载重轮胎设计开发技术大观（三）

于清溪

载重轮胎设计开发技术大观（三）

于清溪

随着载重轮胎子午化、扁平化、无内胎化进程的不断深入，对载重轮胎的设计开发也逐渐趋于成熟。系统介绍了载重轮胎的材料和结构设计思路，并就其某些代表性性能的设计进行了思考。

橡胶；老化；防老剂；配合

2.2 载重轮胎主要参数计算

载重轮胎的主要参数包括外形尺寸、气压负荷、安全倍数，一般可根据要求的工作条件、使用寿命、选用材质的特性和强度，通过计算加以确定。但是，由于载重轮胎在实际行驶中使用条件的不固定和多变性，结构应力应变的复杂性，以及橡胶和金属骨架材料的耐热、疲劳强度的有限性和不确定性，目前大多仍停留在经验计算的阶段。尽管如此，但近些年来，随着有限元分析等计算技术在轮胎中的成功应用，尤其是电脑等工具的介入，轮胎设计已经开始进入科学发展的新时期。

2.2.1 负荷与气压

负荷与气压是决定载重轮胎结构的首要条件。在轮胎业界，长期以来一直沿用由经验积累的实验公式——海尔近似式来计算：

式中：Q为轮胎负荷/kg；P为气压/（kg·cm-2）；d为轮辋直径/cm；B1为轮胎宽度/cm。其中，B1和轮辋宽度C的关系式为：

可是，海尔公式由于在实际使用上存在着一系列有待商榷之处，如无视轮辋（胎圈）宽度对负荷能力的影响，以及气压增加可使负荷无限制增大的不合理现象。因此，从上世纪50年代开始，美国轮胎协会（TRА）对其进行了修正，称为TRА修正近似公式：

式中：W为负荷/lb；P为气压/（lb·in-1）；S为轮胎宽度/in；R为轮辋直径/in；A、K为系数。对载重轮胎来说，K=0.425，在好路面上快速行驶时A=1，在坏路面上高低速行驶A=1.2～2.0。

而后，TRА修正近似式得到公认，在世界各地广泛采用。日本汽车轮胎协会（JАTMА）将其换算为公制：

式中：W为负荷/kg；K为负荷系数；P为气压/（kg ·cm-2）；S为轮胎宽/mm，Dr为轮辋直径/mm。

我国轮胎设计工作者针对TRА轮胎负荷公式的不足，又在其基础上进一步改进为

上世纪70年代，北京橡胶工业研究设计院郑正仁工程师将TRА计算公式演变为

2.2.2 负荷与内容积

轮胎的负荷还可以通过对内容积的计算求得，历史上曾出现过多种计算方法和公式。但由于受气压的影响较大，内容积的变化同负荷的增减实际上并无直接关系，因而只能供作参考，并无实际意义，故未能推行。

2.2.3 负荷与轮胎断面宽度

上世纪50年代，前苏联轮胎工业研究所的轮胎专家彼捷曼通过对载重轮胎的H/B、D/B、C/B、h/B、βk·ni Ek/Gh、P/G、Q/GB3、f/B等一系列比值关系变数的解析研究，发现“轮胎的负荷变形同轮胎断面宽的自乘成正比例增长”的理论，提出了当P一定时，轮胎负荷可通过下式简单加以求得：

式中：K为常数，一般称之为负荷系数。

该公式对标准型载重轮胎的设计较为适用，结果也接近实际，我国在50～70年代主要采用此公式计算。但它同以内容积为主计算负荷一样，忽略了气压对负荷的影响，对改变轮胎断面宽与轮辋宽比值以及低断面和扁平形的轮胎来说，偏差较大，局限性很大。

2.2.4 轮胎轮廓自然形状

轮胎在充气状态下的自然形状轮廓，通常可按下列理论式计算出轮胎（斜交结构）的自然形状。

图3 轮胎形状理论

上式系单从力学角度出发计算的轮胎轮廓形状，未考虑轮胎中帘线的应力应变等各种变动因素，纯属自然的形状。然而，这种由朴素理论式计算的形状，却同实验值的结果颇为相近。因此，该计算式现已在轮胎设计上得到广泛应用。

对子午线轮胎来讲，实际上α0=90°即是其形状，这种纵长状态的形状乃系无带束层时的子午胎形状。然而，现有的子午胎在其胎体冠部都是由带束层强制箍紧的，因此，其形状显然是由胎体与带束层的刚性平衡状况来决定的，并且还要考虑充气压力对其产生的变形。

（1）胎体帘线张力

在这里需要特别注意之处是：平衡形状仅是取决于胎体帘线同轮胎旋转方向形成的角度，不依赖于内压和帘线刚度等物理性能。因此，帘线张力可用下式求得：

式中：N为胎体帘线的总根数。如为子午线轮胎，则还要按照前面所述，考虑带束层补强后的形状理论。即胎体帘线对旋转方向成90° （α=90°），在充气下保持的胎冠部形状足以使带束箍紧而稳定。利用这个带束，可以改变胎侧部形状，将轮胎扁平化。胎侧部形状（α0=90°时）可以下式求得：

在胎冠部，要考虑带束对胎体分担的内压来求出平衡形状。假定以带束的内压负担率为g，取胎冠部横方向一定值，则胎冠部的平衡形状可用式（10）加以表示：

式中：rd为带束一端半径。此时，胎体帘线张力以帘线总根数为N时，可得下式：

式（8）和式（10）简化之后，亦可用下式表示：

由上式可以看出，平衡形状的特征是胎体的张力是一定的。尽管如此，多年来为提高斜交轮胎性能，凭经验大量使用非轮胎平衡形状。而且现今的有限法解析，对子午线轮胎也提出了各种非平衡理论，并且已经付诸实际应用。

（2）带束层强力

带束层为胎体的箍扎，其承受内压后的总应力为：

式中：P为内压/kPa；F为内轮廓断面积/cm2；Rk为胎里半径/cm；R0为零点半径/cm。

单根钢帘线应力为：

式中：bb为带束层平均宽度/cm；nb为层数；ib为帘线密度/（根·cm-1）；βb为角度。

安全倍数为

式中：Nb为带束层单根帘线所受应力/N；K为安全倍数。

（3）胎圈强度

胎圈除内压外，还承受制动力矩、侧滑力、离心力以及胎体反复屈挠变形等多种复杂应力，其钢圈所受总压力为：

安全倍数为5～6以上。

2.2.5 轮胎安全倍数

载重轮胎气压负荷的安全倍数，以前对斜交结构的尼龙轮胎多为5～7倍，现今改为全钢子午胎之后已普遍提升至6～9倍。安全率系数的选取必须考虑帘线在热状态下的强力变化，经久疲劳造成的强力损失，行驶速度以及驱动、刹车和冲击、颠簸对动静负荷带来的影响。另外，还要充分估计气压变化、超载偏移、天候条件等因素来确定。对于在苛刻环境下使用的货车轮胎和高速公路上用的客车轮胎，有时还应像乘用轮胎（10～13倍）那样，将安全倍数提高到10倍以上。

载重轮胎的安全率一般按压力容器安全性的计算公式求出：

式中：Pb为轮胎爆破强度；P为气压；S为安全系数。S可从帘线强力与气压的关系公式中求得，例如，对子午线轮胎来说，通常以下式由帘线破坏强力t0。算出压力容器（轮胎）的强度Pb。

现今，许多轮胎生产厂家为应对载重轮胎的拖挂化、强载化和高速化，以及钢帘线强力的提升和结构的新型化，多对安全倍数加以进一步提高。不仅达到了乘用子午胎的程度，有的还进一步有了加大。例如在好路面上使用的为8～12倍，在坏路面上使用的为12～16倍，城市间长距离长途客车轮胎为14～18倍，采石工程、森林砍伐用的为18～20倍。

近年，由于有限元计算技术在轮胎设计上已得到普遍应用，计算的精确性大为提高，而且利用电脑即可很容易地迅速取得轮胎轮廓自然形状、帘线张力、带束层应力、胎圈强度和轮胎安全系数等一系列数据，并且能绘制成精确的图形，并取得同实际接近的性能。

2.3 载重轮胎基本结构设计

2.3.1 胎面及花纹结构

载重轮胎同乘用轮胎不同，它行驶的路面比较复杂，从柏油、水泥混凝土到石板、细沙，再到土路，可谓多种多样，变化无常，因此轮胎的花纹结构形式也各异，有的甚至还同工程、农业轮胎有一定的类似之处。总的趋势是，花纹造型由复杂向简单化方向发展。

通常，对在好路面上行驶的载重轮胎，导向型的主要采用直条和曲折形的纵向花纹结构，重视高速性、直线性和排水性；驱动型的要配以横向和斜倾形的纵横混合花纹，重视抓着性、抗磨性和静音性。在坏路面多的条件下，轮胎花纹以横向结构为主，需采取防止切割、掉块、破裂和齿形磨损等措施。对要求顺利通过山地、岩石、湿地、沼泽以及沙漠的载重轮胎，视不同情况，其花纹为大小块状的越野型。冬用轮胎花纹应为能抗水冰湿滑的宽沟细缝纵横紧密结合配置的形式。其示意图详见表3。

表3 载重轮胎胎面花纹类型示意

载重轮胎的胎面结构一般最少由胎冠和胎侧两部分的不同橡胶材料组成，现在更多地是由胎冠、胎基、胎肩、胎侧和胎趾构成的多元复合结构。胎冠通常也分为双层，上部的花纹部分要求满足耐磨耗、耐偏磨、抗湿滑、抗刺扎、低滚阻、低噪声的愿景，下部的底胶层具有抗剪切、少变形和低生热、高散热的性能。对于大型高速行驶的载重轮胎，还普遍在胎肩部设有易散热的三角区，并在胎趾部位加有防磨层。胎冠与带束层之间，大多配置能将两者牢固粘合、相互匹配的应力过渡层——胎基胶。现今的高性能载重子午线轮胎已将胎面分割为多种不同性能要求的工作区，包括要求柔软的耐弯曲、耐划伤、耐老化、耐龟裂的光亮胎侧在内，早已从传统的两方三块等变为三方四块和四方六块的设计方式（详见表4）。

2.3.2 带束层结构

载重子午胎的带束层是轮胎应力应变的中心，为轮胎设计最为关键的部位。其结构通常要使用强有力的钢帘线外覆橡胶制成的片状多层三角箍。它系由3到4层相互重叠，并以相反方向和角度排列在一起的带状钢帘线层，形成一个上下三角区。

带束层用的钢帘线种类可同胎体一样，但近些年来为适应带束层的特殊要求，已根据不同使用条件大量选用高强力、高伸缩和高冲击力的钢帘线，并形成了带束层钢帘线品种系列。对于低断面超扁化的轮胎，为了增强带束层的强力，控制其张力的增大，除了选择最适宜的钢帘线品种之外，还在带束层结构上采取各种防止周向排列的胎体钢帘线扩张的措施。

表4 载重轮胎胎面断面形状及构成

带束层结构的膨胀系由钢帘线的品种结构、帘线根数、密度，橡胶种类、配方、覆胶厚度以及带束层宽度、角度等多种因素构成，其排列组合十分重要。其基本结构，大体上可分为以下五种类型：

① 3层带束结构 主要用于轻型、中型载重、客运汽车上用的普通子午线轮胎。

② 4层带束结构 主要用于载重和客运汽车上用的要求高强力、高冲击的子午线轮胎。

③ 3层半带束结构（1层中断开） 用在半好路面，行驶中在突起时常使带束变形增大和车轮大滑移角的拖车用子午线轮胎。

④ 周向带束结构 主要用于扁平比60系列以下的低断面轮胎，以周向带束抑制内压和行驶的增长，提高扁平子午胎的耐久力。

⑤ 波状带束结构 用在超扁平，要求耐久力更高的子午线轮胎。

上述载重子午胎带束层的结构形式示意，详见表5。

表5 载重轮胎带束层结构形式示意

（未完待续)

[责任编辑：朱 胤]

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2013-10-10