RP载重子午线汽车轮胎优化设计与加工工艺研究

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1、1.4RP 载重子午线汽车轮胎优化设计与加工工艺研究学生姓名：王峰指导老师：梁晓娟浙江科技学院摘要随着公路建设和汽车工业的不断发展，对轮胎使用性能的要求越来越高。原来生产的1.4PR载重汽车轮胎由于花纹结构陈旧，并时有肩空和胎圈磨损等质量问题，已经不能适应市场需求。为此，在对市场调研后，对1.4PR载重子午线轮胎进行了优化设计和加工工艺研究。本文主要通过对子午线轮胎结构特点的分析，并探讨了轮胎结构与轮胎特性方面的关系，还有轮胎结构参数和车辆特性的关系。然后根据分析的结果对轮胎的带束层，胎圈，胎体和胎冠进行了结构的优化设计。并用三维设计软件进行三维建模。最后对轮胎的加工工艺进行研究，并制作加工工

2、艺卡。关键字 ：汽车轮胎 子午线 优化设计加工工艺1.4RP radial heavy-duty tire structural design and machiningtechnics researchStudent: feng wangAdvisor: xiaojuan liangSchool of Mechanical and Automotive Engineering Zhejiang University of Science and TechnologyAbstractWith the road construction and automobile industry conti

3、nuesto develop, the tire performance requirements are high. The original truck tire production 1.4PR structure as the old pattern, and when the shoulder and bead wear air quality problems, has been unable to meet market demand. To this end, after market research, we design and processing of the 1.4P

4、R radial truck tire .In this paper, by analyzingthe characteristics of radial tirestructure and the structure of the tire and tire properties relationships, as well as tire structure parametersand the relationship between vehicle characteristics. Then the results of theanalysis of tire belt, bead, c

5、arcass and tire crown The structure ofthe optimal design. Use three-dimensional design software to dothree-dimensional modeling. Finally, to make the tire processing technology research and production of processing card.MeridianOptimizationKeyword : Car tireFertigungsplanung目录第一章 绪论 1.1.1 汽车轮胎的发展趋势1

6、.1.2 子午线轮胎的构造与特性 2.1.3 课题的提出 4.1.4 本文完成的工作5第二章 轮胎的优化设计5.2.1 子午线轮胎的结构特点 5.2.2 轮胎特性与轮胎结构元件的关系 8.2.3 轮胎的优化设计102.3.1 带束层的设计 102.3.2 胎圈的设计 122.3.3 胎体的设计 152.3.4 胎冠的设计 162.4 轮胎的优化设计模型17第三章 轮胎加工生产过程研究193.1 子午线轮胎制造工艺特点 193.2 子午线轮胎制造工艺流程和工艺条件 193.2.1 制造工艺流程 193.2.2 生产工艺条件 203.3 原材料的混炼工艺 213.3.1 原材料加工 213.3.2

7、 配料的工艺要求 223.3.3 胶料的快速检验 233.3.4 混炼工序 233.4 胎面的加工制造工艺 243.4.1 胎面等部件的制造工艺 243.4.2 胎面部件的制作工艺流程 263.4.3 胎面的压出工艺条件 27总结 29致谢 32附录： 331 轮胎部件加工工艺卡： 332 原材料的混炼加工工艺卡34第一章 绪论车轮与轮胎是汽车行驶系中的重要部件，其功用是：支承整车；缓和由路面传来的冲击力； 通过轮胎同路面间存在的附着作用来产生驱动力和制动力厂汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同时， 通过车轮产生的自动回正力矩， 使汽车保持直线行驶方向；承担越障提高

8、通过性的作用等。现代汽车几乎都采用充气轮胎。 轮胎安装在轮辋上， 直接与路面接触，它的作用是：1） 和汽车悬架共同来.缓和汽车行驶时所受到的冲击，并衰减由此而产生的振动，以保证汽车有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性。2）保证车轮和路面有良好的附着性，以提高汽车的牵引性、制动性和通过性。3）承受汽车的重力，并传递其它方向的力和力矩。因此，轮胎必须有适宜的弹性和承受载荷的能力。同时，在其与路面直接接触的胎面部分，应具有用以增强附着作用的花纹。此外，车轮滚动时，轮胎在所承受的重力和由于道路不平而产生的冲击载荷作用下受到压缩。压缩消耗的功，在载荷去除后并不能完全回收，有一部分消耗于橡胶的内摩擦，结果使得轮

9、胎发热。温度过高将严重地影响橡胶的性能和轮胎的组织，从而大大增加轮胎的磨损而缩短轮胎的使用寿命。1.1 汽车轮胎的发展趋势汽车车轮承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动（制动）扭矩和行驶过程中所产生的各种应力，它是高速回转运动的零件、要求尺寸精度高、不平衡度小、支撑轮胎的轮辋外形准确、质量轻，并有一定的刚度、弹性和耐疲劳性。因此要求车轮具有足够的负载能力与速度能力、良好的缓冲性和气密性、良好的均匀性和质量平衡性、精美的外观和装饰性、尺寸精度高、质量小、价格低、拆装方便、互换性好等。车轮材料的选用，车轮结构和制造工艺与上述要求密切相关，是决定车轮性能好坏的关键因素。目前，全世界的汽车车轮，不管是载重

10、汽车车轮还是轿车车轮，所用材料基本分为两种，即钢材和铝合金材料，这两种材料制造的车轮所占市场份额为 95% ， 研究汽车车轮的各种工艺特性与这两种材料的特性是分不开的。随着世界各国政府对节能、安全、环保的要求日趋严格，车轮材料的选择就成为一个焦点问题，即铝合金和钢的选择问题。此外，随着材料技术的发展和人们对车轮质量的要求不断提高，一些新型材料也被用于制造汽车车轮。1.2 子午线轮胎的构造与特性子午线轮胎的构造。它由帘布层、带束层、胎冠、胎肩和胎圈组成，并以带束层箍紧胎体。其特点是：(1) 帘布层帘线排列的方向与轮胎的子午断面一致。由于帘线如此排列，使其强度得到充分利用。子午线轮胎的帘布层数一般

11、可比普通斜交胎诚少约40%50% ,胎体较柔软。(2) 帘线在圆周方向上只靠橡胶采联系， 因此， 为了承受行驶时产生的较大切向力，子午线胎具有若干层帘线与子午断面呈大角度(交角为 70度75度卜高强度、不易拉伸的周向环形的类似缓冲层的带束层。带束层通常采用强，度较高、拉伸变形很小的织物帘布（如玻璃纤维、聚酰胺纤维等高强度材料）或钢丝帘布制造。子午线轮胎的优点是：（ 1）使用寿命长。由于子午线轮胎胎面与胎体帘布层之间具有刚性较大的带束层，因轮胎在路面上滚动时，周向变形小，相对滑移小。又因轮胎体的径向弹性大， 使轮胎接地面积增大， 压强减小， 故胎面耐磨性强，且耐刺扎，不易爆胎，行驶里程可比普通斜

12、线轮胎多 30% 。（ 2）滚动阻力小，耗油低。由于子午线轮胎帘布层数少，行驶温度低，散热快，又因周向变形小，故滚动阻力比普通斜线胎小 15%-20% ，滑行距离多 25% 左右， 因此， 使用子午线轮胎不但可提高汽车的行驶速度，还可提高汽车燃油经济性（一般可降低油耗5%-12% ） 。（ 3）承载能力大。由于子午线轮胎帘线排列与轮胎主要的变形方向一致，因而使帘线强度得到充分有效的利用，故比普通斜线轮胎承载能力高10% 以上。 如仅具有一层钢线帘线的国产9。 00-20 型子午线轮胎的承载能力为 1800KG ，而具有 10 层棉线帘布的同类型斜线轮胎的承装能力仅为1500KG 。（4）减震性

13、能好。因子午线胎体的径向弹性大，径向（垂直于地面方向）变形大，可以缓和不平路面的冲击，使汽车挟顺性得到改善，乘坐舒适， 同时也降低了车辆受冲击损坏的可能性， 有助于延长车辆的使用寿命。它的缺点是：（ 1）子午线轮胎的胎侧较薄，故变形大，胎侧与胎圈受力比普通斜线轮胎大得多，因此，子午线轮胎胎面与胎侧的过渡区与轮辋附近易产生裂口。同时，子午线轮胎对路面上很小的凹凸不平较敏感，吸收冲击能力差，这对乘坐的舒适性不利。因此，子午线轮胎不宜在不良路面的道路上行驶， 并且在行驶中应避开车辙、 路缘、 石块或其他锐利障碍物撞击胎侧。（ 2）由于子午线轮胎胎侧薄，侧向强度低，使侧向稳定性能变差。因此，在行驶中应

14、避免高速急转弯和紧急制动，以防止轮胎早期磨损。（ 3） 子午线轮胎工艺复杂， 生产成本高， 价格比普通斜线轮胎高 25%左右。（ 4）子午线轮胎不宜与普通斜线轮胎混装在同一辆汽车上，因为这两种轮胎径向弹性、同向滑移不同，将会引起轮胎滚动半径不等。也不能前轮装子午线轮胎，后轮装斜线轮胎，否则在高速公路上转弯时很容易甩尾，特别是在雨天，更容易发生。（ 5）严格保持子午线轮胎出厂时要求的标准气压。子午线轮胎的充气标准比斜线轮胎高。同时还应注意，不允许降低在行驶中正常升高的胎压。（ 6）要按技术保养规定进行轮胎换位，轮胎的适时换位可以减少各轮胎磨损速率不同与轮胎花纹不均匀磨损，有利于汽车行驶的平顺性。

15、（ 7）在高速公路上使用子午线轮胎，绝不能超载。如果超负荷行驶，就会因子午线轮胎带束层的角度排列不均匀引起角度效应增大，同时也使汽车的操纵性、稳定性能变差，极易引起爆胎。1.3 课题的提出轮胎作为汽车非常重要的部件之一，其作用不仅承受了汽车的全部载荷，而且能够让驾车行动自如。另外，轮胎还吸收和缓冲了一部分直接来自路面的冲击和振动。轮胎与汽车的燃油经济性、车轮回正、转向特性等都有密切关系，一旦轮胎出现问题，轻者会影响汽车的正常行驶，严重者会导致车毁人亡。轮胎必须有适宜的弹性和承受载荷的能力。同时，在其与路面直接接触的胎面部分，应具有用以增强附着作用的花纹。此外，车轮滚动时，轮胎在所承受的重力和由

16、于道路不平而产生的冲击载荷作用下受到压缩。压缩消耗的功，在载荷去除后并不能完全回收，有一部分消耗于橡胶的内摩擦， 结果使得轮胎发热。 温度过高将严重地影响橡胶的性能和轮胎的组织，从而大大增加轮胎的磨损而缩短轮胎的使用寿命。随着公路建设和汽车工业的不断发展，对轮胎使用性能的要求越来越高。原来生产的1.4PR载重汽车轮胎由于花纹结构陈旧，并时有肩空和胎圈磨损等质量问题，已经不能适应市场需求。为此，在对市场调研后，对1.4 PR载重汽车轮胎进行了优化设计和加工工艺过程研究。1.5 本文完成的工作通过对子午线轮胎结构特点的分析，并探讨了轮胎结构与轮胎特性方面的关系，还有轮胎结构参数和车辆特性的关系。然

17、后根据分析的结果对轮胎的带束层，胎圈，胎体和胎冠进行了结构的优化设计。并用三维设计软件进行三维建模。 最后对轮胎的加工工艺进行研究， 并制作加工工艺卡。第二章 轮胎的优化设计2.1 子午线轮胎的结构特点子午线轮胎由帘布层、带束层、胎冠、胎肩和胎圈组成，并以带束层箍紧胎体。帘布层帘线排列的方向与轮胎的子午断面一致。帘线在圆周方向上只靠橡胶采联系，因此，为了承受行驶时产生的较大切向力，子午线胎具有若干层帘线与子午断面呈大角度（交角为70度75度）、高强度、不易拉伸的周向环形的类似缓冲层的带束层。 带束层通常采用强， 度较高、拉伸变形很小的织物帘布（如玻璃纤维、聚酰胺纤维等高强度材料）或钢丝帘布制造

18、。子午线轮胎的优点是：（ 1）使用寿命长。由于子午线轮胎胎面与胎体帘布层之间具有刚性较大的带束层，因轮胎在路面上滚动时，周向变形小，相对滑移小。又因轮胎体的径向弹性大， 使轮胎接地面积增大， 压强减小， 故胎面耐磨性强，且耐刺扎，不易爆胎，行驶里程可比普通斜线轮胎多 30% 。（ 2）滚动阻力小，耗油低。由于子午线轮胎帘布层数少，行驶温度低，散热快，又因周向变形小，故滚动阻力比普通斜线胎小 15%-20% ，滑行距离多 25% 左右， 因此， 使用子午线轮胎不但可提高汽车的行驶速度，还可提高汽车燃油经济性（一般可降低油耗5%-12% ） 。（ 3）承载能力大。由于子午线轮胎帘线排列与轮胎主要的

19、变形方向一致，因而使帘线强度得到充分有效的利用，故比普通斜线轮胎承载能力高10% 以上。 如仅具有一层钢线帘线的国产900-20 型子午线轮胎的承载能力为 1800KG ，而具有 10 层棉线帘布的同类型斜线轮胎的承装能力仅为1500KG 。（4）减震性能好。因子午线胎体的径向弹性大，径向（垂直于地面方向）变形大，可以缓和不平路面的冲击，使汽车挟顺性得到改善，乘坐舒适， 同时也降低了车辆受冲击损坏的可能性， 有助于延长车辆的使用寿命。它的缺点是：（ 1 ）子午线轮胎的胎侧较薄，故变形大，胎侧与胎圈受力比普通斜线轮胎大得多，因此，子午线轮胎胎面与胎侧的过渡区与轮辋附近易产生裂口。 同时， 子午线

20、轮胎对路面上很小的凹凸不平较敏感， 吸收冲击能力差，这对乘坐的舒适性不利。 因此， 子午线轮胎不宜在不良路面的道路上行驶，并且在行驶中应避开车辙、路缘、石块或其他锐利障碍物撞击胎侧。（ 2）由于子午线轮胎胎侧薄，侧向强度低，使侧向稳定性能变差。因此，在行驶中应避免高速急转弯和紧急制动，以防止轮胎早期磨损。（ 3） 子午线轮胎工艺复杂， 生产成本高， 价格比普通斜线轮胎高 25%左右。（ 4）子午线轮胎不宜与普通斜线轮胎混装在同一辆汽车上，因为这两种轮胎径向弹性、同向滑移不同，将会引起轮胎滚动半径不等。也不能前轮装子午线轮胎，后轮装斜线轮胎，否则在高速公路上转弯时很容易甩尾，特别是在雨天，更容易

21、发生。（ 5）严格保持子午线轮胎出厂时要求的标准气压。子午线轮胎的充气标准比斜线轮胎高。同时还应注意，不允许降低在行驶中正常升高的胎压。（ 6）要按技术保养规定进行轮胎换位，轮胎的适时换位可以减少各轮胎磨损速率不同与轮胎花纹不均匀磨损，有利于汽车行驶的平顺性。（ 7）在高速公路上使用子午线轮胎，绝不能超载。如果超负荷行驶，就会因子午线轮胎带束层的角度排列不均匀引起角度效应增大，同时也使汽车的操纵性、稳定性能变差，极易引起爆胎。2.2 轮胎特性与轮胎结构元件的关系通过研究轮胎特性与轮胎结构元件关系的轮胎模型。轮胎分为胎面、带束层和胎侧部进行模型化 (见图 3-1) 。转弯能力 Cs 与轮胎接地长

22、度的关系用下式表示：(1)式(1)为有关轮胎接地长度的多项式。 用该式容易求出回归系数。 A 是为了更好地体现转弯能力与负荷关系的常数项； Co 为胎面刚性； k 为胎侧刚性； 为从属于带束层刚性EI 和胎侧刚性k 的变项。 如果考虑胎面部的变形比胎侧部的变形小，则作为横向力与在接地中心的横向变位之 比求出横向弹簧常数Kl 带束层刚性EI 和胎侧刚性k 用下式求得：(2)(3)作为一个分析例，以表1 的数值为基准，通过变化各刚性和接地长度计算转弯能力所得的结果见图 3-3 。从图 3-3 可以看出，如果增加胎面刚性 Co ，则在前后轮负荷部位的转弯能力均提高。如果降低带束层刚性，则相当于前轮的

23、高负荷部位的转弯能力下降。如果胎侧刚性k 下降，则相当于前轮的高负荷部位的转弯能力下降，但其影响比带束层刚性的小。如果接地长度增加 ,则相当于后轮的低负荷部位的转弯能力提高。 因此， 如果降低带束层刚性和增加接地长度，则可提高车辆的直行性能。图3-1轮胎模型最后研究可以体现轮胎结构元件与轮胎设计参数关系的带束层模型。图2-4 (a)示出的带束层面内的弯曲刚性与模型的带束层刚性相当。另外,图2-4(b)示出的带束层面外的弯曲刚性与轮胎接地特性密切相关。如果带束层面外的弯曲刚性降低，则轮胎接地长度增加。车轮胎的带束层由两层 帘布层和介于帘布层间的两层粘合橡胶层构成。通常，如果分别设有第层帘布层的x

24、,y方向的变位为u,v ,可以给出如下对应于各帘布层的结构方程式:NXN；NixyiiiA xxA xyA xi iii.A(y AyyAyiiiii Ayi A(yu ,xvi，yUi,y Vi,x(6)式中，N为带束层面内膜力矢量；(，x) (,y)分别代表x,y的偏微分;A为带束层的刚性矩阵。其单元用下式表示:式中，Al At分别为与帘线平行的方向和与帘线垂直的方向的拉伸刚性；为带束层帘线角度。（a）面内弯矩（b）面外弯矩图2-4受弯矩影响的带束层作为一个计算例，以表3所列的数值为基准，分别变化各设计参数所得的面内和面外的弯曲刚性的计算结果示于图 2-5。图2-5中，水平1为 从基准线下

25、降10 %时的计算结果；水平 2为从基准线提高10 %时的计算结果。通过减小带束层总宽度 （因数G1）和加大带束层帘线角度（因数J2）可以降低面内弯曲刚性。另外，通过减小带束层尺寸（因数F1）和加大带层帘线角度（因数J2）可以降低面外弯曲刚性。从用轮胎模型进行的研究看，如果降低带束层刚性并增加轮胎的接地长度，则可以提高车辆的直行性。另外，从用带束层模型进行的研究看，则通过加大带束层帘线角度可以提高车辆的直行性。2.3 轮胎的优化设计2.3.1 带束层的设计带束层是子午线轮胎的关键部件，子午线轮胎的很多主要优越性取决于带束层，带束层也是轮胎的最主要受力部件，在很大程度上决定着轮胎的强度和充气后的

26、轮廓等等。因此它的刚性对轮胎的耐磨性、操纵稳定性、 乘坐舒适性等使用性能起着决定性的作用。 如果带束层拉伸刚度过低，轮胎充气后断面尺寸变化大： 轮胎断面增高变窄， 外直径、 胎面曲率半径、接地面长度相应增大， 接地面宽度则变窄。同时，轮胎周向侧向刚性也随之减弱 ，轮胎滚动阻力增大，轮胎行驶温度呈直线上升，因此带束层拉伸刚度的大小会引起子午线轮胎一系列性能的变化。带束层的结构主要是指带束层的排列方式、帘布层数、帘线角度、帘线密度、带束层的宽度等等。(a)带束层的排列方式和层数：采用 0 带束层度结构：该结构是意大利倍耐力公司提出的全钢、低断面载重子午线轮胎带束层结构的专利技术。此结构带束层是将第

27、三层带束层减小宽度放在胎冠中心，在第三层带束层两边设两层角度与胎冠中心线呈 0 排列的带束层。 它能够提高轮胎肩部的刚性， 防止带束层端部产生变形， 保证轮胎在高速行驶时尺寸稳定，大大降低带束层边部所受的应力和生热。该带束层轮胎与其它结构轮胎相比可节油 5 ，行驶里程提高20 ，而且高速性能好，翻新率高。( b )带束层的角度:带束层的角度，既要考虑带束层对胎体的箍紧系数，又要照顾工艺加工的可行性。就是说，角度过大箍紧效果差，角度过小裁断和接头等工艺加工困难。 因为角度小， 裁断帘线的端部斜面大， 帘线易散头， 包边困难。而且，由于钢丝帘线端部切面大而尖，与橡胶粘合不好，轮胎在行驶中易产生剥离

28、，引起带束层脱层。所以载重子午线轮胎的带束层， 第一层(过渡 层)的帘线角度在2025 ,第二、三层在1520 ,第四层与第三层相 似，子午线轮胎两层都在1820 。(c)带束层帘线密度：带束层帘线密度要根据帘线直径，轮胎负荷大小，即带束层所受应力 大小和带束层帘布和料比例而定。一般来说，带束层用的钢丝帘线单丝直 径要比胎体帘线单丝直径大一些。如胎体用钢丝帘单丝直径在0. 150. 17mm ,而带束层用的钢丝线单丝直径在0. 200. 22mm ,并向更大直径发展。胶料比例占带束层帘布的 50%60 %左右,主要是使之与 胎体有良好的粘合强度。根据第2节的数据分析，设计带束层第一层为 4 5

29、根/cm,第二、三层为56根/cm;保护层密度为 34根/cm。(d)带束层宽度：载重子午线轮胎的带束层宽度与一般轮胎的行驶面宽度相近，这是为了增强胎冠两侧的刚度，使其尽量与胎冠刚度相近。因为太窄会降低胎面 两侧的刚性，使操纵稳定性不好，产生磨胎肩的现象，过宽又会造成带束 层脱层和肩裂等质量毛病。根据第2节数据计算，带束层行驶面宽度设计为 1.02mm 0 1 D口 口.12 1图2-6带束层新结构2.3.2 胎圈的设计对子午线轮胎来说，胎圈是一个非常关键的部位，所以设计比较复杂, 在轮胎生产过程中胎圈工艺要求也比较严格。子午线轮胎胎圈部位承受的 内压应力和负荷下的附加应力都比斜交轮胎大，所以

30、子午线轮胎胎圈要具 备比斜交轮胎胎圈大得多的支撑刚度。而且从刚性的胎圈到柔软的胎侧之 间的刚性变化要平顺过渡，这样才能把轮胎胎侧的屈挠点集中维持在轮胎 断面水平轴附近，使轮胎能充分发挥其缓冲作用，减轻胎侧下部与轮车村的 摩擦，防止由应力集中而产生胎圈脱层、裂口或折断，并能有效地改善子 午线轮胎的行驶稳定性。图2-7优化前后的胎圈1-胎体帘布层2-软三角胶3-硬三角胶4-钢丝圈5-加强层6-子口护胶7-差级填充胶(a)钢丝圈断面形状：采用六角形钢丝圈：这种钢丝圈是目前载重子午线轮胎较多采用的一 种，尤其是采用电子计算机过程控制钢丝圈缠绕以来，它便于程序排列， 而且钢丝排列稳定性最好。为了使胎圈与

31、轮车村之间有较好的接着面，全钢 载重子午线轮胎采用六角形钢丝圈。图2-8圆形钢丝圈断面图2-9六角形钢丝断面（b）三角胶芯：采用加粗、加高、加硬的复合三角胶芯。复合三角胶芯包括上、下两部分（俗称上三角、下三角）。下三角胶芯位于钢丝圈上面，胶料硬度比 较大（一般为邵氏硬度8085度），以抵抗胎圈部件的曲挠变形；上三角 胶芯位于帘布反包边端与钢丝子口包布之间。为使它能承受住轮胎在工作 中反包端点的压缩、伸张应力作用产生的曲挠疲劳和刺扎，上三角胶芯的 硬度比下三角胶芯的硬度低一些（一般在邵氏硬度6065度左右）主要考 虑容易伸张，并有较好的抗屈挠与低生热性能，它既要有挺性又要有柔软 性。（c）钢丝圈

32、包布：采用细尼龙帘布，包布采用螺旋缠绕法。载重子午线轮胎胎圈在单丝 缠绕成型之后在胎圈的外面一般要缠绕一层包布，使之在轮胎成型过程中 不易被压滚压散或变形。（d）胎圈护布加强载重子午线轮胎子口部位的挺性和力，在反包钢丝帘布的外部增 加一条较窄的、带有角度的、比较柔软的钢丝帘布作胎圈护布（也叫子口 布）。（e）胎圈钢丝规格采用胎圈钢丝直径为 1 65mm ，提高载重子午线轮胎胎圈的刚性。2.3.3 胎体的设计（a）轮胎的高宽比（H/B）载重子午线轮胎的高宽比设计为 0.8 。决定轮胎外轮廓曲线的最基本参数是轮胎的断面高（H）与断面宽（B）的比值。（ b ）断面水平轴 （H1 H2）（H1 H2）

33、 的值设计为 1.2 ，从而使胎侧曲挠部位稍移向胎肩，以减少胎圈变形与磨损。子午线轮胎的胎圈部位所受应力比斜交轮胎大得多 ，因此，子午线轮胎的断面水平轴到胎圈着合直径的距离（H1） 一般较斜交轮胎稍高。（ c ）内衬层（气密层）对于全钢载重子午线轮胎来说，有内胎轮胎胎里的胶层称为内衬层；无内胎轮胎胎里与其胎圈着合面上的耐透气胶层称为气密层。内衬层是个很重要的部件，因为如果内衬层解决不好，空气和水分透入胎体，钢丝帘线会因锈蚀而断裂，造成轮胎早期报废，有人称内衬层透气等于子午线轮胎慢性 自杀。所以各轮胎生产厂家分别在内衬层上下了不少功夫。由于子午线轮胎的胎体帘线层数少，比较薄，而且帘线呈径向排列，

34、为防止水和空气透人胎体，所以子午线轮胎的内衬层要比斜交轮胎内衬层加厚，载重子午线轮胎的内衬层厚度一般在57mm左右。这里设计为带有型状的三复合内衬层。带有型状的三复合内衬层：这种结构的内衬层在第一层和第三层的边部带有坡型，有内胎子午线轮胎内衬层的第一、二层多为天然橡胶，第三层多为氯化丁基橡胶。无内胎子午线轮胎内衬层多为三种胶复合，第一层为天然橡胶，第二层为氯化丁基橡胶，第三层为丁基橡胶。其 目的是为了保证内衬层有良好的气密性，与胎体有良好的结合，胶料中气密性最好的是丁基橡胶，但丁基橡胶与天然橡胶不结合，而氯化丁基橡胶既有良好的气密性，又可以与天然橡胶和丁基橡胶有良好的粘合性。2.3.4 胎冠的

35、设计(a)行驶面宽度行驶面宽度大，有利于提高耐磨性能和抓着性能。此处行驶面宽度由170 175mm 增加到 185 195mm。(b)胎冠弧度高子午线轮胎的胎冠弧度高斜交轮胎的胎冠弧度高要小。的胎冠弧度高一般在9lOmm o(c)花纹形式作为载重子午线轮胎，在国外高速路上多采用纵向花纹。随着我国路况的不断改善，纵向花纹越来越受欢迎，即便在公路条件较差的地方一般也采用胎冠中间是纵向花纹，胎肩部位是横向花纹的混合花纹。图2-9 轮胎胎面花纹(d)花纹沟深度载重子午线轮胎的花纹沟深度浅，此处设计为12mm o子午线轮胎花纹设计要考虑避免夹石子，特别是纵向花纹，因为夹人石子等硬物会刺伤 基部胶，导致钢

36、丝帘线暴露进而使钢丝帘线锈蚀、断裂，最终导致轮胎爆 破。2.4轮胎的优化设计模型根据上文的优化设计，应用 PRO-E软件对轮胎的胎面进行建模，如图 1对轮胎的内部构造建模，如图 2。图1优化后的轮胎胎面模型图2优化后的轮胎构造模型第三章 轮胎加工生产过程研究3.1 子午线轮胎制造工艺特点(1)子午线轮胎的胶料要按照塑炼和混炼的质量要求， 生产出均一的符合技术要求的胶料；(2)轮胎的各种型胶部件既要按照技术规定的规格形状必须做到符合自身的尺寸大小要求，还要做到同一部件上各截面的几何形状公差控制在规定的最小范围内；(3) 骨架材料的胶料覆合要达到帘线密度均匀， 且帘线的两面胶料覆合厚度一致；(4)

37、各种复合材料半成品的成型覆贴组合， 要做到各部件之间的相互组合且分布要均匀对称；(5)轮胎各种半成品停放要满足技术规定的时间和温湿度要求；(6)半成品部件和胎坯在生产、储存、搬运的过程中，不允许有外力或自重等因素导致超越公差范围的不规则的局部变形和污染；(7) 胎坯在硫化过程中，要避免哪怕微小的不正常的位移；(8)成品的包装、储存和运输，也有特殊的要求规定。3.2 子午线轮胎制造工艺流程和工艺条件3.2.1 制造工艺流程子午线轮胎的主要制造工艺分为：密炼：胶料的混炼 压出：胎面、胎侧、垫胶、胎圈胶芯型胶压延 ：薄胶片、内衬层 钢丝压延：胎体、带束层、子口包布帘布外胎成型 外胎硫化 外胎成品的生

38、产检验等。3.2.2 生产工艺条件( a )温度、湿度要求子午线轮胎的生产厂房室温要求保持恒定，尤其是裁断区和成型生产区一定要严格控制，一般保持在22 212 温度低则各种部件变硬，影响粘合；部件收缩率大则部件尺寸难控制；温度高则各种部件工艺操作较困难。要求钢丝锭子房和裁断成型区的相对湿度控制在50 以下。如果相对湿度过大，钢丝帘线表面易形成水膜 ，重则易生锈，会影响橡胶与钢丝帘线的粘合； 如果湿度过小， 操作工会感到口干舌燥， 极不舒服。 所 以绝大多数工厂在锭子房和成型区采用大面积空调，以保持春夏秋冬温度、湿度恒定。(b) 对紫外线和臭氧的要求子午线轮胎生产中的各种部件存放应严格控制太阳光

39、中紫外线的照射和臭氧的侵入。因为紫外线和臭氧都会引起橡胶老化而影响橡胶粘合，故子午线轮胎生产厂房一般不采用 自然光采光，即便是墙上有窗户也要在玻璃上涂上一层黄色涂料 ，用来过滤紫外线。室内采光多采用一种特制的、低紫外线日光灯管(33# 或 35#) 。半成品部件的粘合面在成型之间尽量不暴露在外面，防止与紫外线和臭氧接触。(c) 对灰尘的要求灰尘对橡胶有隔离作用，影响橡胶的粘合，所以目前大多数子午线轮胎生产厂房都采用封闭式。厂房内的通风采取过滤。胶料和原料运输采用外用车辆不进车间，内用车辆不出车间的在门口进行内、外物资的交接。有的公司规定职工进出车间要换鞋等一系列措施防止灰尘进入生产区。3.3

40、原材料的混炼工艺3.3.1 原材料加工主要包括天然橡胶、丁基橡胶的烘胶。将大块的小料加工成符合工艺规程要求的重量。混炼前将天然橡胶、丁基橡胶烘到工艺要求的温度，以利于保护设备和炼胶质量。配合剂的加工和准备的目的是为了确保其质量(含水率、粒径等 ) ，以与方便混炼的工艺操作、提高混炼分散效果、实现自动化生产 ( 自动化称 量)、制造合格的混炼胶。配合剂的加工方式如下：(1)粉碎将块状或粗粒状配合剂按一定的质量标准进行切片、粉碎或磨细，以增加与生胶的接触面积， 便于配合剂均匀分散(现在许多原材料供应商直接生产片状小料，利于分散)。(2) 干燥将配合剂在专设的加温室或干燥器中进行加热干燥，除去或减少

41、配合剂中的水分和低挥发性杂质。配合剂中灰分过大容易结团，在混炼时易压成大块凝聚物，不易分散，而且硫化易出现气泡。(3) 筛选利用各种筛网设备对配合剂进行筛选，除去混夹在配合剂的各种杂物。(4)熔化、过滤和蒸发脱水对于易熔化的固体和粘性液体软化剂，要进行加热熔化，通过筛网筛除杂质。液体软化剂进行加热蒸发脱水是为了除去水分。3.3.2 配料的工艺要求配料称量工具的称量公差标准如下：(1)称量促进剂和硫化剂的灵敏度为 1 5g 。称量 1kg 以内的称量公差：lOg ;称量14kg以内的称量公差： 20g ;称量大于4kg时，称量公差 为-4-80g 。(2)称量其它配合剂(不包括炭黑和白炭黑)称量

42、的灵敏度为520g。称 量20kg以内的称量公差为 20g ;称量26kg以内的称量公差为 40g ; 称量大于 6kg 的称量公差为 lOOg 。(3)在配料工序要注意各种配合剂的储存和保管。要做到以下几点：(a) 防潮。配合剂要存放到通风干燥的地方。不能放到潮湿的和易沾水以与易被雨水淋的地方。配合工序要注意各种配合剂的防潮。因为配合剂受潮一是易结团，造成混炼分散不均匀；二是有些配合剂如氧化镁、氧化钙等，遇水受潮后会发生化学变化而失去本身的性质。因此，在整个配料过程中要严格注意防潮。一旦配合剂出现结团或硬化现象应停止使用。(b) 防火有的配合剂是易燃品，如硫黄等，故要远离火源。生胶、炭黑等也

43、要注意防火。(c) 防混料各种配合剂必须按规定地点分批分堆定置存放并有明显的标识。要按先后顺序使用，决不能混料。若遇包装不清或无标识的配合剂要取样进行鉴别是何种品种后方可使用。3.3.3 胶料的快速检验混炼胶质量的好坏直接关系到后工序的工艺性能和成品的最终质量，因此控制混炼胶质量是橡胶制品生产中重要的一环。在很短的时间内就可评价混炼胶质量的方法，就是进行胶料的快速检验。对密炼机混炼制成的终炼胶随即取胶料试片在较短的时间内用专门的检验仪器进行硫变仪、粘度、焦烧、比重、硬度等指标的检验，以判断终炼胶是否合格的过程称为快速检验。 胶料快速检验的目的是为了快速判断混炼胶中配合剂分散是否良好，有无漏加、

44、错加和混炼工艺操作是否符合工艺要求等，以便与时发现问题并进行解决。快速检验设备和仪器：平板硫化机：用于硫化胶料快检试片；6英寸炼胶机：用于炼压粘合胶料的试片；硫变仪：用于胶料的硫变仪检 验；门尼焦烧仪器：用于胶料的粘度值和焦烧时间的检验；硬度计： 用于胶料的硬度检验；比重：用于胶料的比重检验；电子拉力机：用 于粘合胶料的钢丝抽出力检验；挺性检验仪器：用于粘合胶料的挺性试 验。3.3.4 混炼工序将生胶与各种配合剂通过专用炼胶机均匀地混合成一体的加工工艺过程称为混炼工序。经混炼加工制成的胶料称为混炼胶。混炼的目的是： (1) 制备均匀一致，符合配方规定要求的胶料； (2) 改善胶料的加工工艺性能

45、，便于压延、压出、成型等工序的加工；(3) 降低成 本； (4) 提高橡胶制品的使用性能。混炼对胶料下一步工序的工艺加工和橡胶制品的质量起着至关重要的作用。混炼不好时，胶料会出现配合剂分散不均匀、胶料粘度值和焦烧时间值过高或过低与胶料易出现早期焦烧(在工艺加工过程中出现的早期硫化现象 )和喷霜 (硫黄和配合剂在胶料表面析出的现象)等现象。这样，一是影响压延、压出、硫化等几道工序的正常进行；二是使成品物理机械性能不稳定或下降，影响产品的加工质量和成品的使用质量。混炼胶的质量要求：一是保证胶料各项快检指标的合格； - 是应具有良好的加工工艺性能；三是保证成品具有良好的物理机械性能。胶料在混炼工艺中

46、须满足以下要求： (1)配合剂分散均匀， 避免出现结团现象 l(2) 使胶料具有设定的粘度、焦烧值，保证各项工艺过程的安全性和顺利进行； (3)要使生胶与补强剂产生一定数量的结合橡胶， 达到良好的补强效果，以利于成品性能的提高； (4)在保证混炼胶质量的前提下，尽量缩短混炼时间，减少动力消耗，避免过炼； (5)胶料的混炼是由密炼机、上辅机组和下辅机组构成的炼胶生产线。上辅机是将粉状、液状、颗粒状、块状等原材料经储存、称量、输送投人到密炼机的装置。下辅机是将密炼机混炼排出的胶料压片直到叠片切割等的装置。3.4 胎面的加工制造工艺3.4.1 胎面等部件的制造工艺胎面等胶料部件必须符合单位长度上每一

47、个截面几何形状、一条胎的长度和相应的重量等施工要求，并且要将其控制在最小的公差范围内。因此，混炼胶的可塑度、热喂料的热炼工艺、挤出 机的温度控制、压出的半制品胶料在 自由状态下的收缩和冷却效果等等都是控制质量的重要因素。胎面部件有挤出机组、复合挤出机组和复合基部底胶层等制造工艺方法，其胶料的挤出机喂料有热喂料和冷喂料两种工艺方法；胎侧部件有复合挤出机组制造工艺方法，其胶料的挤出机喂料有热喂料和冷喂料两种方式，还有同时使用热喂料和冷喂料进行各自的半制品胶料部件复合的方式。热喂料胶片：从存放架上取出的终炼胶片进入运输带经过滚刀横向切割成断连的长条胶条， 进人开炼机的一端自行破胶、 捏软、 包辊（称

48、为粗炼） ，并控制辊筒上堆积胶的高度，胶料捏炼均匀后从另一端运输带直接送人另一台开炼机进行翻料热炼（也称为粗炼） ，热炼的胶料再从另一端运输带连续进入另一台开炼机进一步进行热炼（此称为细炼） ，而后通过运输带送入挤出机的喂料口。胶料的热炼设备通常有四台开炼机组成。其中两台进行胶料的粗炼（XKR660A1）,一台进行胶料细炼（XKR 660B）,一台进行胶料供料（XKR 一660B）。对热炼胶料的要求是：为保证下道工序胶料的成型和限制形变在最小公差范围内，必须通过严格控制辊筒温度、堆积胶量和胶料通过辊筒间隙次数等来达到均匀胶料。热炼机的辊筒温度，通常前辊的温度比后辊的高5。冷喂料胶片：冷喂料用胶

49、片可以在密炼机组生产线上或另用设备按照冷喂料胶片的宽度要求进行长条切割后通过喂料装置送人挤出机的喂料口 (胶条纵裁机) 。3.4.2 胎面部件的制作工艺流程这里以胎面部件为胎冠、胎冠基部和基部底胶层三种不同配方胶料组合的典型制作工艺流程为例。(1) 热喂料和冷喂料热喂料生产方法用的热炼机组由四台开炼机组成，目的是给压出胎冠的挤出机供料；而冷喂料生产方法则是将 23个胶片堆架上的窄胶片混合并直接喂入挤出机压胎冠基部。(2)胶料部件的压出挤出机组由上、下组合的二台挤出机组成，胶料部件各自从 口型板成型压出后立即在机外热合压(备注：现在复合压出均采用机 内复合压出 ) 。挤出机分喂料、机身、机头、螺

50、杆四段按技术要求设定各自的温度进行运行。压出的胶料部件温度不要超过120oC 。(3)长度强制收缩辊和单位长度称量压出后的复合胎面经不同速度的滚道在热态下进行强制收缩，收缩率一般在 6 一 10 。同时，在传感式电子秤上的数字显示出胎面单位长度重量，超过公差范围便提示报警，并按标准核对重量和校正挤出工艺。(4)压延机大多是用 2 辊压延机压延的基部底层薄胶片直接热贴在胎冠半成品的底层上， 覆贴塑料垫布(底部热贴上塑料膜，直到轮胎成型前才剥掉的作法，以保持胎面的新鲜表面和不受水渍的影响 ) ， 并用片状金属圆盘滚压实。 压延机用的热胶料由XJD90 X12销钉式冷喂料挤出机供应。(5)水喷淋冷却

51、槽冷却槽分三层，每层的尼龙杆栅式运输链由各自的直流电动机驱动，其线速度可随胎面长度自由收缩量的大小而相互 自动调节。运输链由尼龙材料内夹着不易延伸的钢丝绳制成，冷却槽用铝板制成，挡板采用玻璃钢材料 ，整个冷却槽均采用不生锈的材料，以免胎冠底部粘上铁锈物而造成轮胎的分层。水喷淋的冷却效果优于水浸式，但也有的采用浸水、喷淋式的冷却方式。冷却的总长度对于厚胎面为 120 米左右，对于薄的压出部件一般在60 8O 米左右。(6)储胎面辊道变速送胎面定长切割胎面一出冷却槽就立即用风吹掉水渍，通过储胎面辊道坑缓冲胎面的连续冷却和切割间歇之间的运行。胎面切割部分采用液压电动机带动。圆盘刀切割胎面的角度为 2

52、3 度，采用单向切割可保证胎面两端接头的重合性。胎面经冷却吹干水渍后的所有生产工序都要避免再接触水。(7) 胎面快速输送、称量、接到百叶车单层存放。3.4.3 胎面的压出工艺条件(1) 热炼：采用热喂料压出时，胶料需要热炼。胶料热炼质量与开炼机的辊温、辊距、容量、切落次数有关，供胶时要求稳定操作条件。(2)压出速度： 挤出机压出速度快慢对压出部件规格和致密性有直接的影响。压出速度快，压出部件的半成品膨胀率和收缩率增大，压出部件的表面粗糙；压出速度慢，压出半成品表面光滑，能保证压出部件的压出质量。挤出机压出速度要与压出联动装置运输带的工作速度相匹配，调节联动装置的速度可控制部件的厚度和宽度。(3

53、)冷却：压出部件的冷却程度直接关系到压出部件的规格压出质量。压出部件离开压出口型时温度高达120C 易产生热变形， 会影响压出部件的规格尺寸的稳定性， 同时如若不与时进行冷却或冷却不够， 易产生焦烧，因此压出的部件必须设计有足以满足压出部件冷却(胶温降至40 以下 )稳定规格尺寸的冷却装置。(4)压出温度： 挤出机各部位温度对胶料的流动性有直接的影响。 其不但是压出速度和口型部位变形系数发生变化，并同时影响压出部件的压出质量。部件压出前，首先要预热机头、机身和口型板，挤出机的各部要根据不同胶料的技术要求进行设定，通常是口型板温度最高，机头次之，机筒最低，这可使压出的部件半成品表面光滑，尺寸稳定

54、，减少胶料的膨胀变形。总结本文通过对市场对于载重子午线轮胎的高性能的需求，再结合本次轮胎设计的原1.4RP载重子午线轮胎的一些性能方面的不足，对1.4RP载重子午线轮胎进行优化设计，通过结构设计和加工过程的研究，其性能得到了很大的提高。本文先对轮胎模型的参数的计算和分析，了解轮胎特性和结构元件之间的关系，然后针对轮胎特性方面的不足，对轮胎结构元件进行结构方面的设计。对带束层的排列方式、帘布层数、帘线角度、帘线密度、带束层的宽度进行了优化更新；对胎圈钢丝圈断面形状、三角胶芯、钢丝圈包布、胎圈护布、胎圈钢丝规格进行了结构设计；对胎体的轮胎的高宽比 （H B） ，断面水平轴（H1 H2） ，内衬层

55、（气密层 ）进行了重新设计；对胎冠的行驶面宽度，胎冠弧度高，花纹形式，花纹沟深度进行了优化。最后对加工生产过程进行严格控制，完成对轮胎的总体的优化。参考文献：1 纪名刚,机械设计高等教育出版社， 2001.6.2 朱龙根主编，机械设计，机械工业出版社， 2006.6.3 王登祥，子午线轮胎滚动阻力的研究，橡胶工业， 2005.54 庄继德，汽车轮胎学，北京理工大学， 1995.65 王望予主编，汽车设计第4 版，机械工业出版设，2004.8.6 余志生主编，汽车理论第4 版，机械工业出版设，2006.5.7 洪宗耀，吴桂忠，子午线轮胎有限元分析2005.38 余琪， 丁肩平，等 .子午线轮胎结

56、构设计与制造技术，北京化工出版社，20059 朱龙根主编，简明机械零件设计手册，北京；机械工业出版社，1997.11.10BRISCOE B J . Friction of aramid fiber compositeA . Proc inConf on Disc Brakes CommerC . The Inst of Mech Eng.Vehicle ,London.11BRISCOE B J . Aramid fiber friction : a replacement for asbestosin high friction materials A . In :Tribology of

57、 AdvancedCompositesC .12 BRISCOE B J . Ploymer composite as friction materialsA . In :Composites Materials TribologyC .致谢本次设计在梁晓娟老师严格督促和认真指导下完成，首先对她表示感谢！设计能够顺利完成和同学与家人的关心和帮助是分不开，在此也要表示谢意！ 设计过程中查阅了大量的资料和文献，正因为吸收采用了这些宝贵的知识理论，才使得这次设计任务能够如期完成。在此要对文献的编辑整理者与单位表示感谢！更要向理论与知识点的发现创造者表示钦佩和感谢！正因为站在你们前人的肩膀上才有我这次

58、课题任务的完成。经过这次设计， 把四年来学的知识重新的温习和巩固了一遍， 使得我更有信心面对挑战和任务。所以也要对这次设计任务表示感谢！附录:1轮胎部件加工工艺卡：轮胎部件加工工艺卡工艺过程名称部件主要设备胎面部件的压出胎冠、胎体和胎圈挤出机，压延机序号工序工艺要求备注1热喂料和冷喂料(1)用热喂料压出时，胶料需要热炼(2)供胶时要求稳定操作条件2胶料部件的压出挤出机压出速度要与压出联动装置运输带的工作速度相匹配3水喷淋冷却冷却总长度60-80米，胶温降至40 c以下4月口面te k切割圆盘刀切割胎面的角度为23度， 采用单向切割；胎面避免再接触 水。胎面一出冷却槽立即用风吹掉水渍，进行切割5胎面的存放胎面快速输送、称量、接到百叶车单层存放编制：日期:1页第1页审核:日期:2原材料的混炼加工工艺卡原材料的混炼加工工艺卡工艺过程名称材料主要设备备注：胶料的混炼烘较，配合剂密炼机序号工序工序内容工艺要求1原材料的加工粉碎干燥筛选熔化、过滤和蒸发脱水2配料的称量(1)称量促进剂和硫化剂的灵敏度为15g(2)称量其它配合剂(不包括炭黑和白炭黑)称量的灵敏度为520g(密炼(1)提高密炼机转子扭矩3机)(2)采用液压上顶栓混炼工(3)水压力4kg的循环冷却序(4)转子转速：30/60/r/min编制：日期：审核：日期:共1页第1页