輪胎結構設計 第三章結構設計 第四節胎面花紋設計 學習目的與要求 通過學習掌握斜交輪胎的結構設計程序 掌握技術設計內容 外胎外輪廓設計 胎面花紋設計 內輪廓設計 掌握斜交輪胎的施工設計 了解內胎 墊帶 水胎和膠囊設計 第四節 胎面花紋設計 1 胎面花紋的作用防滑 裝飾 散熱作用傳遞車輛牽引力 制動力及轉向力使輪胎與路面有良好的接著性能保證車輛安全行駛 胎面花紋直接影響輪胎的使用性能和壽命 干燥路面上行駛 輪胎胎面的花紋影響不大 其摩擦系數值均為0 6 0 8左右 也有高達1 0的 在潮濕路面上則明顯不同 按不同花紋形式其排列順序為 橫向花紋 曲折花紋 縱向花紋 無花紋 摩擦系數由0 3降至0 可見胎面花紋的重要作用 2 胎面花紋設計的基本要求 輪胎與路面縱向和側向均具有良好的接著性能 胎面耐磨而且滾動阻力小 使用時生熱小 散熱快 自潔性能好 而且不裂口 不掉塊 花紋美觀 低噪音 而且便于模具加工 3 花紋飽和度的計算花紋飽和度 花紋塊面積占輪胎行駛面面積的百分比叫花紋飽和度 其計算公式為 花紋飽和度的大小影響輪胎的使用性能 適宜的花紋飽和度能提高輪胎的耐磨性 延長使用壽命 減小滾動阻力 降低油耗 式中 S1 花紋塊面積 S2 花紋溝面積 S 胎面行駛面面積 4 胎面花紋設計內容 1 花紋類型選取花紋類型分為普通花紋 混合花紋和越野花紋三類 普通花紋特點 花紋溝窄小 花紋膠塊大 花紋飽和度70 80 經驗證明以78 左右的胎面花紋耐磨性能最佳 適宜路況 在較好的水泥 柏油及泥土路面上行駛 按其花紋溝分布形式一般分為橫向花紋和縱向花紋 橫向花紋花紋溝排列方向垂直或接進垂直于行駛面圓周方向 如煙斗花紋 羊角花紋 八角花紋等 優點 橫向花紋有良好的耐磨和縱向防滑性能 尤其能減少花紋溝夾石子和花紋溝基部裂口現象 橫向花紋抓著力強 爬坡性能好 適用于一般路面 通常載重輪胎常選用橫向花紋 不足 此種花紋膠塊較大而且又是橫向排列 因而散熱性能和防滑性能較差 特別是加深花紋時 若設計不當 極易產生肩空 肩裂和胎面磨耗不均等缺陷 但一般可采取增加胎面花紋等分數或改進肩部花紋設計 增強胎肩支撐性等方法加以改進 b 縱向花紋花紋溝近似條狀 平行于輪胎行駛面圓周中心線 如波浪形 曲折形和弓形等花紋 見圖所示 縱向花紋 滾動阻力小 速度快 有良好的散熱性能和防滑性能 不容易出現肩空 但縱向花紋容易夾入石子及溝底基部裂口 抗縱滑性能和耐磨性能也不如橫向花紋 一般在水泥 柏油等路面上行駛的載重輪胎可選用縱向花紋 c 轎車輪胎花紋所選用的縱向花紋與載重輪胎普通花紋不同之處 是花紋溝較多而窄小 多設計而不規則排列的變節距花紋 利于在高速行駛中降低噪音 提高防滑性能 轎車輪胎的縱向花紋采用割細槽的方法 既可增大花紋的柔軟性和散熱性 同時利于排水和與路面接著 這種割槽式細縫花紋又稱為刀槽花紋 一般刀槽寬度為0 4 0 6mm 刀槽深度為5 8mm 刀槽形狀有波浪形或斜線形等 越野花紋花紋特點 飽和度40 50 花紋溝寬度大 花紋溝較深 具有優越的抓著性能 可提高車輛的通過性能和牽引性能 但行駛中滾動阻力大 胎面膠塊磨耗不均勻 行駛噪音大 不宜在良好路面上使用 適用路況 無路面或條件差的路面 適用車輛 軍用越野車 工程車和吉普車的輪胎上 作用壞境較差的山路 礦山 建筑工地及松土 雪泥地等使用越野花紋 無向越野花紋如馬牙花紋 橫向分布于行駛面上 無規定方向 有向越野花紋如人字形花紋 有方向性分布 因此其防側滑性能和自潔性能優于無向越野花紋 只是因使用時有方向性 給輪胎保養換位帶來不便 花紋溝分布形式 有向花紋和無向花紋兩種 混合花紋是介于普通花紋和越野花紋之間的一種過渡型花紋 花紋特點 中部為縱向普通花紋 肩部為橫向寬溝槽 類似越野花紋 花紋飽和度60 70 混合花紋對路面抓著性能優于普通花紋 但不及越野花紋 不足 耐磨性能不如普通花紋 尤為明顯是胎肩部花紋容易產生磨耗不均勻或掉塊的弊病 適用路況及車輛 混合花紋適用于城鄉運輸的輕型載重輪胎 混合花紋結合縱向花紋和橫向花紋的特點 適用于多種路面 2 胎冠部花紋設計 花紋溝深度確定設計依據 花紋溝深度根據輪胎類型和規格 花紋類型 胎體強度 車輛的行駛速度以及要求達到的行駛里程 綜合起來考慮確定 通常胎體強度高的輪胎 以胎面磨耗程度衡量輪胎的使用壽命 試驗測得 輪胎每行駛1000km 胎面磨耗量約為0 14 0 l5mm 用輪胎標準行駛里程和輪胎千公里磨耗量計算花紋溝深度 計算公式為 花紋溝深度 輪胎標準行駛里程 因此增加花紋溝深度 可提高輪胎的行駛里程 近年來花紋溝已趨向加深方向發展 花紋溝深度增加帶來的弊病 加深花紋會增大花紋膠塊的柔軟性 隨之增大膠塊移動性和滾動阻力 生熱性也提高 從而導致胎面磨耗不均勻 耐磨性能降低及花紋溝底裂口 反而使輪胎使用壽命降低 耗膠量增加 因此確定花紋溝深度不能單從行駛里程方面考慮 應控制在一個合理的范圍內 載重輪胎普通花紋深度一般為11 15mm 加深花紋為15 2Omm 規格大 胎體強度高的輪胎花紋深度可加深 越野花紋比同規格的普通輪胎略深15 30 為提高輪胎的牽引性能 國外采用超深溝大型膠塊花紋 如9 00 20以上規格輪胎 花紋深度可高達25mm 裁重輪胎根據規格 結構及花紋類型的不同有不同的花紋溝深度范圍 載重輪胎胎面花紋深度 注 表中所示是美國 TRA 年鑒建議花紋深度范圍 表2 4轎車輪胎胎面花紋深度 轎車輪胎花紋深度一般較淺 約為7 1Omm 尤其是高速轎車輪胎花紋不宜過深 以免因滾動阻力增加 胎體生熱過高 拖拉機驅動輪胎和工程機械輪胎的花紋深度比較大拖拉機驅動輪胎一般花紋深度約為25 4Omm水田拖拉機輪胎由于在水田環境中作業 要求具有良好的浮力和牽引力 以及自潔性能要好 其花紋飽和度只有15 20 花紋溝深度比一般拖拉機輪胎增加一倍左右 中國南方水田的泥腳深度約為150 25Omm 花紋溝深度一般為70 90mm 工程機械輪胎花紋深度應隨規格增大而加深 12 00 16 00的工程輪胎普通花紋深度為22 28 5mm 加深花紋為33 5 51mm 超加深花紋為59 71mm 24 00 36 00工程輪胎普通花紋深度為38 55mm 加深花紋為57 82mm 超加深花紋為95 1l7mm 花紋溝寬度的確定確定依據 花紋溝寬度和花紋塊寬度應根據輪胎類型 規格及花紋形狀 結合花紋飽和度等因素考慮 合理設計花紋溝寬度 有利于提高胎面的耐磨性能和抓著性能 花紋溝寬度對性能影響 花紋溝寬度增大 相對會使花紋膠塊減小 增大胎面的柔軟性 從而增大其與路面的抓著力與散熱性能 改善溝底裂口及夾石子現象 但相反會使胎面掉塊或不耐磨 花紋溝寬度不宜過寬而且要求分布均勻載重輪胎普通花紋溝寬度約為9 16mm 花紋塊寬度不得小于花紋溝寬度的2倍 分布大小不宜差異太大 轎車輪胎花紋溝多而窄 花紋溝寬度一般為3 5mm 越野花紋溝較寬 通常花紋溝寬度等于或大于其花紋溝深度 甚至高達4倍 花紋溝基部膠厚度的確定花紋溝基部厚度與花紋溝深度有關花紋溝深度 花紋溝基部厚度 胎冠部厚度花紋溝基部厚度應根據輪胎類型 花紋形狀確定花紋溝基部厚度 厚度約為花紋溝深度 25 50 一般載重輪胎橫向普通花紋不易裂口 基部厚度可選低值 縱向花紋基部膠厚度則不宜過薄 不同花紋類型載重輪胎花紋溝基部膠厚度占花紋深度的比例如表2 5所列 表2 5載重輪胎花紋基部膠厚度占花紋溝深度比例范圍 花紋排列角度及花紋溝斷面形狀設計花紋溝在行駛路面上的排列角度應避免與胎冠簾線角度重合 一般胎冠角度為48 50 花紋排列角度與之相差至少3 以上 以免花紋塊底部胎體簾線因受應力作用而折斷或爆破 尤其越野花紋類型更甚 花紋排列角度通常為斜角排列 但切忌設計帶有銳角的花紋膠塊 以免造成膠塊崩花和掉塊 影響輪胎使用壽命 花紋溝的斷面形狀見圖2 11所示 縱向花紋排列角度一般取30 與行駛面中心線所夾角度 越野花紋常取45 60 或90 角排列 胎肩部位的橫向花紋溝宜采用向外放大的設計 利于排泥自潔 花紋溝斷面設計原則 1 花紋溝具有良好自潔性 不易夾石子和基部不裂口 2 花紋溝底部應采用小圓孤與溝壁相切 形成向上開放的U形溝槽 花紋溝壁傾斜角度 橫向花紋為15 20 縱向花紋為8 12 溝底圓弧半徑R不宜過小 以免呈V狀造成溝底裂口 R約為1 3mm 亦可用下式計算 式中R 花紋溝底弧度半徑 mm B 花紋溝寬度 mm 花紋溝璧傾斜角度 度 h 花紋溝深度 mm 縱向普通花紋常用的窄花紋溝 但為改善花紋溝夾石子及裂口現象 可設計為單邊雙層和雙邊雙層花紋溝 越野花紋與普通花紋不同之處是花紋溝寬度大 其兩側溝壁斜角度不同 例如有向花紋先著地一側為前角 傾斜角度取15 20 后著地一側為后角 取25 30 前后角度約相差10 前角小可提高花紋塊對土壤的抓著力 后角大可增加花紋塊基部的堅固性及花紋離地時的自潔性 花紋間距的確定花紋間距根據花紋類型 花紋形狀及花紋飽和度等因素確定 花紋間距分為均等和不均等兩種 載重輪胎采用均等花紋 轎車輪胎多采用不均等的變節距花紋 可防止諧振噪音的產生 一般花紋最大的間距與最小間距之差不宜小于20 25 花紋間距越大 花紋等分數越少 花紋等分數又稱為花紋節數 應取偶數值 便于花紋平分 花紋間距計算公式為 式中D 外胎外直徑 mm n 花紋節數 tc 花紋間距值 mm 3 胎肩部花紋設計設計要求 應配合胎面花紋進行設計 一般要求具有一定的支撐性能及良好的散熱性能 胎肩部位花紋通常呈輻射狀排列 花紋溝深度為一深一淺間隔排列 載重輪胎宜設計間斷的花紋塊 轎車輪胎則設計連續性花紋 胎肩部位花紋間距計算 可用下式計算 即將外胎外直徑減去兩倍的行駛面弧度高h代入下式而得 表2 6花紋溝設計參數實例 表2 7國外輪胎胎面花紋設計參數 4 其它方面設計胎面排氣孔和排氣線 上胎側防擦線 下胎側防水線及胎面磨耗標記等 上胎側防擦線作用 保護胎側免受機械損傷 位置 胎肩切線下端 也可在水平軸附近 但不宜設在水平軸位置處 以免胎體變形 尺寸 中型載重輪胎 寬度為15 2Omm 厚度為1mm左右 轎車輪胎 寬度為10 20mm 厚度為0 5mm左右 防擦線兩端應采用小弧度與胎側輪廓線相切 用以加固防擦線膠條強度 防擦線 防擦線 下胎側防水線作用 用以防止泥水進入胎圈與輪輞之間 起保護作用 同時起安裝定位作用 位置 設于胎圈部位靠近輪輞邊緣處 尺寸 根據輪胎規格大小 可設1 3條防水線 其寬度為2 5mm 厚度為0 5 1 5mm 排氣孔和排氣線作用 用以排除硫化過程中模腔內的空氣 使胎胚膠料充分流動 保證輪胎花紋清晰而不缺膠 位置 一般設在胎面及胎側部位 在胎肩 胎側 下胎側防水線 上胎側防擦線和花紋塊斜角端部等位置處設計排氣孔 數量及尺寸 排氣孔直徑為0 6 1 8mm 其數量和位置應根據花紋形狀和輪胎規格確定 數量不宜過多 以保證不缺膠為準 在防擦線和防水線上一般可按8 16等分鉆孔 胎面磨耗標記一般設在胎面主花紋溝底部 沿輪胎圓周共沒6個或8個間隔均勻的膠臺作為磨耗標記 載重輪胎磨耗標記高度為2 4mm 轎車輪胎胎面磨耗標記一般高1 6mm 長5 12mm 重型載重輪胎則為3 2mm 長度均為40mm左右 圖2 14為胎面磨耗標記示意圖 花紋展開圖 思考題 1 輪胎負荷能力計算公式中 為何必須采用在理想輪輞上用充氣斷面寬S進行計算 計算S的通式有幾種 如何選用 2 轎車輪胎與載重輪胎負荷能力計算公式有何不同 分析說明 3 繪出外胎斷面示意圖 并標出斷面各部位代號 說明各代號的含義 4 用輪胎各部位代號及比值等技術參數 列出外胎外輪廓設計程序 5 汽車輪胎的花紋