增长，中国已成为世界第一耗胶大国。

轮胎需求的预测，以2010年汽车总产量为1000万辆,其中轿车600万辆计,目前汽车保有量为2480万辆,据预测,2010年国内轮胎的需求量约为2.1亿条,以出口5000万条。

据推测2015年轮胎总需求量预计为60681万-78489万条,其中子午线轮胎51716万-67982万条,子午化率约为85%-86%,今后5年内年均增长速率为12.95%-19.65%,子午线轮胎年均增长速率为12%-20%；汽车轮胎总需求量为39628万-53432万条,子午化率达到91%-92%；工程机械轮胎需求量为1053万条,其中子午线轮胎达423万条,子午化率40%,巨型工程机械轮胎3万条,全部为子午线轮胎,子午化率达100%；农业轮胎需求量为5000万条,其中子午线轮胎为800万条,子午化率达16%;轮胎出口量为1.5亿-1.9亿条,其中子午线轮胎为13799万-17485万条,子午化率达92%。

出口量宜控制在总生产量的25%左右。

[5]

②不断实践，缓慢前进

]6[方向发展，子午线轮胎要提高生产技术水平，使子午线轮胎能够大规模生产，早日进入先进行列。

种今后中国轮胎工业将向高技术、高质量、高效率、低能耗、多产品在摸索研制的基础上，逐步积累了经验，产品投人试用，获得初步效果。

在20世纪70年代初，大中华、青岛、桦林各厂的子午线轮胎先后通过产品鉴定并转入小批量生产，也就陆续有一定数量的子午线轮胎投放到社会使用。

这期间子午线轮胎生产工艺和装备水平还很差，原材料品种和质量也不能满足要求，产品设计仅是模仿国外的老产品结构，因此轮胎质量水平不够高，不够稳定。

即使如此，子午线轮胎的优越性仍能明显地表现出来，并逐步得到了用户的认识和欢迎。

但是各厂生产线的水平提高缓慢。

午线轮胎简介子1.5子午线轮胎胎体的帘线排列不同于斜交轮胎，子午线轮胎的帘线不是相互交叉排列的，而是与外胎断面接近平行，像地球子午线排列，帘线角度小，一般为0°，胎体帘线之间没有维系交点，当轮胎在行驶过程中，冠部周围应力增大，会造成周向伸张，胎体成辐射状裂口。

因此子午线轮胎的缓冲层采用接近周向排列的打交道帘线层，与胎体帘线角度成90°相交70°到78°，形成一条几乎不能伸张的刚性环形带，把整个轮胎固定，限制轮胎的周向变形，这个缓冲层承受整个轮胎60%到70%的内应力，成为子午线轮胎的主要受力部件，故称之为子午线轮胎的带束层。

斜交胎的主要受力部件不在缓冲层上，其80%到90%的内应力均由胎体的帘布层承担。

由此可见，子午线轮胎带束层设计很重要，必须具有良好的刚性，可采用多层大角度，高强度而且不易拉伸的纤维材料，如钢丝或者玻璃纤维等。

[7]

2明确方向，决心攻关

午线轮胎性能特点子1.5.1子午线轮胎的结构特点决定了它在使用中比斜交轮胎具有如下使用特性：

（1）节省燃料，滚动阻力小。

节省燃料是子午线轮胎最主要的优点之一。

汽车行驶中轮胎所消耗的功率要占汽车发动机的输出功率的30%～40%。

轮胎消耗的功率大小是受轮胎滚动阻力影响的。

轮胎的滚动阻力90%是由其结构和材料之间的摩擦（滞后损失）引起的。

而5%～10%是由轮胎与路面之间的摩擦引起的。

子午线轮胎的滚动阻力比斜交轮胎小20%～35%，因而在使用中消耗功率也小，可以节约汽油4%～10%。

一条子午线轮胎从新胎到报废，可比斜交胎节油210kg，六条轮胎（即六轮汽车）就能节约油料1.26t。

（2）胎面耐磨，行驶里程高。

子午线胎由于冠刚性大，周向变形小，胎面着地面积大，压强小，因而减少了胎面滑移；以及摩擦小，生热低等因素，使胎面耐磨耗，与斜交胎比较子午线胎可提高行驶里程20%～30%。

（3）生热低、适用于高速长时间行驶。

由于子午线胎内摩擦小、行驶中产生的热量低，以及胎体帘布层数少、散热快，因而行驶温度可比斜交胎低30%～40%。

于是减少了轮胎破坏的可能性，为高速行驶创造了条件。

其次，基于它的结构特点，子午线轮胎越是在较好路面、较高速度下行驶，节油效果越大，操纵稳定性越好。

（4）抓着力大，通过性能好。

与斜交轮胎比较子午线轮胎着地面积大，对地面的单位压力小。

在硬路面和软路面上的抓着力纵向比斜交胎大10%～20%。

侧向约大50%，通过性能大大提高。

特别是在湿滑和冰雪路面上子午线轮胎防侧滑性能好。

（5）缓冲性能好，减少汽车机件的损坏，乘座舒适。

子午线胎胎体帘线呈零度排列。

因而侧部刚性低，缓冲性能好，减少了汽车行驶时的震动而引起的机件损坏。

据统计，装用子午胎的汽车弹簧钢板寿命比装斜交胎提高一倍左右。

缓冲性能好，客车装用子午胎，乘坐舒适。

（6）耐刺扎，修补费用少、行驶安全。

子午线胎有坚固的钢丝带束层，以及对地面的单位压力小，在行驶中不易被刺穿、减少了修补时间和费用，增加行驶的安全性。

（7）通过性能好。

因为子午胎接地面积大，刚性强，抓着性能好，所以在泥泞路面、雪地打滑少，通过性能好。

子午胎的主要缺点：

（1）因为子午胎侧向刚性差，所以使用中侧向稳定性差，车速较快时方向有发飘感觉，胎侧变形大所受应力大。

（2）胎侧、胎圈易裂口，低速噪声大；

（3）成型复杂、部件多，精确性要求高，因而成型效率较低。

1.5.2子午线轮胎的发展

1892年,法国米其林公司发明了一种可以拆卸的充气橡胶轮胎,给轮胎修理带来

了极大便利,促进了充气橡胶轮胎的推广。

1908年,米其林公司研制出并装轮胎,有效解决了重型汽车的轮胎负荷问题。

这些轮胎史上的标志性发明最终催生了子午线轮胎的出现。

1946年,子午线轮胎由米其林公司发明,并取得专利。

子午线轮胎克服了斜交轮胎滚动阻力大、使用寿命短和缓冲性能差的缺点。

1951年米其林公司将子午线轮胎专利内容公布于世,从此子午线轮胎在全世界范围内开始推广开来。

子午线轮胎由于性能优异在世界范围内得到了迅速发展。

目前世界轮胎产量已达20亿条,其中子午线轮胎已占90%以上。

[8]欧洲轮胎子午化率已达100%,且高性能子午线轮胎占相当大的比例,子午线轮胎已成为全球轮胎工业的标准。

1970,1980,1990,2000和2010年世界轮胎子午化率分别达到15%,54%,75%,90%和95%（预计）[9]。

由此可以看出,子午线轮胎已经成为轮胎工业的发展方向,而且这种发展趋势在不断加强,成为轮胎工业发展中一种不可逆转的潮流。

[9]

由国家科委组织专家们在全国进行了系统调查，召开会议进行论证。

专家们根据掌握的大量科学实验和实际使用数据，得出了明确的结论，在中国也应该发展子午线轮胎。

这个结论对进一步统一认识、明确子午线轮胎的发展方向，起了很好的作用。

但由子汽车工业在那个时代主要生产载重汽车，轿车产量极少，所以对配用子午线轮胎的要求不高（因子午胎价格高于尼龙斜交胎）。

直到上海大众、一汽、二汽引进轿车牛产线才认识到了配用子午线轮胎的必要性。

再加上高速公路的修建迫使要采用子午线轮胎。

为了要立足于国内发展，必须要提高子午线轮胎的质量和生产水平，国家将子午线轮胎列人了“六五”（1980--1985年）科技攻关项目，由北京橡胶工业研究设计院和上海大中华轮胎厂为主要攻关单位，组织了全国卜几个配合单位联合攻关。

两个主要承担攻关项目单位分别完成了任务，达到了攻关指标，通过了鉴定验收，使国产子午线轮胎达到了一定水平，为今后推广使用国产化子午线轮胎的生产技术奠定了良好的基础。

界主要轮胎生产国子午线轮胎的发展世1.5.2.2法国是最早生产子午线轮胎的国家,同时也是全部实现子午化最早的国家。

1948年,米其林公司试制生产出世界第1条全钢子午线轮胎并推向法国市场。

1952年米其林公司把所有研究力量和经费用于改进子午线轮胎的性能。

从那时起,他们所建造的新轮胎厂都是按照子午线轮胎生产工艺而设计的。

1965年,米其林公司生产出胎面具有不对称花纹的XAS系列轮胎,子午线轮胎也第1次用到越野车上，为了满足赛车日益提高的要求,米其林公司开始生产一系列赛车用子午线轮胎。

1968年,新型VR系列轮胎能使车速达到240km/h,极限速度甚至超过300km/h,安全和舒适性同样十分出色。

1976年,TRX系列轮胎的发明是子午线轮胎发展过程中的一座里程碑,由于其与轮辋新的配合形式增大了胎侧的变形区,性能大为改进。

1980年,米其林公司发明摩托车用BIBTS系列轮胎。

1981年米其林公司首次推出航空子午线轮胎。

1985年,米其林公司推出M系列轿车子午线轮胎,并将其一直发展演进至今。

20世纪90年代以来,米其林公司为满足轮胎工业日益提高的要求,相继推出了低滚动阻力、抗湿滑性好的绿色轮胎MXT和MXV3A等产品。

绿色轮胎比普通子午线轮胎滚动阻力降低22%～24%,从而轿车可节省燃料3%～5%,载重汽车可节省燃料6%～8%。

1993年,米其林公司开发的C3M一体化全自动轮胎生产系统使轮胎厂基建投资节省50%、占地面积和操作人员减少50%～90%、原材料消耗减少9%,目前已在法国、美国、瑞典、西班牙和巴西等工厂投产使用。

2000年,米其林公司的Xone载重轮胎以单胎替代并装双胎,从而提高了车辆的承载能力并且可减少油耗。

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