CN103182909A - 半钢轮胎胎圈强度的设计方法 - Google Patents

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余本祎
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Abstract

本发明公开了一种半钢轮胎胎圈强度的设计方法，对于钢丝圈为根排且额定充气压大于340kPa的规格，其轮胎胎圈安全倍数的计算为：Sbd={[ F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2△）] / [103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]}·K1，其中K1取0.789；对于①钢丝圈为根排且额定充气压小于等于340kPa的规格；和②钢丝圈为单缠结构的规格，其轮胎胎圈安全倍数的计算按如下公式：Sbd=[ F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2△）] / [103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]；其中胎圈对轮辋的过盈量δH的计算公式如下：δH=dr-dt+2a（tanαt- tanαr） 。本发明的优点在于：提高了轮胎胎圈强度设计的准确性、合理性、有效性，降低产品的设计风险，预知并计算出理论的水压爆破值，规避设计风险。

Description

半钢轮胎胎圈强度的设计方法
技术领域
本发明涉及一种半钢轮胎胎圈的设计方法，特别是半钢轮胎胎圈强度的设计方法。具体而言，是针对半钢轮胎现有的胎圈钢丝结构：根据已有根排结构的公式，研究单根钢丝缠绕结构的胎圈强度计算方法及两者之间的关联（修正系数），以及水压爆破试验与胎圈强度的关系（水压爆破压力值的计算与预测）。
背景技术
轮胎胎圈强度是轮胎结构设计中的重要部分之一。胎圈的强度主要由胎圈的钢丝结构和材料决定。在机械行业中，通常用轮胎胎圈的安全倍数来表征轮胎胎圈强度，即轮胎胎圈的安全倍数是机械行业用来表征和体现“强度”这个概念的一贯数学计算的表示形式。目前现行的轮胎胎圈的安全倍数的计算公式，是根据文献资料《子午线轮胎结构设计与制造技术》及《现代轮胎结构设计》提供的公式，但未对轮胎的结构类型做出区分。因此，现有的计算方式不够准确，从而导致轮胎胎圈的设计不合理。
轮胎胎圈的安全倍数（轮胎胎圈强度）=水压爆破的爆破压力/受力面积，由于目前对水压爆破与轮胎胎圈的安全倍数关系没有明确化，提升了轮胎设计者在前期的规格设计中的产品的设计风险。
发明内容
为了提高轮胎胎圈强度设计的准确性、合理性、有效性，防止因计算公式不够准确而导致轮胎胎圈的设计不合理，经过多次试验和设计的经验以及研究部的模拟分析，本发明提供了一种半钢轮胎胎圈强度的设计方法，确定了轮胎单根钢丝缠绕结构的胎圈强度计算方法及与根排结构的关联（修正系数），以及水压爆破试验与胎圈强度的关系（水压爆破压力值的计算与预测）。
本发明所采用的技术手段是通过大量水压爆破试验得到气压与轮胎胎圈单根钢丝缠绕结构、根排结构的胎圈强度计算方法，及单根钢丝缠绕结构、根排结构、轮胎充气压的总体关系趋势，并根据FEA模拟仿真软件加以验证，并最终运用轮胎设计经验及数据得到如下的计算公式。
参照图1至图3，考虑到钢丝圈根排结构的钢丝接头而产生的应力集中，同时考虑充气压对其水压爆破结果的影响较大，结合水压爆破试验数据得出以下结论：
1.对于钢丝圈为根排且额定充气压大于340kPa的规格，其轮胎胎圈安全倍数的计算应为：
Sbd={[ F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2△）] / [103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]}·K1，其中K1取0.789。
2.对于①钢丝圈为根排且额定充气压小于等于340kPa的规格；和②钢丝圈为单缠结构的规格，其轮胎胎圈安全倍数的计算按如下公式（即无系数K1）：
Sbd=[ F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2△）] / [103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]
3.同时，水压爆破的意义等同于轮胎胎圈强度安全倍数的计算，可通过安全倍数的计算或转化为最大爆破气压值，与水压爆破标准进行比较，即可预测该轮胎胎圈钢丝的强度是否达标，降低前期规格设计时的风险。
轮胎水压爆破时的爆破压力理论上即为钢丝圈在内压作用下所产生的应力T1 ，T1= Tb -Th = F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2△）。
以上公式中：
F为单根钢丝张力；Nbd为钢丝根数，根；Sbd为安全倍数；Th-钢丝圈对轮辋的过盈力，kPa；T1-钢丝圈在内压作用下所产生的应力，kPa；Tb-钢丝圈总应力，kPa；E1-钢丝圈底部材料的平均压缩模量（一般为30-50MPa），MPa；bc -钢丝圈宽度，m；rc-钢丝圈中心半径，m；△-钢丝圈底部材料厚度，m；δH-胎圈对轮辋的过盈量，m；P0-轮胎额定气压（即胎侧标示的充气压力），kPa；Ra-胎里半径，m；Rc-轮胎零点半径，m；K0-校正系数，(对子午线轮胎K0=0.95)；
其中胎圈对轮辋的过盈量δH的计算公式如下：
δH=dr-dt+2a（tanαt- tanαr）
式中 dr-轮辋标定直径，m；dt-轮辋着合直径，m；αt-胎圈底部倾斜角，（ °）；αr-轮辋底部倾斜角，（ °）；a-轮辋边缘到胎圈中心的距离，m。
本发明的优点在于：本发明提供了轮胎单根钢丝缠绕结构的胎圈强度计算方法及与根排结构的关联（修正系数），以及水压爆破试验与胎圈强度的关系（水爆压力值的计算与预测），提高了轮胎胎圈强度设计的准确性、合理性、有效性，对水压爆破与安全倍数关系的明确化及数据的准确性的提升，有助于轮胎设计者在前期的规格设计中，降低产品的设计风险，预知并计算出理论的水压爆破值，规避设计风险。
附图说明
图1是现有轮胎和轮辋结构示意图。
图2是胎圈钢丝为根排结构示意图。
图3是胎圈钢丝为单钢丝缠绕结构示意图。
图4是FEA分析的根排结构的二维轮胎网格模型。
图5是FEA分析的单钢丝缠绕结构的二维轮胎网格模型。
图6是FEA分析的三维轮胎网格模型。
具体实施方式：
一：FEA理论模拟分析
表1：FEA分析的轮胎规格表
Figure BDA0000299546841
并同时参阅图4至图6的FEA模拟分析轮胎网格模型。
通过FEA模拟分析显示以上公式及结论合理。
二：水压爆破试验验证分析
2.1钢丝圈为根排结构且额定充气压小于等于340kPa或钢丝圈为单缠结构的情况（无系数）。
2.1.1以SUV系列产品P265/75R16 114S为例计算其根排下的胎圈轮胎胎圈安全倍数及爆破压力。已知数据及结构信息如下：
产品结构为2P2S1JF，胎圈钢丝圈结构为6×6(L×S) ￠0.95mm；
单根钢丝张力F为1400N/根，钢丝圈内周长BIC为1288×10-3 m；
轮胎额定气压P0为300kPa；
胎里半径Ra为38.526×10-2m，零点半径Rc为30.030×10-2 m；
钢丝圈底部材料的平均压缩模量E1取40×106 Pa；
钢丝圈宽度bc=（6×1.4+0.2）×10-3=8.6×10-3 m，其中6为钢丝根数；
钢丝圈中心半径：
rc=[（6×1.4+0.2）+1288/π] /2×10-3 m=209.292×10-3 m，其中6为钢丝排数；
钢丝圈底部材料厚度△取8×10-3 m；
轮辋标定直径dr=405.6×10-3 m（根据查阅标准文件GBT 12939-2002《车辆轮辋规格系列》）；
轮辋着合直径dt=404.2×10-3 m；
胎圈底部倾斜角αt=7°；
轮辋底部倾斜角αr=5°；
轮辋内边缘到胎圈中心的距离a=16.5/2×10-3 m=8.25×10-3 m；
将以上数据带入公式计算，分别得：
T0=103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2=103×300×(38.5262-30.030 2) ×10-4×0.95/2
=8299.389 N；
δH=dr-dt+2a(tanαt- tanαr)=405.6×10-3-404.2×10-3+2×8.25×10-3
(tan7°- tan5°)=1.982×10-3 m；
Th=E1·bc·rc·δH/2△=40×106×8.6×10-3×209.292×10-3×1.982×10-3/（2×8×10-3）=8920.270 N；
Tb= F·Nbd=1400×6×6=50400 N；
T1= Tb -Th=50400-8920.270=41479.730 N；
Sbd= T1 / T0 =41479.730/8299.389=4.998≌5.0
得出此规格的胎圈轮胎胎圈安全倍数值为5.0。
由于水压爆破试验是用清水作为试验介质，将轮胎水压缓慢增加直到轮胎爆破为止，并记录轮胎爆破时压力测量值。轮胎水压爆破时的爆破压力理论上即为钢丝圈在内压作用下所产生的应力T1所对应的压力值。假设爆破时的压力为P1，且对于同一条轮胎的受力面积是相同的，则有：
P1=T1/[103×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]= 41479.730 / [103×(38.5262-30.030 2) ×10-4×0.95/2]= 1499.38 kPa；
得出此规格的理论爆破压力值为1499.38kPa。
2.1.2 以VAN系列产品235/65R16C 115/113R 8PR LT为例计算其单缠结构下的胎圈轮胎胎圈安全倍数及爆破压力。已知数据及结构信息如下：
产品结构为2P2S1JF，胎圈钢丝圈结构为3+4+5+4+3  ￠1.3mm；
单根钢丝张力F为2800N/根，钢丝圈内周长BIC为1288×10-3 m；
轮胎额定气压P0为475kPa；
胎里半径Ra为33.508×10-2m，零点半径Rc为27.982×10-2 m；
钢丝圈底部材料的平均压缩模量E1取40×106 Pa；
钢丝圈宽度bc=8.5×10-3=5×(1.3+0.4)×10-3 m，其中5为最宽处钢丝根数；
钢丝圈中心半径：
rc=[7.6+1288/π] /2×10-3 m=208.792×10-3 m，其中6为钢丝排数；
钢丝圈底部材料厚度△取8×10-3 m；
轮辋标定直径dr=405.6×10-3 m（根据查阅标准文件GBT 12939-2002《车辆轮辋规格系列》）；
轮辋着合直径dt=404.2×10-3 m；
胎圈底部倾斜角αt=7°；
轮辋底部倾斜角αr=5°；
轮辋内边缘到胎圈中心的距离a=16.5/2×10-3 m=8.25×10-3 m；
将以上数据带入公式计算，分别得：
T0=103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2=103×475×(33.5082-27.982 2)×10-4×0.95/2
=7666.258 N；
δH=dr-dt+2a(tanαt- tanαr)=405.6×10-3-404.2×10-3+2×8.25×10-3；
(tan7°- tan5°)=1.982×10-3 m；
Th=E1·bc·rc·δH/2△=40×106×8.6×10-3×208.792×10-3×1.982×10-3/（2×8×10-3）=8795.483N；
Tb= F·Nbd=2800×19=53200 N；
T1= Tb -Th=53200-8795.483=44404.517 N；
Sbd= T1 / T0 =44404.517/8795.483=5.792≌5.8
得出此规格的胎圈轮胎胎圈安全倍数值为5.8。
假设爆破时的压力为P1，且对于同一条轮胎的受力面积是相同的，则有：
P1=T1/[103×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]= 44404.517 / [103×(33.5082-27.982 2) ×10-4×0.95/2]= 2751.296 kPa；
得出此规格的理论爆破压力值为2751kPa。
2.2钢丝圈为根排结构且额定充气压大于340kPa的情况（有系数）
2.2.1 以VAN系列产品235/65R16C 115/113R 8PR LT为例计算其根排下的胎圈轮胎胎圈安全倍数及爆破压力。已知数据及结构信息如下：
产品结构为2P2S1JF，胎圈钢丝圈结构为6×6(L×S) ￠0.95mm；
单根钢丝张力F为1400N/根，钢丝圈内周长BIC为1288×10-3 m；
轮胎额定气压P0为475kPa；
胎里半径Ra为33.508×10-2m，零点半径Rc为27.982×10-2 m；
钢丝圈底部材料的平均压缩模量E1取40×106 Pa；
钢丝圈宽度bc=（6×1.4+0.2）×10-3=8.6×10-3 m，其中6为钢丝根数；
钢丝圈中心半径：
rc=[（6×1.4+0.2）+1288/π] /2×10-3 m=209.292×10-3 m，其中6为钢丝排数；
钢丝圈底部材料厚度△取8×10-3 m；
轮辋标定直径dr=405.6×10-3 m（根据查阅标准文件GBT 12939-2002《车辆轮辋规格系列》）；
轮辋着合直径dt=404.2×10-3 m；
胎圈底部倾斜角αt=7°；
轮辋底部倾斜角αr=5°；
轮辋内边缘到胎圈中心的距离a=16.5/2×10-3 m=8.25×10-3 m；
将以上数据带入公式计算，分别得：
T0=103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2=103×475×(33.5082-27.982 2) ×10-4×0.95/2
=7666.258 N；
δH=dr-dt+2a(tanαt- tanαr)=405.6×10-3-404.2×10-3+2×8.25×10-3
(tan7°- tan5°)=1.982×10-3 m；
Th=E1·bc·rc·δH/2△=40×106×8.6×10-3×209.292×10-3×1.982×10-3/（2×8×10-3）=8920.270 N；
Tb= F·Nbd=1400×6×6=50400 N；
T1= Tb -Th=50400-8920.270=41479.730 N；
Sbd=（ T1 / T0 ）×0.789=41479.730/7666.258×0.789=5.411×0.789≌4.3
得出此规格的胎圈轮胎胎圈安全倍数值为4.3。
假设爆破时的压力为P1，且对于同一条轮胎的受力面积是相同的，则有：
P1=T1/[103×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]×0.789= 41479.730 / [103×(33.5082-27.9822) ×10-4×0.95/2]×0.789= 2027.79 kPa；
得出此规格的理论爆破压力值为2028kPa。
2.3 实测水压爆破试验值
表2：实测水压爆破试验值
同时为验证上述设计方法的准确度，对此安排了水压爆破试验，数据如下表3：
表3：水压爆破与安全倍数对比
Figure BDA0000299546843
实测结果显示上述公式合理有效。此公式及上述结论对水压爆破与安全倍数关系的明确化及数据的准确性的提升，可以有助于轮胎设计者在前期的规格设计中，降低产品的设计风险，预知并计算出理论的水压爆破值，规避设计风险。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种半钢轮胎胎圈强度的设计方法，其特征在于：
对于钢丝圈为根排且额定充气压大于340kPa的规格，其轮胎胎圈安全倍数的计算为：
Sbd={[ F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2Δ）] / [103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]}·K1，其中K1取0.789；
对于①钢丝圈为根排且额定充气压小于等于340kPa的规格；和②钢丝圈为单缠结构的规格，其轮胎胎圈安全倍数的计算按如下公式：
Sbd=[ F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2△）] / [103×P0×(Ra 2-Rc 2) ×K0/2]；
以上公式中：
F为单根钢丝张力；Nbd为钢丝根数，根；Sbd为安全倍数； E1-钢丝圈底部材料的平均压缩模量（一般为30-50MPa），MPa；bc -钢丝圈宽度，m；rc-钢丝圈中心半径，m；△-钢丝圈底部材料厚度，m；δH-胎圈对轮辋的过盈量，m；P0-轮胎额定气压（即胎侧标示的充气压力），kPa；Ra-胎里半径，m；Rc-轮胎零点半径，m；K0-校正系数，对子午线轮胎K0=0.95；
其中胎圈对轮辋的过盈量δH的计算公式如下：
δH=dr-dt+2a（tanαt- tanαr）
式中 dr-轮辋标定直径，m；dt-轮辋着合直径，m；αt-胎圈底部倾斜角，（ °）；αr-轮辋底部倾斜角，（ °）；a-轮辋边缘到胎圈中心的距离，m。
2.如权利要求1所述的一种半钢轮胎胎圈强度的设计方法，其特征在于：轮胎水压爆破时的爆破压力为钢丝圈在内压作用下所产生的应力T1，T1= Tb -Th = F·Nbd- E1·bc·rc·δH/（2△），
其中Th-钢丝圈对轮辋的过盈力，kPa；T1-钢丝圈在内压作用下所产生的应力，kPa；Tb-钢丝圈总应力，kPa。
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