轮胎设计理论与方法
橡胶工程教研室
目 录
轮胎设计理论与方法.....................................................................................................................- 0 - 第一章概论. (1)
第一节轮胎的组成与分类 (1)
第二节轮胎的规格表示 (4)
第三节轮辋 (6)
第二章轮胎的受力状态与使用性能 (7)
第一节轮胎的法向力和法向变形 (8)
第二节轮胎的侧向力及侧向变形和纵向力及周向变形 (15)
第三节轮胎的高速性能 (20)
第三章轮胎结构力学理论与模型 (28)
第一节轮胎结构应用经典理论 (29)
第二节轮胎结构应用有限元法的现代设计理论 (31)
第四章轮胎形状力学 (40)
第一节斜交轮胎形状力学 (40)
第五章轮胎用有限元分析法 (51)
第一节轮胎用有限元分析法的理论基础 (51)
第六章轮胎结构设计 (52)
第一节轮胎结构设计的理论基础 (52)
第二节轮胎结构设计 (53)
第三节轮胎计算机设计举例 (62)
第四节设计题目 (72)
第七章子午线轮胎设计与制造 (84)
第一节 子午线轮胎结构特点 (84)
第二节 子午线轮胎制造工艺 (93)
第八章轮胎胶料配方设计 (98)
第一节 轮胎各部件胶料配方设计 (98)
第九章轮胎成品测试 (102)
第一节外缘尺寸测定 (102)
第二节静负荷性能测定 (103)
第三节耐久性试验 (104)
第四节 强度试验 (105)
第五节 高速性能试验 (105)
第六节 脱圈阻力试验 (105)
第七节 平衡试验和均匀性试验 (106)
第一章概论
轮胎工业与汽车工业密切相关，汽车工业承担着为国民经济各部门提供交通运输机具的重要任务，轮胎又是汽车、拖拉机和各种工程车辆的主要配件，它固定在汽车轮辋上形成整体，起到支撑车辆重量、传递车辆牵引力、转向力和制动力的作用，并使车辆在行驶时吸收因路面不平引起的震动，并保护车辆及货物的行驶的安全和乘坐的舒适性。轮胎工业的发展总是随着交通运输业、农业机械化、矿业、林业及国防技术的发展而发展。在橡胶工业中，轮胎的产量、产值、耗胶量都较大，一般占总耗胶量的60%-70%，轮胎工业已成为橡胶工业的龙头产业，对国民经济的发展有重大的意义。
第一节轮胎的组成与分类
一、轮胎的组成与结构：
轮胎是汽车接触地面的唯一部件, 是乘客与车辆的载体. 轮胎做为一个充气物体，主要依靠胎腔内的空气
起作用，更确切地说是依靠充气的压力起作用. 空气压力承担负荷并影响汽车行驶的动态性能，甚至影响车子的舒适性. 轮胎是所有车辆部件中最关键的部件之一. 现在所有轮胎基本上都是无内胎的子午胎, 其基本结构如下，见图1-1。
包括：
胎面部（TREAD） 轮胎与路面接触的厚
厚的橡胶层，要求有良好的耐磨性能和
耐冲击性能。
带束层（BELT）将胎面及胎体紧紧联结
起来，具有提高胎面刚性作用的钢丝层。
胎肩（SHOULDER）部胎面端部与胎侧上
端之间的部分，具有保护胎体和发散行
图 1-1 轮胎的组成与结构
驶时产生热量的作用。
胎侧（SIDEWALL）部胎肩下端和胎圈之间的橡胶层，有保护胎体的作用。
胎体（CARCASS）部构成轮胎骨架的单层或多层覆胶帘线部分，要求有良好的耐冲击性能和耐屈挠性能。
胎圈（BEAD）部 胎体帘线缠绕其上，与轮辋结合的部位，由胎圈钢丝及橡胶等构成。
气密层（INNER）部轮胎的内衬层，要求有良好的气密性能。
二、轮胎的分类：
对于充气轮胎制品从不同角度可以进行不同的分类，下面从结构和用途两个常用角度加以分类。
1．按结构分类 按轮胎的骨架材料排列结构的不同充气轮胎可分为斜交轮胎(bias tyre)、子午线轮胎(radial tyre)两大类。在分别介绍之前，我们先对胎体帘布材料的排列方式加以介绍，用胎冠角来描述胎体帘线的排列角度，胎冠角(crown angle)是指轮胎胎体帘线与胎冠中心线的垂线的夹角，用βk 表示。对于子午线轮胎表示帘线的角度则是用帘线与胎冠中心线的夹角，用αk 表示，βk 与αk 互为余角。图1-2表示轮胎的胎冠角。
斜交胎的结构特征是相邻帘布层的帘线交错排列，胎体帘布层的层数都是偶数，且具有一定的胎冠角（48゜--56゜），其缓冲层（大于或等于胎体层胎冠角）主要起保护胎体的作用。子午胎的结构与斜交胎的根本区别在于子午胎其胎体帘线不是相交排列，而是各层间互相平 行地由一胎圈到另一胎圈排列，就象地球上的子午线，子午线轮胎因此而得名。因此，子午胎胎体比较柔软。这样排列帘线的强力就能得到充分利用。子午胎胎冠的带束层帘线是由几乎不伸长的，沿周向大角度与胎体层帘线几乎相互垂直钢丝帘线所组成，具有足够的刚性，它象坦克履带一样在路面上延展 ，因此子午胎胎面与路面接触时，很少产生周向或横向的滑动，从而提高了轮胎的各项性能 。
2．按用途分类 根据国际标准充气轮胎按用途分类轿车轮胎、载重轮胎、农业轮胎、工程轮胎、航空轮胎、摩托车胎、自行车胎。见图1-4。
图
1-2 胎冠角示意图
（a） （b）
图1-3 不同轮胎结构示意图
（a）斜交轮胎 （b）子午线轮胎
图1-4 按用途对轮胎分类
三、轮胎工业现状、发展
轮胎行业是化学工业的重要组成部分，在国民经济中占有重要地位。轮胎是机械车辆的重要配套产品。性能优越的子午线轮胎已成为轮胎发展的主流，世界主要轮胎生产国家已完成了由斜交轮胎向子午线轮胎的过渡。子午线轮胎自1948年法国开始工业化生产以来，到70年代末世界子午胎产量开始超过斜交胎。进入80年代后，随着高新技术和新材料在子午胎生产和科研开发上应用，进一步推进了子午胎的发展。
2000年世界轮胎市场达到696亿美元，其中北美、欧洲、亚太地区各占30%，中南美6%，其他4%。按品种分，轿车60%，卡车26.3%，工程5.6%，农用及其它7.9%。
世界轮胎产量近11亿条，其中子午胎接近90%。子午胎发展最快的地区和国家是欧洲、美国和日本。
1.国外著名轮胎生产公司
世界十大轮胎公司2000年销售情况见表1－1。
表1－1世界十大轮胎公司2000年销售情况表
序号 公司名称 轮胎销售额(亿美元) 占世界轮胎销售额比例(%)
1 日本普利斯通公司 137.5 19.6
2 法国米西林公司 132 18.8
3 美国固特异公司 127 18.1
4 德国大陆公司 49.
5 7.1
5 日本住友公司 27.8 4轮胎排名
6 意大利倍耐力公司 26 3.7
7 日本横滨公司 25.1 3.6
8 美国库珀公司 18 2.6
9 日本东洋公司 13.2 1.9
10 韩国锦湖公司 12.3 1.76
合 计 568.4 81.16
2.国内轮胎工业
中国的橡胶工业起始于1915年，最早的一家橡胶厂出现在广州，中国的第一条轮胎试制于1934年的上海。1949年全国解放时轮胎生产量仅2.6万条。新中国成立以来，中国轮胎工业在国家各级部门的关怀与支持下迅速发展。1979年轮胎产量达到1169万条，但都是斜交轮胎。
改革开放后，我国轮胎工业发生质的变化，子午胎在引进基础上开始规模化生产。2001年轮胎产量达到
10850万条，完成销售收入374亿元，我国轮胎生产规模居美国、日本之后，排名世界第三位。在2000年美国《橡胶塑料新闻》世界轮胎行业排行榜上，中国大陆有10家企业位居世界轮胎50强行列，其中山东三角集团有限公司以排名第15位，位居这10家企业之首。
3.轮胎新品种、新工艺
1）节能轮胎、绿轮胎、环保型轮胎进入90年代最具代表性、划时代的新一代子午线轮胎，就是节能轮胎、绿轮胎、环保型轮胎的出现。发明子午线轮胎的米其林公司率先于
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