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
沈阳化工大学学士学位毕业设计 毕业设计任务书
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： 295/80 R22.5 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 沈阳化工大学学士学位毕业设计 摘要
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289 mm，胎圈着合直径 570 mm，胎圈着合宽度 254 mm，断面水平轴位置（H1/H2）为1.10，行驶面宽度232 mm。胎面花纹采用的是不对称的4条纵向花纹，花纹深度15.0 mm，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。
沈阳化工大学学士学位毕业设计 Abstract
Abstract
The graduation project is 295/80R22.5 radial tyre structure design .Design section expansion takes 1.03 , outside diameter 1042mm , section width 289 mm , the diameter of the bead with a total 570 mm , bead width at 254 mm , cross-section horizontal axis position (H1/H2) of 1.10 ,running surface width of 232mm. Asymmetrical tread pattern is used in the longitudinal direction of the tread 4 , tread depth 15.0 mm, the saturation of pattern is 77.6% .The standard of rim is 15 ° drop center rim DC type rims. Skeleton steel cord material is selected , the maximum tire load its maximum load is higher than the national standard . Carcass layer structure using a steel cord structure design , three and a half of the buffer layer. Sectional shape of the bead of 15 ° hexagon , a single bead strengthening carcass . Designed according to the size of the capsule casing inner edge corresponding values. Tires with inner tubes, air directly into the tire cavity filled.
Key words： 298/80R22.5；All-steel Radial Truck Tyre； Tubeless Tires；
Tread Pattern Design； Structural Design.
沈阳化工大学学士学位毕业设计 目 录
目 录
第一章
1.1
文献综述 .................................................................................. 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 2.3 Bm 的计算 .............................................................................. 12
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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/H2 ......................................... 15 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
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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 ..................................................................... 30 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
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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L .............................................................. 40
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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 ....................................................................... 错误！未定义书签。 附录二 ..................................................................................................... 50
沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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：
① 承受车辆自重及承载货物的负荷；
② 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；
③ 为传递驱动力和制动力，提供足够的附着力；
④ 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。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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。
1.2.3.1 按照结构分类
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。
1.2.3.2 按照用途及国际标准分类
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。
1.2.3.4 按照使用车辆分类
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
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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]
1.2.3.4 其他分类方法
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]
1.3 轮胎的历史与发展
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著的变化：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。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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]
1.4 中国轮胎的现状及前景
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
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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。
今后中国轮胎工业将向高技术、高质量、高效率、低能耗、多产品种方向发展，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。
[6]
[5]
1.5 子午线轮胎简介
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**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]
1.5.1 子午线轮胎性能特点
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
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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 1.5.2.1 总体发展概况
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
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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
[8]20亿条,其中子午线轮胎已占90%以上。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]
1.5.2.2 世界主要轮胎生产国子午线轮胎的发展
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X one载重轮胎以单胎
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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。2003年,米其林公司在中国推出绿色环保轮胎Energy MXV8,该轮胎能有效降低燃油消耗,从而减少车辆的尾气排放,对节能和环保具有重要意义。[10]
近年来, 米其林公司先后在轿车和载重轮胎市场上推出XICE冬季轮胎及Energy XM1+,Latitude,XZY3和XDY3等安全性能卓越的新产品。
日本发展子午线轮胎的起步时间比较晚,到1966年才开始生产子午线轮胎,但发展速度相当快。1967年,日本子午线轮胎产量仅占其轮胎总产量的0.5%；1975年,轿车轮胎子午化率达到39%,载重轮胎为15%；1980年,前者升至65%,后者为38%；1990年分别为95%和80%；2000年实现了轮胎生产的完全子午化。[11]
作为意大利最大的子午线轮胎生产企业,倍耐力公司是最早发明全织物纤维子午线轮胎的公司。倍耐力公司在1948年发明 Cinturato子午线轮胎, 并于1951年取得专利,随后又获得了几个有关全织物纤维子午线轮胎的专利。20世纪70年代,倍耐力公司率先为高性能轿车专门设计生产出低断面子午线轮胎。80年代初,作为环保运动的积极倡导者和响应者,倍耐力公司又推出减少油耗，节约能源的低滚动阻力子午线轮胎。P6和P7系列轮胎是倍耐力公司最值得骄傲的类子午线轮胎,第1代P7系列轮胎在70 年代诞生,作为最早的低断面轮胎,它不仅开创了历史性的技术革命,而且还有起源于赛车运动的超高性能汽车轮胎之父的尊称P7系列轮胎包括80年代推出的超高性能轮胎P700Z和90年代推出的专用于车辆改装的P7000轮胎,到2001年又推出新型P7系列轮胎,使该系列产品不断得到完善,成为倍耐力公司超高性能轮胎的代表产品之一。比P7系列更注重舒适性的P6系列轮胎在1977年推出,是世界上第1款高性能超低断面子午线轮胎。在此基础上倍耐力公司发展出专门为豪华轿车配套的低断面子午线轮胎P600和目前销售业绩最好的P6000及P6000Powergy,这即是著名的倍耐力公司高性能系列轮胎。2007年,倍耐力公司在迪拜向全球市场推出PZero TheHero轮胎,该款专为超级跑车开发的全新超高性能子午线轮胎代表了倍耐力公司最先进的技术研究成果,轮胎工业的革新为最挑剔车手在各方面提供了史无前例的卓越性能。
美国子午线轮胎研究工作最早可以追溯到20世纪60年代初期,但由于经济原因,子午线轮胎生产在美国直到70年代才得到快速发展。1975年,美国轿车轮胎子午化率为66%,1978年为77%,1990年增至95%,1995年完成了轿车轮胎完全子午化；载重轮胎子午化水平也经历了类似的发展,1970为1% ,1975年为9%,1985年为64%,1990年为95%,
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
同样在1995年实现了载重轮胎完全子午化。目前,美国最大的两个子午线轮胎生产企业是固特异公司和固铂轮胎橡胶公司。按2006年全球销售额计算,固特异公司以175亿美元排名第3,固铂轮胎橡胶公司以21.55亿美元排名第8,在世界子午线轮胎生产中占据重要地位。
除了上述子午线轮胎生产大国以外,一些新兴的发展中国家和地区借助于外国技术和资金支持,也在大力发展子午线轮胎,并且产量逐年增大。以韩国锦湖轮胎公司为代表的一批新兴轮胎公司正在迅速崛起。
[12]
1.5.2.2 中国子午线轮胎的发展
轮胎的子午化率和子午线轮胎技术可以反映一个国家的轮胎生产技术水平。近年来，我国汽车工业的快速发展有力推动了子午线轮胎的技术进步，目前我国子午线轮胎已发展成为一个较完整、较先进的工业产品体系。经过多年的努力，我国轮胎工业已发展成为一个较成熟的工业体系。20世纪90年代后期，随着外资企业的进人和引进技术的日趋成熟，我国子午线轮胎生产技术发展很快。2000-2004年，我国轮胎总产量年均增长率超过10%，子午线轮胎产量年均增长率超过30%。目前，我国汽车轮胎年总产量已超过2亿条，成为世界第二大轮胎生产国。我国子午线轮胎从20世纪60年代初开始研制以来，已有近40年的历史。与国外相比，我国起步并不晚，但进展缓慢，步履艰难。直到80年代后期，国家下决心大力支持子午线轮胎发展，并取得较大的进展，为我国加速发展予午线轮胎打下犷良好的基础。纵观我国子午线轮胎的发展经历，大体可概括为:60年代起步，70年代缓慢前进，80年代加快步伐，90年代以后迅速发展。[13]
下面将几个比较重要的阶段介绍如下。 ① 开始起步，组织科研
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；
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第一章 文献综述
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。
②不断实践，缓慢前进
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。
② 明确方向，决心攻关
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。
近年来,由于我国子午线轮胎的快速发展, 轮胎生产结构调整成效显著, 目前轮胎的子午化率已达70%左右。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第二章 轮胎负荷能力的计算
第二章 轮胎负荷能力的计算
2.1 负荷计算基本公式
轮胎的负荷能力，是轮胎质量的重要指标。其最大负荷能力与行驶速度、内压、
充气断面宽、轮辋直径和宽度有关。常用负荷计算公式为海尔近似式，是一个在轮辋宽度为充气轮胎断面宽度之比等于62.5%的标准条件下得出的实验式。
载重轮胎负荷计算基本公式及负荷系数K值的选取。 负荷计算基本公式
W =0.231K0.4250.98103 (1.0210-2 P)0.585 Bm1.39 (Bm+DR) Bm =Bˊ(180°-arcsinW1/Bˊ)/141.3°
式中：W —轮胎计算负荷，kg；
K —负荷系数，单胎K=1.14，双胎K=1.10；
P —充气压力，kPa；
Bm —W1/Bˊ为62.5%的理想轮辋上的轮胎充气断面宽，cm； DR —轮辋名义直径，cm W1 —设计轮辋宽度，cm Bˊ—充气断面宽，cm
0.231 —采用公制计算的换算系数，若用英制计算，此公式不必乘0.231.单胎负荷应为双胎负荷的1.14倍，气压应相应增加70kPa。双胎并装的载重汽车应计算双胎负荷，双胎负荷能力较单胎负荷能力小。15
2.2 基本参数选取
骨架材料：钢丝帘线
K=1.10（双胎）
轮辋规格:9.0英寸，轮辋宽度C=228.6mm
轮辋名义直径：22.5英寸，轮辋类型为15°深槽轮辋（载重无内胎）
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第二章 轮胎负荷能力的计算
标定直径：571.5mm 轮胎使用速度等级M
2.3 Bm 的计算
Bm =Bˊ(180°-arcsinW1/Bˊ)/141.3°
W1=228.6mm，
其中Bˊ=298mm,
则Bm =298(180°- arcsin228.6/298)/141.3°=274mm
2.4 计算W值
轮胎充气压力P=900 kPa
将以上各数据代入公式W =0.231K0.425(1.0210-2 P)0.585 Bm1.39 (Bm+DR) 得：W=0.2311.10.425(1.0210-2900)0.585 27.41.39 (27.4+57.15)
=0.2311.10.4253.6699.6584.55
=3330kg ＞3250kg（相应规格对应的国家标准负荷值）符合要求。
2.4 设计依据国标
本次设计的轮胎为295/80R22.5 18P双胎使用设计，设计过程中数据选取参照GB/T2997-2008中相关规格的标准，见表2-1、2-2。
表2-1胎行驶速度与负荷变化对应表
速度 km/h 40 50 60 70 80 90 100 110 ≥120
微型、轻型载重汽车子午线轮胎负荷变化率/%
+25.0 +20.0 +15.0 +12.5 +10.0 +7.5 +5.0 +2.5 0
12
载重汽车子午线轮胎负荷变化率/%
+15.0 +12.0 +10.0 +7.0 +4.0 +2.0 0 0 0
沈阳化工大学学士学位毕业设计 第二章 轮胎负荷能力的计算
注：表中的负荷变化是相对于轮胎规格、尺寸、气压与负荷表中规定的负荷能力增加的。
表2-2 295/80R22.5载重汽车公制子午线轮胎（80系列，15°轮辋）参数标准
轮胎规格
295/80R22.5
层级
单胎 152
测量轮辋 新胎设计尺寸
mm 最大使用尺寸
mm 静负荷半径
mm 负荷能力
kg 充气压力kPa
单胎 3550 断面宽度298 总宽度 313
18
双胎 149
9.0
负荷指数
公路型外直径1044
公路型外直径1062
487
双胎 3250
900
最小双胎间距mm 允许使用的
轮辋
335
8.25
气门嘴型号 DR08
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第三章 轮胎外缘尺寸设计
第三章 轮胎外缘尺寸设计
3.1 外胎轮廓尺寸的确定
所谓的轮胎的外轮廓设计，实质是对能够生产出相应技术指标要求的充气外轮廓尺寸的成品轮胎的模具内轮廓形状尺寸的确定过程，这里定义的轮胎尺寸，实际上是指硫化模具的内缘轮廓尺寸。轮胎外轮廓的主要尺寸组成及代号见图3-1。
轮胎的外轮廓尺寸是外胎断面图的基本框架尺寸，包括断面宽（B）、外直径（D）、断面高（H）、下胎侧高（H1）、上胎侧高（H2）、着合直径（d）、着合宽度（C）、行驶面宽（b）、行驶面高（h）等。
图3-1 轮胎外轮廓主要尺寸
3.1.1 轮胎断面宽B的确定
轮胎断面宽是指胎体断面的最宽位置，位于水平轴上，对于常规轮胎来说是胎侧变形最大的位置。其值的确定直接影响技术指标要求的充气断面宽Bˊ，是决定轮胎外形合格与否的重要参数。
断面宽B值的确定公式： B= Bˊ(Bˊ/B)
式中：B —轮胎断面宽（模具内轮廓断面宽）； Bˊ—成品轮胎充气断面宽；
Bˊ/B—成品轮胎相对硫化模具断面宽的膨胀率；
Bˊ/B的确定一般来自以下的途径，第一，广泛来自多年的设计经验，找到其与
其他设计参数的相关性，加以总结，得到相应的设计经验。它分别守轮胎的高宽比
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第三章 轮胎外缘尺寸设计
（H/B）、轮辋宽与断面宽比值W1/B、帘线性能和帘线胎冠角（βk）、轮胎生产工艺条件等因素影响。
全钢子午线轮胎充气后断面宽度变化比较复杂，影响因素较多，如断面高（H）/B和帘线伸张值越大，断面宽膨胀率（B′/B）越大；胎圈着合宽度（C）/B越大，B′/B越小。根据轮辋宽度每改变25.4mm，轮胎断面宽度改变10 mm规律，同时设计特点特点，本次设计选用的298/80R22.5钢丝子午线轮胎，H/B＜1，Bˊ/B值约为1.03。
因此B= Bˊ/(Bˊ/B) =298/1.03=289mm
3.1.2 轮胎外直径D的确定
模型内缘直径D根据轮胎充气外直径Dˊ和充气外直径变化率（D/Dˊ）而定，轮胎是在充气条件下使用，其充气后外直径伸张或收缩，用D/Dˊ表示，求模型外直径D值。由于周向不易伸张的带束层箍紧胎体，全钢子午线轮胎充气后外直径膨胀率（D′/D）不大。
D = Dˊ/( D/Dˊ)
式中：D —轮胎外直径；
Dˊ —成品轮胎充气外直径；
D/Dˊ—成品外胎充气外径对模具尺寸的膨胀率。 D/Dˊ取1.002，因此：D = Dˊ/( D/Dˊ)
=1044/1.002=1042 mm ＜1062（国标最大使用尺寸）
3.1.3 轮胎断面高H的确定
在确定外直径D的基础上，断面高H为外直径与着合直径差的一半，
即：H=1/2(D-d) 式中：H —轮胎断面高； D —轮胎外直径； d —轮胎着合直径。
轮胎着合直径 d=d标定－1.5=571.5-1.5=570 mm 代入数据得：H=1/2(D-d)= 1/2(1042-570)=236 mm
3.1.4 轮胎水平轴位置的选取 H1/H2
水平轴位于轮胎断面最宽点位置，是一条水平的辅助线，位置通常用H1/H2表示。水平轴位置对轮胎的使用性能和使用寿命有很大的影响，水平轴位置偏向胎冠，即
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第三章 轮胎外缘尺寸设计
H1/H2过大，将会造成胎肩及下胎侧补位应变增大，断面内骨架层间剪切应力增大，易造成肩空或肩裂等早期损坏；若水平轴偏向胎圈部位，即H1/H2过小，将会造成下胎侧和胎圈部位应变增大，断面内剪切力增大，易造成胎圈断裂或脱层。
子午线轮胎断面最宽点半径的位置要比斜
交轮胎的高，希望能使轮胎的变形落在水平轴以上，带束层端点一下的上胎侧高（H2）区域之内，并减小下胎侧高（H1）区域的应力和胎圈的应力。由于子午线轮胎胎体帘线呈径向排列，其钢丝圈承受力要比斜交轮胎的大，故断面最宽点半径要取得高一些来减轻所承受的力。一般选取H1＞H2，轿车子午线轮胎取值为 1.0～1.2，载重子午线轮胎最高取值可达1.4。 本次设计H1/H2取值1.1，即H1=124 mm， H2=112 mm。
图 3-2 外胎断面水平轴位置示意
H1—胎圈基部至水平轴的距离 H2—水平轴至胎冠中心的距离
3.1.5 行驶面宽b和行驶面高h的确定
作为决定胎冠形状的主要参数，b、h的选取直接影响轮胎的耐磨性能、附着性能、牵引性能和滚动阻力等，运用公式：
b=B(b/B) h=H(h/H)
式中：b —胎冠行驶面宽；
h —胎冠行驶面高；
B、H —外胎断面宽、断面高。
b和h是决定胎冠轮廓形状的主要参数，适当调整b和h，可以优化轮胎接地面
形状和大小，均衡胎冠接地面压力，提高轮胎的牵引性能和耐磨性能。根据本次设计的规格，选取b/B=0.8，h/H=0.05。
因此 b=B(b/B)=289×0.8=231mm
h=H(h/H)=236×0.05=12 mm
b值过大，即行驶面过宽时，胎肩增厚，生热量过高，散热困难，以致造成胎肩、胎冠脱层的早期损坏，影响轮胎的使用寿命。若b值过小，即行驶面过窄，胎面与路
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第三章 轮胎外缘尺寸设计
面接触面积小；平均单位压力增大，极易早期磨损。一般设计行驶面宽度b值，以不超过下胎侧弧度曲线和轮辋曲线交点的间距为准。b、h值确定应根据轮胎断面高，用h/H值控制其二者范围。h值过大即胎冠曲率过大，胎面与路面接触面积小，耐磨性能差；b值过小时，虽然耐磨性能和附着性能得以提高，但胎肩过厚，影响散热。
3.1.6 着合宽度C与着合直径d的确定
该尺寸位于胎圈部位，与轮辋接触，因此，要求其与轮辋有良好的配合与接着，当然，还要考虑装胎的方便与否。
目前一般有两种方法确定C值:一是传统的按标准轮辋宽度(Rm)确定C值,即C=Rm;二是按照新的“预应力设计法”进行设计,即C-Rm=12.7～50.8 mm(0.5～2.0英寸)。预应力设计法尤为适用于子午线轮胎的C值设计,特别是无内胎子午线轮胎。按照传统方法设计时,由于轮胎硫化后的收缩,两胎圈间距变窄,装配轮辋后充气时不能很好地紧贴轮辋边缘而导致漏气,但按预应力法设计时,情况就有明显的改善,轮胎两胎圈边缘可以紧贴轮辋,充气时轮胎很快就能达到标准气压。因此,按照预应力设计法,本次设计295/80R22.5花纹N轮胎的C值放大25.4 mm,即C=254 mm(花纹O轮胎的C值为228.6 mm)。
着合宽度C= W1+25.4=228.6+25.40=254 mm
d的取值应满足轮胎装卸方便和着合紧密的要求。胎圈与轮辋装配过盈量过大时，轮胎装卸困难，且影响胎圈安全性能；过盈量过小时，轮胎不能与轮辋紧密配合，造成无内胎轮胎漏气。根据轮胎及轮辋的使用情况，确定d比轮辋直径小1～2 mm，轮辋直径为571.5 mm，d取570 mm。
着合直径d=22.5×25.4-2.5=571.5-1.5=570 mm
对于无内胎轮胎，要求轮辋结合部有良好的气密性，因此，轮胎着合直径较轮辋直径小2～3 mm，并且胎趾部位的器械角度较轮辋相应部位大2°～3°。各种轮辋与轮胎的配合图见图3-3。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第三章 轮胎外缘尺寸设计
图 3-3 轮胎胎圈设计示意图
（a）平底轮辋载重轮胎 （b）5°斜底轮辋载重轮胎 （c）深槽轮辋轿车轮胎 （d）深槽轮辋无内胎轿车轮胎 （e）深槽轮辋无内胎载重轮胎 3.2 外胎断面各连接弧半径确定及绘图方法
轮胎外轮廓由多段弧线连接而成，作图和取值是有一定的规则和方法的，可分为
胎冠部弧度曲线、胎侧弧度曲线、胎圈部弧度曲线。
3.2.1 胎冠部弧度曲线
冠部曲线形状对轮胎的耐磨性能、附着性能、胎体生热、高速性能等有较大影响。设计时可分为一段弧设计，弧度半径为Rn，弧的圆心在轮胎断面图的中心线上。
公式：Rn=b2/8h+h/2
S=0.01745Rnα
a=2arcsin{(b/2)/ Rn}
式中：α—行驶面弧度的夹角； 0.01745—常数，即为π/180；
Rn —胎冠弧度半径，mm； S —行驶面弧长，mm。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第三章 轮胎外缘尺寸设计
带入数据得：Rn=b2/8h+h/2=2312/（8×12）+12/2=562 mm
a=2arcsin{(b/2)/ Rn}=2×arcsin{(231/2)/562}=23.72° S=0.01745Rnα=0.01745×562×23.72=232 mm
本次设计采用一段弧设计，弧半径Rn圆心在断面中心上。
3.2.2 胎侧部弧度曲线
外轮廓胎侧部一般由上胎侧弧R1、下胎侧弧R2和下胎侧连接弧R3组成，以水平轴为分界线，作图时圆心均在水平轴上，如图3-4，3-5所示。 上胎侧弧度半径R1和下胎侧弧度半径R2的确定
图 3-4 上胎侧半径R1计算参考图
上胎侧弧：R1={(H2-h)2+1/4(B-b)2-L2}/(B-b)
3-5 下胎侧弧度半径R2计算参考图
式中：L —胎肩切线长度（L在轮胎断面中心轴的投影长度约为H2的50%）将L= H2/2代入上式即可计算出值。
代入数据得：R1={(H2-h)2+1/4(B-b)2-L2}/(B-b)
= {(112-12)+1/4(289-231)-56}/(289-231) = 133 mm
2
2
2
下胎侧弧： R2={1/4(B-W1-2a)2+（H1-HR）2}/(B-W1-2a)
式中：HR —当a等于轮辋边缘宽A的2/3～3/4时对应的轮辋上的高度，本次设计取8.8mm，如图 5-7所示；
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图 3-6 15°深槽轮辋名义宽度9.75及其以下的轮廓
（用于直径代号17.5，19.5，22.5,24.5） a —下胎侧弧度曲线与轮缘曲线交点至轮辋轮缘垂线间距离（2/3～
3/4），本设计取12.7mm；
A —轮辋轮缘宽度，本次设计相应标准为36mm；
W1 —轮辋宽度，mm； B —轮胎断面宽度，mm； H1 —轮胎下端面高，mm。
表3-1 22.5×9.00 15°深槽轮辋轮廓尺寸 轮辋轮廓 22.5×9.00
A±3.5 228.5
Hmin 30.0
hmin 10.0
Lmin 28.0
Mman 10.0
Pmin 36.0
轮胎拆装时，轮辋槽底廓形的最小尺寸和槽底位置的极限尺寸 代入数据得：R2={1/4(B-W1-2a)2+（H1-HR）2}/(B-W1-2a)
={1/4(289-228.6-2×12.7)2+（124- 8.8）2}/(289- 228.6-2×12.7)
=388 mm
下胎侧连接弧R3是来连接下胎侧弧R2和胎圈弧R4之间的圆弧，该弧分别与R2
内切与R4外切，其值一般为R2的2 5%～35%，有时R3取值较小，以增加下胎侧向胎圈过渡处的厚度，起到加强胎圈的目的，所以本次设计取25% R2，即R3=97mm。不同类型轮胎有差异，其值对轮胎的硫化质量和使用性能都有一定的影响。
3.2.3 胎圈弧度曲线
轮胎胎圈圆弧与轮辋边缘及底部保证有较好的吻合，胎踵弧度半径R5比轮辋相应部位弧度半径大0.5～1.0mm，本次设计取12mm。胎圈弧度半径R4比轮辋轮缘相应部
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第三章 轮胎外缘尺寸设计
位小0.5～1.0mm，本次设计取20mm，其半径圆心点较轮辋轮缘半径圆心点位置略低1～1.5mm，使轮胎紧贴于轮辋上。
3.2.4 胎肩轮廓曲线
胎冠与上胎侧之间需要胎肩曲线进行连接，该曲线的行驶根据不同的类型、使用条件可选不同的形式。如图3-7所示，降低生热载重胎通常选用胎肩反弧形式（a）；为提高胎侧及胎肩的挺性可采用阶梯型（b）；圆弧形胎肩通常被中、小型载重轮胎采用（c）；切线型胎肩（d）；是用直线与胎侧弧度半径R1弧相切而成，是广泛应用的一种胎肩设计方法。考虑到轮胎适用车辆类型和行驶路面，本次设计采用切线型胎肩。
（b） （c） （d）
图3-7 常用胎肩轮廓设计示意图
（a）
3.2.5 外胎轮廓绘图步骤
①画出中心线和水平轴；
②由断面宽B和上下高H1、H2确定外轮廓曲线的左侧点、右侧点、上端点及下端点；③根据b、h和C确定胎面宽及胎圈宽共四点； ④绘出胎冠圆弧Rn，其中心在纵轴上； ⑤绘出上胎侧圆弧R1，其中心在水平轴上； ⑥画出胎肩切线L； ⑦画过渡弧Rn； ⑧绘出下胎侧圆弧R2；
⑨绘出胎圈弧R5、R4并进行过渡连接； ⑩绘出R3。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第四章 轮胎胎面花纹的设计
第四章 轮胎外胎花纹设计
现代汽车轮胎车速不断提高，对轮胎也提出了更高的技术要求，十分重视轮胎花纹设计。近代轮胎工业的花纹设计围绕提高轮胎的牵引力、侧滑力、耐磨性、耐撕裂和排水性能以及减少轮胎行驶过程中的噪声，特别是提高轮胎在冰雪及潮湿道路上的使用性能将对汽车工业的发展有重大意义。
胎面花纹对轮胎性能和使用寿命，特别是对无内胎轮胎的速度性能有较大影响，对汽车的操纵稳定性起决定性作用。本次设计轮胎主要用于长途客运汽车及公交汽车，胎面采用4条纵向花纹，花纹沟底设计为凸台结构，以有效保护花纹沟底，防止花纹块夹石子，花纹深度为15.0mm，花纹饱和度为77.6%。胎肩及花纹沟边部设置密集钢片，以减少轮胎不规则磨损，提高耐偏磨性能。胎面花纹及其展开如图4-1和4-2所示。
4-1 胎面花纹示意
4-2 胎面花纹展开示意
4.1 外胎花纹设计的基本要求
① 轮胎与路面纵向和侧向均具有良好的接着性能。 ② 胎面耐磨而且滚动阻力小。
③ 使用时生热小，散热快、自洁性能好，而且不裂口、不掉块。 ④ 花纹美观、低噪声，而且便于模具加工。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第四章 轮胎胎面花纹的设计
⑤ 应使缓冲层、胎体帘布层以及胎面受压力分布均匀
上述要求互相间存在不同程度的矛盾难以全部满足。胎面花纹设计必须根据轮胎类型结构和使用条件、主次要求、兼顾平衡来确定方案。
4.2花纹的类型
胎面花纹是按照轮胎的类型、结构特征、使用条件和要求而进行设计的。花纹的类型是按照不同的适用路况条件和饱和度确定的，花纹的饱和度是指胎冠行驶面中，花纹块的面积占行驶面总面积的百分比。一般把轮胎花纹归纳为普通花纹、混合花纹和越野花纹三种，见图4-3。
图 4-3 轮胎胎面花纹
（a）普通花纹；（b）混合花纹；（c）越野花纹 （1） 普通花纹 亦称公路型花纹，适用于较好的水泥路面、柏油路面以及较好的泥土、碎石等硬基路面。载重胎普通花纹有横向（如烟斗花纹）和纵向（如锯齿形或波纹型花纹）或纵横组合型三种。横向花纹的主要缺点在于胶块较大而硬，散热性差，噪声大，防侧滑型较差，设计不当易造成肩空、肩裂等缺陷。当轮胎换位不及时时，肩部花纹块容易磨成高低不平的锯齿状。但这类花纹在车速较低、路面较差的条件下使用还是适宜的。
纵向花纹的主要优点是滚动阻力小，侧滑性能好，噪声小，散热性能也好。起缺点是牵引力较差，由于花纹柔软移动性较大，在普通斜交胎上表现耐磨性不如横向花纹。载重胎普通花纹，其花纹块所占面积一般为行驶面的70%—80%，试验证明，以78%左右的耐磨性能比较良好。载重普通花纹形式见图4-4。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第四章 轮胎胎面花纹的设计
图4-4 载重轮胎普通花纹
（a）普通花纹；（b）混合花纹；（c）越野花纹
（2） 越野花纹
亦称高行驶性能花纹，适用于崎岖不平的山路、高低
不平的矿山、建筑工地及松土路、潮湿易滑的泥泞、沼泽地区等，军用越野汽车及工程车上用的轮胎局采用这种花纹。
（3） 混合花纹
它属于普通花纹与越野花纹之间的过渡性花纹，适用
于城市与乡村之间的碎石、软土及山区等路面。该花纹一般在行驶面中具有不同方向或纵向分布的窄沟槽。混合花纹的抓着性能优于普通花纹，次于越野花纹，其主要确定是耐磨性能差，胎肩花纹磨损容易产生不均现象。化合花纹块所占面积一般为行驶面的60%—70%。
4.3 胎冠部花纹设计
胎冠部花纹设计包括花纹沟深度、宽度，基部胶厚度，花纹的排列方向以及花纹沟底设计。
4.3.1 花纹沟深度的确定
花纹沟壁向沟底，采用倒圆角弧绘制，以减小因应力集中而引起的花纹沟底裂口。 应用公式∶L=S（磨耗深度/1000）
子午线轮胎每行驶1000公里，胎面平均消耗量为0.15～0.16mm，则L=(0.15～0.16)(100000/1000)=15～16mm，根据路面的情况本设计取15mm。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第四章 轮胎胎面花纹的设计
表4-1 载重轮胎花纹深度 子午线轮胎规格 295/80R22.5
公路型花纹 12.95（0.49）
加深公路型花纹 15.24（0.60）
（注）影响花纹深度的因素：
1．轮胎的用途：高速行驶的汽车，h小些； 2．轮胎的规格：规格大些，h小些；
3．花纹的类型：越野花纹〉混合花纹〉普通花纹； 4．胎体的强度：胎体帘线强度大，h适当增加； 5．工作压力：内压低，曲挠度大，生热高，花纹沟浅； 6. 保持h与花纹参数的比例关系。
4.3.2 花纹沟宽度的确定
胎冠花纹沟宽直接影响轮胎与地面的抓着性和胎面的耐磨性。沟宽较宽，在相同的饱和度下，花纹块柔软度较好，与地面的抓着性较好，但会造成胎面侧磨性变差，并易发生掉块现象，因此，普通载重轮胎花纹沟不宜过宽，一般在7～20 mm 之间，并且要求花纹块的宽度尽量大于花纹沟深度的2倍。花纹沟宽度在胎面分布尽量均匀，宽窄沟之间的宽度差应在25%～50%以内。同时还要考虑胎面整体的饱和度一定要达到不同用途花纹的要求。
表4-2 载重轮胎胎面花纹参数取值
项目
花纹沟宽/花纹沟深 花纹块宽/花纹沟深 花纹块宽/花纹沟宽
普通花纹 0.5～0.8 1.2～3.0 2.0～5.0
混合花纹 0.3～3.0 1.5～3.0 2.0～5.0
越野花纹 0.5～4.0 1.5～3.0 0.5～4.0
4.3.3 花纹排列角度及花纹沟断面形状
为保证有足够打的牵引力和附着力，花纹沟在胎面上的排列角度，应根据相应轮胎的使用路宽条件等因素确定，一般在于胎冠中心线称30°～60°之间，也可以为0°～90°，但一般不要与胎体帘线的排列角度重合，应相差3°以上，避免应力集中在帘布层之间，早期脱层损坏。
花纹断面形状，决定轮胎的牵引力、自洁性和花纹沟是否容易裂口损坏等。花纹沟断面形状影响开放，并且尽可能保证沟宽大于等于花纹沟的深度，若不能保证，可
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采取阶梯型设计，常见花纹断面形状如图4-5。花纹沟底断面半径，载重轮胎一般在3～5mm，横向花纹倾斜角度在15°～20°，纵向花纹在8°～10°。见图4-6 。
图4-5 花纹沟断面形状 图4-6 花纹沟底断面形状
（a） 窄花纹沟；（b） 宽花纹沟； （c） 阶梯型花纹沟；（d）单边阶梯型花纹沟； 花纹沟沟底半径计算可按公式: R=(b/2cosa-hsina)/(1-sina)
其中：
b──花纹沟宽度 15mm
h──花纹沟深度 9mm a──花纹沟壁倾斜角度 10°
R=（15/2cos10°-9sin10°）/（1-sin10°）=4mm 本次设计采用窄花纹沟。
4.3.4 花纹沟基部胶厚度
花纹沟线面与骨架材料之间有层一定厚度的胶料，该层胶料保护骨架免受机械等的损伤、缓冲车辆在牵引和制动时与路面间的剪切应力。其厚度的确定要考虑轮胎在实际使用过程中的使用条件，达到保护胎体骨架材料的目的，防止花纹沟底发生裂口等现象；缓冲和分散轮胎形式过程由胎面至骨架材料之间的剪切应力，提高轮胎的使用寿命。因此，该部位胶料的厚度只能满足以上要求，根据不同的使用情况，具体问题具体分析。
经过长期的设计与实践工作，轮胎的设计人员总结出不同使用环境用途轮胎的基部胶厚度与花纹深度之间的关系，见表4-3。其厚度为花纹沟深度的25%～50%，一般载重轮胎横向普通花纹不易裂口，基部厚度可选低值，纵向花纹基部胶厚度则不宜过薄。
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表4-3 载重轮胎花纹基部胶厚度占花纹沟深度比例范围
普通花纹 花纹类型 横向 基部胶厚度占 花纹沟深度/% 20～25 30～40 25～30 30～35 30～35 40左右 纵向 块状 条状 窄向 宽向 混合花纹 越野花纹 同时，花纹基部胶不应过厚，以免造成胎体生热过高而早期破坏。根据不同的花纹类型，基部胶的厚度一般是花纹深度的20%～50%，如纵向普通花纹，由于沟底易裂口，基部胶厚度较花纹深度较厚；而横向普通花纹，基部胶厚度较花纹深度较薄。
4.3.5 花纹节距、周节数的确定
花纹节距是指组成轮胎圆周整体花纹具有相同结构、形状分布的单元花纹在圆周方向的宽度，周节数是指这样的重复单元的个数。花纹节距、周节数要根据花纹类型、花纹形状及花纹饱和度等因素确定。花纹节距分为均等和不均等两种。一般低速载重轮胎多采用均等花纹，而速度较快的载重、轿车轮胎采用不均等的变节距花纹，这样可防止产生谐振噪声，一般花纹最大的节距与最小的节距数之差不宜小于20%～25%。花纹节距越大，花纹等分数越少，花纹等分数又称为花纹周节数，应取偶数值，便于花纹平分。
t应用公式：c=3.14D/n
式中：D──外胎直径 1042 mm
n──花纹周节数一般50～64之间
tt本设计取n取60，为不等距花纹，其中c′/c=1.2
tt则c+c′=3.141042/30=110 mm tct′= 60 mm ，c= 50 mm
4.4胎肩及上胎侧花纹
根据子午线轮胎结构材料的分布，在胎冠部位一般设有2～4层钢丝帘线做带束层，其刚性很高，但到行驶面边缘的胎肩处恰好是带束层的端点，因而胎肩部位的刚性较低，当轮胎受到侧向力作用时，胎肩花纹容易产生移动，为提高胎肩部位对地面的支撑性能，减少花纹移动，以防止间磨和偏磨，一般采用增大肩部花纹的设计方法。
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另外，子午线结构轮胎胎肩与胎侧的链接部位采用切线过渡，以减薄胎肩胶的厚度，有利于散热。本次设计取胎肩花纹为长60mm，宽20mm，深6mm的耐磨胶料条，胎肩花纹间距tc1=3.14（D-2h）/n
带入数据得tc1=3.14×（1042-2×12）/60=53 mm
4.5 胎面其他尺寸
外胎表面还包括排气孔、排气线、防擦线、定心分度线、花纹磨耗标志等。
4.5.1 胎面排气孔
排气孔布置在硫化模具的内部，作用在于硫化时排除外胎表面与模具内腔之间的空气，减少硫化后外胎表面、花纹沟部位的缺胶等质量问题。其孔径根据不同轮胎和规格大小而定，中等规格的载重轮胎的排气孔直径φ1mm，大规格可适当增大，小规格可适当减小。考虑到本次设计轮胎规格大小，排气孔取直径φ1mm。
排气孔的位置一般选择在胎肩部位，圆周相应等分；花纹的拐角部位；下胎侧一
定的高度（骨架反包高度），圆周相应等分，如图4-7。
图4-7 花纹块上排气孔位置示意
图4-8胎面排气孔（线）排放位置
4.5.2 排气线
排气线一般排列在胎侧，在合模硫化时使空气沿排气线流入排气孔排出模具，根据轮胎规格大小，其宽度在0.5～3mm，并且圆周相应等分排列，如图4-8。本次设计排气线取宽3mm，圆周相应10等分。
4.5.3 胎肩防擦线
防擦线位于胎肩与上胎侧之间。作用在于保护该部位轮胎骨架不被擦伤。中型载
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重轮胎防擦线宽度为15～20mm，厚度为1mm左右。防擦线两端应采用小弧度与胎侧轮廓线相切，用以加固防擦线胶条强度。本次设计防擦线取长为18mm,宽1mm。
4.5.4 定心分度线
下胎侧定心分度线通常由三角条组成，其作用是： ① 检查轮胎装于轮辋时胎圈着合的正确性； ② 防止泥水从胎侧流入到胎圈和轮辋之间；
③ 排除硫化时窝藏的空气，防止产生外观质量问题。
设计尺寸为：最低一条定心分度线与轮辋着合处间距L=5～15mm,各条分度线均以半圆弧实际
本设计取L=10mm,弧半径为1mm.
4.5.5 胎冠、胎侧磨耗标志
磨耗标志在胎冠花纹沟底的突起，如花纹深度过浅，与该标志平齐，应更换轮胎，故该标记叫做磨耗标志。另外，为便于查找在胎侧也有相应的几号，指出在该部位对应的胎冠部为存在磨耗标志记号。沿轮胎圆周共设6个或8个间隔均匀的胶台作为磨耗标记。载重轮胎磨耗标记高度为2.4mm；轿车轮胎胎面磨耗标记一般高1.6mm，长5～12mm；重型载重轮胎则为3.2mm，长度均为40mm左右。
4.5.6 花纹块宽度
宽度的取值是根据轮胎类别和所采用花纹类型而定。本设计为子午线结构轮胎采用不对称花纹，花纹沟宽度为其深度的30%～80%左右，本设计取60%,则花纹宽度=1560%=9mm。花纹块宽度本着结实，耐磨的原则设计，不宜小于花纹深度的2倍，及花纹块宽度tw大于等于2h,即2h=215=30mm,本设计取tw=36mm
4.5.7 花纹饱和度的计算
纵向花纹的主要优点是滚动阻力小，防侧滑性能好，噪声小，散热性能也较好。载重轮胎普通花纹，其花纹所占面积一般为行驶面的70%～80%，实验证明，以78%花纹饱和度耐磨性能比较良好。本次设计花纹饱和度为77.6%。
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4.6 花纹展开图的设计
花纹展开图胎冠中心线直径D=1042mm 胎肩部位直径D1=D-2h=1042-212=1018mm 胎侧补强胶上端部直径D2=D-2L=1042-256=930mm 故tc+tc′=3.141042/30=110 mm
tc′= 60 mm ，tc= 50 mm
tc2tc3=3.14D1/n=3.141018/60=53mm =3.14D2/n=3.14930/60=48mm
由胎冠弧长公式S=0.01745Rna 计算得S=0.0174556223.72°=232mm
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
5.1 胎面胶厚度的计算
外胎最外面与路面接触的橡胶层称为胎面（通常，把外胎、胎肩、胎侧、加强区部位最外层的橡胶称为胎面胶）。胎面用来防止胎体受机械损伤和早期磨损，向路面传递汽车牵引动力，增加外胎与路面的抓着力，以及吸收轮胎在运行时的震荡。
5.1.1胎面厚度
胎面厚度为花纹深度和花纹沟底部胶厚度之和。 其中:T基=30%h=0.415=6mm 则胎面胶厚度 TA=T基+h=6+15=21mm
5.1.2胎肩胶厚度
胎肩为胎面厚度的1.3～1.4倍，不超过1.5倍。考虑到轮胎重量等因素，本设计取1.35倍。则胎肩厚度为1.35TA=1.3521=28.35mm
5.1.3胎侧胶厚度
贴在胎体侧壁部位，用来防止胎体受机械损伤和其他外界作用（如水泥、水等）的橡胶覆盖层称为胎侧。胎侧与胎面的结构位置不同是承受较大的应力，不与地面接触，因而不受磨损，胎侧主要是在屈挠状态下工作，因此胎侧的厚度可以稍薄，但它能有效地多次承受屈挠应力，并有很好的耐光老化和耐臭氧老化的性能，胎侧上标有轮胎型号、商标等。
子午线轮胎胎侧胶厚度，较斜交胎厚，本设计取3.0mm。钢丝帘布层厚度为3mm，气密层厚度为2mm，即胎侧厚度为8mm，数据见表5-1。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
5.2 胎体的结构设计
充气轮胎胎体有承受内压负荷的骨架材料，对于子午线轮胎胎体帘布层承担内压
负荷的35%而带束层承担65%。本次设计选取的骨架材料材质为钢丝，钢丝直径为0.9mm规格参数见表5-1。
表5-1 胎体和缓冲层挂胶帘布厚度
帘布种类 钢丝 钢丝
帘线直径 /mm 0.90 1.20
胎体挂胶脸部厚度
/mm 2.2～2.5 2.7～3.0
缓冲层帘布挂胶厚度
/mm 2.0～2.2 2.5～2.6
5.2.1 帘布层数
本设计为全钢子午线载重轮胎，帘布层为一层钢丝直径为1.2mm的钢丝帘布层，厚度为3.0mm。
5.2.2 帘线排列角度的确定
子午线轮胎胎体帘线角度原则上为0°，但实际上有的则是3°，5°，10°，15°，本设计取0°。
5.2.3 胎体强度安全倍数的计算
(1) 胎体帘线伸张应力计算：
根据薄膜网络理论，目前广泛应用“彼得尔曼”计算公式 应用公式：N=0.1P(Rk2-r02)/2Rk∑k×1/cos2β
K
本设计规格胎体采用钢丝直径为1.20mm，胎体挂胶帘布厚度为3.0mm的钢丝帘布层作为轮胎胎体帘布层。
其中 N — 单根帘线所受张力 N/根 P ─ 轮胎内压 kpa；
RK ─ 胎里半径（胎冠部第一帘布层半径）
RO ─ 零点半径（外胎断面水平轴至旋转轴间的距离） cm
K ─ 胎冠帘线角度（一般
β45°～56°）
∑k ─ 胎冠各层帘布线密度之和 根/cm
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
本次设计βK取0°，∑k取值为5～8，取6，
胎冠总厚MA=胎面胶厚+（气密层+缓冲层厚+胎体帘布层+冠带层+隔离层）（1-压缩率）
其中，胎面胶厚TA=21mm，气密层=2mm，冠带层=21.0=2mm，缓冲层厚=42.8=11.2mm,胎体帘布层厚=3.0mm,隔离层=0mm，压缩率在20～30%之间，本次设计取20%。
则 胎冠总厚=21+（2+2+11.2+3+0）(1-20%)=36 mm 故Rk=1042/2-36=485mm=0.485 m RO=1042/2-122=399mm=0.399 m
N=0.1P(Rk2-r02)/2nikRk=0.1900(48.52-39.92)/（2148.56）=88.25N/根 (2) 胎体帘线安全倍数计算
应用公式：Kc=St/N
式中 Kc─—帘线强度安全倍数
St──单根帘线强度 1570N/根 则Kc=1570/88.25=17.79。符合表5-2要求
表5-2 常用轮胎安全倍数取值范围
项 目 载重轮胎 良好路面 不良路面 长途汽车轮胎 矿上挖掘和森林采伐等轮胎 安全倍数（K） 10～12 14～18 16～18 18～20 项 目 轿车轮胎 良好路面 不良路面 高速轿车轮胎 安全倍数（K） 10～12 12～14 12～14 5.2.4 气密层确定 本次设计为无内胎全钢载重子午线轮胎，无内胎轮胎的气密层要求有良好的气密性，耐热老化，高弹性和抗撕裂等性能,气密层通常由两层以上薄胶片贴合而成,通常用丁基橡胶、氯化丁基橡胶或溴化丁基橡胶制造。无内胎轮胎的优越性在于其不仅可以提高行驶安全性，并且因其比较柔软，还可改善轮胎的缓冲性能。本设计气密层厚度为2.0mm
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
5.3 轮胎缓冲层的设计
缓冲层是子午线轮胎主要受力部件。其刚性对轮胎使用性能影响很大，设计重点是使其获得较大的胎侧刚性，以便胎面在其全宽范围内保持刚性一致，改进轮胎耐磨和抓着性能。
5.3.1 带束层结构设计
带速层结构主要是指他的帘布层数，帘线角度、密度和排列方式，带速层的厚度、宽度和长度，以及采用的帘线结构与类型等。这些参数决定了带束层的刚性，而其刚性直接影响子午线轮胎的使用性能，如耐磨性能、操纵稳定性、安全性和节油性能等。
带束层结构设计的形式众多，视轮胎类别和使用条件不同以及所用的带束层材料特性等因素而有差异。
1. 带束层的层数与结构
载重子午线轮胎的带束层一般由三至四层钢丝帘线所组成，采用的结构形式常见
的为层叠式。根据轮胎的规格不同和使用条件来选用，如对大规格轮胎或路面使用条件苛刻的情况下可选用四层结构，反之，对轮胎规格小和使用条件较好的则可需用三层结构为宜。本次设计应规格选用三层半结构。
三层半结构
是法国米其林公司对载重子午胎常用的带束层结构，目前以被美
国和日本的大轮胎公司广泛采用。结构的特点是将第一层过渡层分为两个边部，中间部分被断开，如图7-1所示。其优点是降低胎冠中央部位的刚性，使接地印痕面积中单位压力分布得较为均匀，
图5-1 三层半带速层结构示意图
从而提高轮胎胎面磨耗的均匀性。另外，三层半结构也可减小带束层胎冠中部的应力。
0°带束层结构
0°带束层是意大利倍耐力公司的专利技术，专利公布的时间
虽然早在20世纪70年代末，但这是一项已经世纪应用生产的专利技术。到目前为止，它仍然是国际上公认比较先进的带束层结构，尤其是对低断面载重子午线轮胎来说。
2. 带束层的角度与密度
带束工作层帘线角度的取值，既要考虑到带束层对胎体的箍紧作用，又要照顾到
便于加工。载重子午线轮胎的带束工作层帘线角度大于23°就不能使胎体获得良好的箍紧效果，但帘线角度太小，不仅使带束层的裁断和接头等工艺操作复杂化，而且
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
对轮胎的使用性能不理，容易产生带束层脱层的危险。带束层工作层帘线的角度，取决于帘线的模量，并在一定程度上决定于带束层胶料的黏合强度，还与轮胎的规格等系列等有关系。
带束层帘线密度要根据帘线的强度和直径以及所守应力而定
5.3.2 缓冲层强力安全倍数的计算
(1)缓冲层帘线伸张应力的计算及缓冲层帘线强度安全系数的计算 胎体帘布层相关参数见表7-3
表7-3 胎体帘布层相关参数 轮胎 规格 295/80R22
.5
钢丝 规格 3+9+93
钢丝强度 （N/根）
帘线密度（根/cm）
带束层帘线角度
层数 n
轮胎内 压（kpa）
安全 倍数k
k
0.15HT
1570 6 73° 2 900 17079
带束层帘线的应力计算以薄膜网络理论为基础，计算出胎冠部位带束层帘线在一定气压、断面尺寸条件下的张力，继而通过相应帘线的选择计算出带束层的安全倍数，计算公式： N=10 PRk/nik sinβk
其中：N──缓冲层单根帘线所受张力
P──轮胎内压 Rk──胎里半径 n──缓冲层数
1570N/根 900kpa
Rk=485mm=0.485m n=2
500～800根/m 本设计取600根/m βk=73°
3
2
ik──缓冲层帘线层数 βk──缓冲层帘线角度
3
N=10×9000.485/2600sin73°=198.8N/根 应用公式：K=St/N 其中 St=1570N/根 K=1050/198.8=7.89
＞ 6 符合要求。
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5.4轮胎胎圈设计
胎圈部位是使轮胎固定在轮辋的部位，要求坚固而又有足够的强度和刚性，轮胎依靠胎圈中的钢丝刚性钢丝圈将整个外胎牢牢地固定在轮辋上，而外胎的胎体靠帘布层包缠在钢丝圈上。这样轮胎和轮辋在内压的作用下，以钢丝圈为纽带紧紧地结合在一起，传递汽车的驱动力矩和制动力矩。因此胎圈结构、胎圈主体的钢丝圈强度、钢丝圈直径及其断面形状等因素，决定了轮胎的使用性能。
子午线轮胎胎体帘线角度小，帘部层数少，胎侧柔软，胎圈刚性不足，受力较大。因此胎圈需要加强。
刚性结构的设计需保证：1、胎圈能够紧密稳定地着合在轮辋上，保证轮胎与道路各种应力的传递；2、使坚硬的胎圈逐渐向柔软的胎侧过度，防止应力集中和磨损 子口：3、便于成型操作。
5.4.1 钢丝圈形式及数量的确定
1、方形钢丝圈
主要用于多层纤维胎体载重子午线轮胎，也可用于乘用子午线轮胎。这种钢丝圈的钢丝强度利用率不经济，包边时不易包紧，而且在定型时易损伤胎圈，因此趋于减少，但目前应用还较广。 2、圆形钢丝圈
圆形钢丝圈已经日益广泛用于纤维胎体的乘用和载重子午线轮胎。这种钢丝圈是用单根钢丝缠绕而成的，强度利用率很高。例如，在同样安全倍数下，较方形钢丝圈根数可减小45%，此外包边易包得密实，且在加工过程中无损于胎圈，是正在发展的一种钢丝圈形式，需在此部位增至一些附加部件。 3、等边六边形钢丝圈
通常用于钢丝载重子午线轮胎，这种钢丝圈也是单根钢丝绕成的。 4、扁六边形
扁平带弧四面形和菱形钢丝圈基本上用于无内胎轮胎。无内胎子午线轮胎所以应用这种形式的钢丝圈，是因其能增宽胎圈，加大胎圈刚性与挺性，使胎圈和轮辋间不致因滑动而导致慢性泄气。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
至于钢丝圈数量，由于子午线轮胎胎层数少，采用单钢丝是合理的，甚至像18.00-25工程胎也采用单根钢丝圈，但对在苛刻条件下和经受颇大条件下使用的轮胎来说，宜采用双钢丝圈。
5.4.2 钢丝圈的设计
本次设计取单钢丝圈，断面形状为15°斜度的正六角形钢丝圈，钢丝排列方式为5-6-7-8-9-8-7-6-5。包圈高度钢丝帘线高度一般都超过轮辋边缘高度，延伸至下胎侧，最大高度以不超过（0.4～0.6）H为宜。本次设计取0.4H，即0.4236= 94.4mm钢丝圈应力计算参照表5-4。
表5-4 钢丝圈相关参数 轮胎规格 295/80R22.5
钢丝直径（mm） 1.30
2
2
钢丝圈尺寸
mm 11.7
钢丝根数
n 61
钢丝强度 S（N/根） 2352
安全倍数
K 5.6
应力公式：T=P(Rk-r0)/2×0.95 式中：T──钢丝圈承受负荷
P──轮胎内压
N
K=nS1/T
900kpa 485mm 399mm
Rk──胎里半径
R0──零点半径
T=9001000（0.4852-0.3992）/2×0.95=25490N 核算K=612352/25490=5.65 ＞ 5 符合要求。
5.5 外胎内缘曲线设计
内缘曲线是施工设计，成型机头宽度设计的基础，也是水田河内台的断面尺寸设计的基础，设计方法是先确定成品断面各部厚度，然后再确定外胎内缘各部位半径。
5.5.1 成品断面各部位厚度的设计
要绘出外胎的内轮廓形状曲线，首先需要确定关键点的厚度位置，包括胎冠中心部位、胎肩位置 、胎侧水平轴位置、胎圈底部宽度位置的厚度，由于绘制的轮廓为成品图，故在计算过程中要考虑到轮胎生产过程中的硫化压缩率。
胎冠部帘布层压缩率为20%～30%，本设计取25%； 胎侧部帘布层压缩率为20%～25%，本设计取20%；
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
胎圈宽部位压缩率为10%～15%，本设计取12%。 下胎侧部位压缩率为10%～15%，本设计取12%。
钢丝圈底部帘布层压缩率最小，一般为0%～5%，本设计取3%。
外胎成品断面各部位厚度等于半成品断面各部位厚度与个部位压缩率的乘积，胎面胶和胎侧胶半成品厚度则根据成品厚度确定，不必计算压缩率。各关键点厚度见表5-5、表5-6、表5-7、表5-8。其中各表总厚=设计各部位厚度总和（1-压缩率）。
表5-5 胎冠各部位厚度
胎 冠
花纹沟深
15
基部胶厚
6
带束层 2.8×4
冠带层 2
胎体 3
气密层 2
总厚 36
表5-6胎侧各部位厚度 胎 侧
胎侧胶 3.5
表5-7胎圈各部位数据
胎 圈 高 度
子口胶 3.3
胎体 3.0
钢丝圈 11.7
气密层 2.0
总厚 20
胎体 2.5
气密层 2
总厚 8
表5-8钢丝圈底部数据
钢 丝 圈 底 部
胎体 3.0
子口胶 3.3
总厚 6.3
5.5.2 成品断面各部位弧度半径的设计
(1)胎冠部弧度半径R1′的计算
根据花纹沟底部弧度半径花纹和花纹类型确定，其值一般较花纹沟弧度半径小20-40mm，半径R1′圆心位于纵向中心线上。
花纹沟底部半径=Rn-h=562-12=550 mm 取R1′小于36mm,则R1′=562-36=526mm (2)上胎侧弧度半径R3′的计算
上胎侧弧度半径R3′通常小于外缘曲线上胎侧弧度半径30-50mm,为了提高肩下
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第五章 轮胎胎体和缓冲层的设计
部位刚性，避免应力集中和肩空，肩裂毛病的发生，R3′宜取小点，其圆心位于断面水平轴上。本设计取R3′=40mm
(3)下胎侧弧度半径R4′的设计
下胎侧弧度半径的圆心在断面水平轴上和纵向中心线交点附近，根据水平轴上下距离相近或稍大于下部，胎侧相应厚度相等原则确定，本设计取R4′=80mm
(4)胎圈弧度半径R5′的设计
胎圈弧度半径的圆心在钢丝圈底线上2-5mm处，其值较胎圈宽度略小，本设计取R5′=20mm，本设计两弧刚好相切，R5′弧线下部用平行于纵向中心线绘出。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第六章 轮胎胶囊的设计
第六章 轮胎胶囊的设计
胶囊是外胎应用定型硫化机硫化的硫化工具，其形状有鼓形和橄榄型两种，二者相比。橄榄形真空泄胎时，易收缩成多面体，减少了应力集中和由此造成的损坏。此外排气性能好。硫化外胎不易产生气泡。本设计轮胎规格为载重轮胎，应采用橄榄型。
胶囊主要设计参数有胶囊的径向伸张，断面周长伸张，胶囊的厚度等。
6. 1胶囊夹口直径设计
胶囊的径向伸张R R=DK/DB
式中 DK—外胎胎里直径，mm；
DB—胶囊原始状态直径，mm。
B型胶囊的径向伸张取值范围为1.60～1.85。本次设计取1.7
DK=1042-2×36=970mm DB=DK/ R=970÷1.7=570mm
6.2 胶囊的断面周长伸张L
胶囊的断面周长伸张L=LK/LB
式中 LK—外胎断面内轮廓周长，mm；
LB—胶囊断面周长，mm。
使用证明，胶囊的断面周长伸张应尽可能减小。胶南沿外胎内轮廓的伸张不
应超过20%。重型载重轮胎用B型胶囊断面周长伸张值为1.02～1.04，本次设计取1.03，本次外胎断面内轮廓周长量得为690mm，即LB =LK/L=690÷1.03=670mm。
6.3 胶囊厚度
B型胶囊的厚度，通常载重轮胎为8～12mm，最大不超过20mm。本次设计取
12mm，胶囊夹缘处至肩部圆弧过渡应增厚20%～30%，并要逐步过渡，以减小应力集中。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 第六章 轮胎胶囊的设计
胶囊中腰厚度一般不低于10mm，肩部厚度不低于10.5mm，本设计取14mm。径向伸张值在1.7以下时，中腰厚度减弱薄量为2～2.5%。
6.4 胶囊高度
胶囊高度HB
HB / LK=1.01～1.09，载重轮胎取值为1.00～1.06，本次取值1.03，
即HB=1.03×690=710mm
胶囊夹缘内直径dB＜外胎胎圈直径d dB=（0.70～0.82）d 胶囊外直径DB与夹缘内直径dB
DB/ dB=1.45～1.49 取1.47，
即dB= DB/ 1.47=570÷1.47=388mm
6.5 胶囊排气槽设计
胶囊外表面设排气槽，其位置从距离冠部20mm左右开始至夹缘倾斜设置，倾角
50°左右，槽宽和槽深各1.5～2.5mm，槽间距离为5～15mm。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 致 谢
致
谢
行百里者半九十，这次毕业设计是我大学四年的最后一段路程，虽有疑惑，有困难，甚至也有想敷衍了事的时候，但我还是坚持下来了，尽我的努力做到最好。
毕业设计的这三个多月中，我查阅了相关的中英文文献，对设计有了初步的了解，并且确定了自己的设计理念，之后对相关文献进行学习对轮胎各部位的尺寸进行了设计计算，完成了设计说明说和设计图纸。在此期间，赫秀娟老师一直给予了我很多帮助，在她的指导下我顺利的完成了子午线轮胎结构设计的相关内容，很感谢老师在百忙之中还要抽时间对我们的毕业设计进行辅导，在此我需要真诚对地您的说一句谢谢，老师您辛苦了。
大学四年，我错过了很多，也得到了很多。大学赋予了我足够的时间和实践去认真思考怎样的一生才是有意义的人生，对我的价值观、人生观和世界观都有很大的改变；有来自五湖四海的同学，看到了很多优秀的人，开始有了靠近梦想的动力；大学没有决定我的成长和未来，它告诉我自己想要成为的人，大学毕业是我人生另一段路程的起点。
最后，真诚的感谢每一个教导和帮助过我的人，无论是教予知识的老师，一起学习生活的同学，还是课外予以帮助的学校后勤工作者，生活中的小伙伴们，谢谢你们出现在我四年的大学生活中，为我指明方向，予以我学习和生活的方便，陪我度过美好和困难，谢谢。
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沈阳化工大学学士学位毕业设计 参考文献
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