【课件】轮胎结构设计(青岛科大)Chapter2.

高分子科学与工程学院第二章轮胎的性能力学与结构力学§2-1轮胎的法向力与法向变形一、轮胎静负荷性能1、轮胎的下沉量（法向变形）和压缩系数(factoroftriecompression)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H0QHc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。ba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、轮胎负荷与气压关系从图中不难看出轮胎气压与负荷之间的关系是非线性的。高分子科学与工程学院二、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=PπhcRn*2DchDacnhRb2DRhabSnc2高分子科学与工程学院c（二）高孟田（GKomandi匈牙利）经验公式KPDBQChc6.043.07.085.01K---15×103B+0.42C1--轮胎设计参数，斜交胎=1.15，子午胎=1.5Q---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、轮胎负荷下接地面积和接地压力分布1．行驶面曲率半径:（一）接地面积的影响因素高分子科学与工程学院胎冠曲率半径大，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。2．充气压力：P增大，接地面积减小。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。4.行驶速度由右图我们可以看出：高分子科学与工程学院5.道路表面状况的影响当道路表面存有水、油、泥浆等液体污染会使轮胎与路面之间的接触面积减小。（二）接地压力分布及其影响因素1.压力分布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高分子科学与工程学院2.影响压力分布因素（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（3）带束层结构高分子科学与工程学院（三）接地压力分布对使用性能的影响1．胎面耐磨性能2．轮胎制动性能3．轮胎通过性能§2-2轮胎的侧向力及侧向变形和纵向力及周向变形一、侧偏现象轮胎接地面的长轴与车轮的中分面在地面上的投影不重合，并且车轮前进的方向与车轮滚动的方向不一致，两者之间形成夹角即侧偏角α，如图高分子科学与工程学院1．轮胎类型子午线轮胎的侧向力大于斜胶胎的侧向力。主要是带束层结构决定。2．轮胎结构参数与花纹H/B小的宽轮辋轮胎的侧向力较大；胎冠角越大，帘布层数越多，胎侧的刚性越大；横向花纹的侧向力小于纵向花纹的侧向力。3．垂直负荷对给定的侧偏角，侧向力随着垂直负荷的增加而增大4．充气压力轮胎侧向力随气压的增加而增加，但气压过高时侧向力不再增加。二、轮胎侧向力、侧向变形的影响因素5．路面干湿与速度高分子科学与工程学院三、轮胎的滚动阻力（一）滚动阻力的产生原因：滞后环、轮胎的变形（二）轮胎半径2．静负荷半径Rs1．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。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。高分子科学与工程学院3．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。(三)滚动阻力的影响因素1．轮胎结构在各种速度下，子午线轮胎的滚动阻力都小于斜交胎的滚动阻力。在高速下，低断面斜胶胎的滚动阻力比普通断面的滚动阻力小。2．轮胎结构设计参数b下降，h下降，花纹深度变浅，肩部厚度减薄，采用纵向花纹都可降低滚动阻力。胎冠角度越大，周向刚性越大，滚动损失越小。3．材料性能选E大的骨架，滞后损失小。钢丝聚酯尼龙4．气压与负荷5．行驶速度高分子科学与工程学院轮胎转动的条件：Fx*Rs≥Q*a（二）附着力与附着系数附着力（Fφ）是路面对轮胎切向反作用力的极限。在硬路面上FФ与Q成正比不同路面的附着系数：薄雪的最小Φ=0.22湿的沥青路和水泥路Φ=0.35冰路面的Φ=0.25比较干的沥青路和水泥路Φ=0.4-0.6附着系数Φ=FФ/Q四、轮胎的牵引力和附着性能aQRsFx发动机提供轮胎转动的条件：Fx*Rs≥Q*a发动机提供（一）牵引力高分子科学与工程学院＊＊从轮胎结构上考虑增大轮胎的附着系数，我们可以:1)提高行驶曲率半径2)使接地压力分布均匀3)增加花纹块的分散度4)提高胎体弹性5)提高胎面胶料的tgδ§2-4轮胎的高速性能一、高速时轮胎断面形状的变化高分子科学与工程学院3．行驶速度与生热的关系随轮胎速度的增加，轮胎各部位的温度是按线性规律增长的，这一关系一直保持到临界速度。关系可近似表示为：式中：T----轮胎温度v----轮胎行驶速度a1,a2----系数21avaT高分子科学与工程学院1.高速时轮胎半径的变化BPRdmkR2式中：dm----行驶面每1cm2中的质量B----轮胎充气断面宽；R----轮胎外直径；P----充气内压；k----系数，随轮辋宽度的增加、胎冠帘线角度的增大、帘线刚度的增大而减小，一般0.1—0.2。pRdm2一般在0.5以内。较大时R增长缓慢2．钢丝圈、帘线应力变化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）接地压力分布不均匀（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Hattori公式：mmmlmkklcrrrrrrrprv2)(2)(2222四、临界速度的影响因素1．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2．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。3．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4．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§2-5轮胎的噪音一、轮胎噪音发生的机理轮胎的噪音由几方面的噪音组成，主要是由于轮胎振动导致。由轮胎胎面、胎侧的振动以及胎面撞击路面相对路面的滑动，均发生振动噪音。二、轮胎噪音的测量1.实车滑行试验测量轮胎噪音这个试验方法的缺点是必须把测得的汽车滑行噪音变成单个试验轮胎的噪音，因轮胎以外的噪音不易消除，准确性欠佳。滑行试验场地应选在周围不形成有回声的平坦路面。2.单个轮胎台架试验测量轮胎噪音该方法存在的问题是：转鼓曲率半径无法与地面曲率半径相近，导致轮胎与转鼓的接触面积和形状与地面上有区别。此外，转鼓与地面的粗糙度差异、转鼓的振动等也对测量结果有影响。高分子科学与工程学院3.单胎路试法测量轮胎噪音三、轮胎噪音的影响因素1.轮胎规格对轮胎噪音的影响噪音最大的是载重车轮胎，轻型载重车轮胎次之，轿车轮胎（含微型车轮胎）噪音最小。2.轮胎结构对轮胎噪音的影响在行驶速度相同时，斜交胎的噪音比子午胎的大。3.轮胎材料对轮胎噪音的影响钢丝作为帘线材料的轮胎噪音较小高分子科学与工程学院4.轮胎花纹对轮胎噪音的影响ABCDE分别代表硬独有小到大的五种橡胶，由右图可见，胎面较硬度小的，轮胎的噪音最小。右图可见：光滑胎面轮胎噪音最小，纵沟花纹轮胎的次之，横沟花纹轮胎的噪音最大。而花纹沟数、花纹沟总断面积以及花纹沟内容积大小的变化，会使轮胎噪音大小随之发生变化，测试证明这些都成正比例关系。高分子科学与工程学院5.行驶速度对轮胎噪音的影响同一轮胎因行驶速度的改变而轮胎噪音也起变化高分子科学与工程学院