CN110203020B - 具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎 - Google Patents

Abstract

本发明所述具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎，针对胎面部位的带束层布局设计与轮廓几何特征进行改进，以显著地提高侧向刚性，轮胎触地印痕形状更为合理、接地压力分布均匀。轮胎胎面部位设置有至少4层的带束层结构。贴近胎体帘布、底层的1#带束层采用90°胎体钢丝结构。如上述基本设计构思，将1#带束层采用90°胎体钢丝结构，并将其与现有技术带束层结构相融合，以针对性地增加轮胎的横向刚性及回正力矩，通过提高其转向力以减少胎面的横向变形并抑制花纹沟的横向扩展，降低轮胎的偏磨和沟裂。

Description

具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎

技术领域

本发明涉及针对全钢子午线轮胎结构的改进，属于橡胶产品与机械制造领域。

背景技术

目前针对应用于航空、道路与水上交通的橡胶轮胎性能要求越来越高，全钢子午线轮胎因其对比于传统斜交胎具有诸多优点，如耐磨、节油及操纵稳定性等而获得了较快发展与广泛普及，已成为轮胎产业的主流产品。近年来，全球对绿色环保的要求日益提高而不断推动轮胎制造向节油减排的方向发展，扁平化公制全钢载重子午线轮胎成为主要的研究方向之一。

扁平化公制全钢载重子午线轮胎(又称“宽基全钢胎”)是指高宽比为0.65及以下的轮胎。相比传统子午线轮胎，宽基全钢胎明显的几何特征是胎面宽、胎侧低。这种结构特征使其具有诸多性能优势，宽基全钢胎的宽胎面会使轮胎接地面积大幅增加，从而大幅提高轮胎的抓着性和缩短汽车制动距离，同时会提高轮胎的耐磨性能；宽基全钢胎的低胎侧会使其具备更高的侧向刚度，保证了汽车转弯时足够的转向力，大幅提升汽车高速行驶的安全性能；使用宽基全钢胎可单胎代替并装双胎，并无需内胎和垫带等配件，减少了橡胶、钢材等原材料的消耗，轮胎的质量可以减小20％左右，轮辋的质量减小38％，实现了大幅减重，有效地降低轮胎的滚动阻力及油耗。

目前国内对宽基全钢胎需求量激增，在生产与使用后突出体现的技术问题集中在转向能力不足、不耐磨与偏磨以及容易花纹沟裂和掉块。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎，在于解决上述现有技术存在的问题而针对胎面部位的带束层布局设计与轮廓几何特征进行改进，以显著地提高侧向刚性，轮胎触地印痕形状更为合理、接地压力分布均匀。

现有技术采用的带束层结构主要分为两类，即四层带束层堆叠结构、以及三层带束层堆叠+胎肩0度结构。

为实现上述发明目的，所述具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎，其胎面部位设置有至少4层的带束层结构。

与现有技术的区别之处在于，贴近胎体帘布、底层的1#带束层采用90°胎体钢丝结构。

如上述基本设计构思，将1#带束层采用90°胎体钢丝结构，并将其与现有技术带束层结构相融合，以针对性地增加轮胎的横向刚性及回正力矩，通过提高其转向力以减少胎面的横向变形并抑制花纹沟的横向扩展，降低轮胎的偏磨和沟裂。

针对现有技术四层带束层堆叠结构，进一步的改进方案是，在胎面部位设置有4层或5层堆叠的带束层结构，1#带束层与2#带束层的端点极差间距在8-13mm之间。

现有技术四层带束层堆叠结构，其主要缺点是肩部生热较高，重载条件下容易出现冠爆和肩空现象，上述采用90°胎体钢丝的1#带束层可有效地抑制上述问题的发生。另外，改进后采取5层堆叠带束层结构更适合于425/65及以上大规格的宽基全钢轮胎。

现有技术三层带束层堆叠+胎肩0度结构的主要缺点是耐磨性较差且不利于翻新，均匀性动平衡控制性较差。对此，本申请提出进一步的优选方案是，在胎面部位设置有4层堆叠的带束层结构，在肩部设置有2组0度带束层结构；1#带束层(1)与2#带束层的端点极差间距在10-15mm之间。

轮胎肩部轮廓设计对其耐久性、刚性、印痕形状、压力分布均具有十分重要的影响。本申请提出对肩部轮廓进行优化设计，以最佳接地形状为矩形作为设计目标，依据轮胎的印痕形状来调整肩部的厚度W(mm)。轮胎印痕形状随着肩厚W的增加将发生由椭圆形—矩形—蝴蝶形的转变，反之亦然。

如上所述，本申请具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎具有的优点是：

1、运用轮胎结构力学仿真技术对本申请带束层差级配置、肩部轮廓等进行了优化。经检测，产品的侧向刚性大幅增加，印痕形状更为合理、接地压力分布均匀。

2、本申请在现有技术基础上，以1#带束层采用90°胎体钢丝结构，并将其与现有带束层结构相融合，能够显著的增加轮胎的横向刚性及回正力矩，有效地提高其转向力，同时减少胎面的横向变形、抑制花纹沟的横向扩展，减少轮胎偏磨和沟裂问题的发生。

附图说明

图1是本申请对0度+90°带束层结构的改进示意图；

图2是90°带束层替代现有技术四层堆叠结构1#带束层的改进示意图；

图3是基于现有技术四层堆叠结构增加90°带束层的改进示意图；

图4是本申请对现有四层带束层堆叠结构改进后的全钢子午线轮胎剖示图；

图5是轮胎印痕形状随胎肩厚度W变化的示意图；

图6是本申请与现有技术轮胎印痕及压力分布的有限元分析对比图；

图7是现有技术全钢子午胎制造工艺流程图；

图8是实现本申请所述轮胎的工艺调整示意图；

图9是现有385/65R22.5宽基胎与本申请压力毯实验测试结果对比图；

图10是本申请所述轮胎横向刚度实验实时曲线图；

图11是现有技术轮胎横向刚度实验实时曲线图；

图12是有限元分析计算求解过程示意图；

图13是有限元分析网格图；

如图1至图4所示，1#带束层1、2#带束层2、3#带束层3、4#带束层4、5#带束层5、0度带束层6、胎体帘布7、钢丝圈8、胎面上层9、胎肩垫胶10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，全钢子午线轮胎是由橡胶钢丝增强材料构成，由于橡胶材料的粘弹性，其表现为大变形非线性、温度敏感性及容易热氧老化等技术特征。全钢子午线轮胎大致可分为胎面、胎侧、胎圈三个部分。

本申请主要是针对胎面部位的带束层设计及轮廓几何特征进行针对性的改进。目前国内较为常见的带束层结构主要有两类，即四层带束堆叠结构、以及0度带束层+三层带束层堆叠结构。

本申请是在现有技术的基础上，将1#带束层采用90°胎体钢丝结构并辅加对带束层极差及肩部厚度的综合优化配置，以实现增加轮胎横向刚性及回正力矩、提高其转向力，同时减少胎面的横向变形、抑制花纹沟的横向扩展，降低轮胎的偏磨和沟裂的设计目的。

如图1至图3所示，所述具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎，其胎面部位设置有至少4层的带束层结构，其中1#带束层1采用90°胎体钢丝结构。

对于四层带束堆叠结构的现有技术，可采取的改进方式是，将原1#带束层1采用90°胎体钢丝结构的替代方案，或是在原1#带束层下增加90°胎体钢丝结构的新1#带束层。

如图4所示，新1#带束层1与2#带束层2的端点极差间距在8-13mm之间。

对于0度带束层+三层带束层堆叠结构，改进方案是在胎面部位设置有4层堆叠的带束层结构，在肩部设置有2组0度带束层结构。其中，1#带束层1与2#带束层2的端点极差间距在10-15mm之间。

对肩部轮廓进行优化设计，以最佳接地形状为矩形作为设计目标，依据轮胎的印痕形状来调整肩部的厚度W(mm)。

对照图7和图8所示，本申请具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎，基于现有制造设备与工艺，仅需对现有半制品及成型工艺参数做简单调整即可完成新结构的产品制备。经产品试制和性能测试，工艺实施简便易行、产品性能可靠。

基于现有全钢子午胎设计及工艺制造流程，对具体制备过程做如下改进：

1.施工设计及施工表的制定

依据本申请展开施工设计，包括1#带束层采用90°胎体钢丝结构，通过肩部厚度W调整使印痕形状趋于矩形。绘制材料分布图，计算胎面、肩垫胶样板几何尺寸，进行样板设计和先期加工，同时制定施工表。

2.半制品新部件的制备

胎面、肩垫胶部件的挤出，工艺尺寸的标定及确认；

90°带束层的制备包括有，1#带束层采用胎体帘布，90°裁断，宽度要求保障与2#带束层极差在本申请要求的范围内。

3.成型工艺参数调整，半制品贴合及胎胚成型

90°带束层定位参数调整及贴合，成型光标定位参数的调整及标定以保障其与2#带束层极差符合设计及工艺要求，90°带束层贴合在带束层贴合成型鼓上完成，贴合顺序为第一层带束层。

肩垫胶及胎面成型光标定位参数的标定及确认，肩垫胶垫光标定位要保障带束层的平直，胎面部件光标注意对中，预防偏歪导致的胎里露线。

其余的工艺过程严格执行现有规范的全钢子午胎工艺规程，于此不再赘述。

本申请基于现有宽基全钢胎385/65R225规格产品进行试制与成品测试，并对该规格轮胎进行了压力印痕和侧向刚性测试以验证设计的有效性。

如图5所示，箭头所示的是随着胎肩厚度W的增加，轮胎印痕形状的变化过程。

如图9所示，利用美国TEKSCAN公司生产的TV7101轮胎接地压力分布测试分析系统(压力毯)，对分别采用现有技术与本申请改进结构的宽基全钢胎85/65R225进行了压力印痕检测，图中a部分是现有技术的轮胎压力分布，b部分是采用本申请的轮胎压力分布，可以看出采用本申请的轮胎接地形状更接近于矩形、接地面积更大、平均压力较低、压力分布更加得均匀。具体的接地信息对比如下表1。

表1轮胎几何特征及接地信息对比

	现有技术	本申请
			气压Mpa	850.00	850.00
负荷kg	4000.74	4000.15
			负荷下断面宽mm	413.27	410.85
负荷下静半径mm	504.50	505.50
			下沉量mm	30.00	29.00
下沉率	5.95	5.74
			印痕短轴mm	290.82	289.36
印痕长轴mm	214.96	242.16
			印痕面积cm2	625.16	700.74
平均接地压力kpa	639.84	570.82
			矩形系数	0.86	0.92

如图10与图11所示，利用轮胎综合实验机对分别采用现有技术与本申请的宽基全钢胎385/65R225进行了横向刚性检测。

采用本申请结构的轮胎检测数据结果如以下表2所示。

采用现有技术的轮胎检测数据结果如以下表3所示。

对照表2与表3可以看出，本申请能明显地提升轮胎的侧向刚性，对比现有技术侧向刚性提高20％以上，特别是在横向位移较大时(横向位移超过30mm后)，优势更为明显。现有技术轮胎的侧向刚性急速下降，说明已经出现与地面的滑移问题。由此可见，本申请可以有效提高轮胎侧向刚性，提升轮胎的转向能力。

本申请主要针对宽基全钢胎目前存在的共性问题而改进，如图6所示，以385/65规格宽基全钢胎为例进行了有限元结构力学分析，图中a部分是现有技术、b部分是本申请所述结构在负荷4000kg、气压0.85Mpa条件下的几何尺寸、接地印痕形状及压力分布进行了对比(具体数据详见以上表1)。

结果表明：轮胎负荷下的断面宽减小、印痕长轴增大,接地面积增加12.09％，表征接地形状的矩形系数由0.86提高到0.92，平均接地压力减小10.78％。

轮胎断面宽减小和接地面积的增大将会是轮胎具备更高的侧向刚性。

接地形状更接近于矩形、接地面积的增大及平均压力的降低将使轮胎压力分布更加均匀。

偏磨与沟裂掉块主要源于压力分布不均匀带来的花纹块的滑移，在轮胎高频运动中导致疲劳损伤。上述实验表明平均压力降低10％将使轮胎耐磨性提升25％～30％，因此，本申请将大幅地提高轮胎的耐磨性并有效抑制偏磨、花纹沟裂掉块问题。

本申请所采用的有限元结构力学分析如下。

1、单元模型

采用了两种单元模型:八节点六面体等插单元和六节点五面体等参单元。

2、材料模型

橡胶材料不可压缩性用Lagrangian乘子法解决,而其物理非线性用Mooney-Rivlin模型来模拟，应变能密度函数描述：

W(I₁,I₂)＝C₁₀(I₁-3)+C₀₁(I₂-3)

其中I1和I2分别为应变第一和第二不变量,C10和C01为由实验确定的材料常数。

对橡胶基复合材料而言,用正交各向异性材料模型来模拟,其相应的等效弹性模量由橡胶材料和增强纤维材料的模量及体积分数用Halpin-Tsai方程确定

3、几何模型

对于轮胎的大变形,采用Lagrangian法进行描述,应变张量和应力张量分别取为Green-Lagrangian应变张量E和第二类Piola-Kirchhoff应力张量S可分别表示为：

其中∑为第一类Piola-Kirchhoff应力张量。在这里，Green-Lagrangian应变张量E又可以用位移表示为：

4、平衡方程

令q0为定义在初始构形上的体积力,则用第一类Piola Kirchhoff应力张量∑表示的平衡方程为：

Div∑+q0＝0

5、本构方程

对于弹性介质,用第二类Piola Kirchhoff应力张量S和Green-Lagrangian应变张量E表示的本构方程为：

S_ij＝D_ijklE_kl

如果四阶张量D_ijkl是应变张量E的函数,则为非线性弹性；如果D_ijkl是常数张量,则是线弹性。有时非线性弹性本构方程用增量矩阵形式表示：

dS＝DT De

6、接触问题

轮胎与地面的接触问题处理

其突出特点是接触边界条件无法事先确定，因此采用可变约束和约束增量的概念。在每一步计算执行前给出单边位移约束的约束改变量并将其代入增量平衡方程中进行计算,随时根据约束反力和自由节点位移来变更约束边界。约束增量可迭加。最后的约束边界与整体位移场一并得到。

轮胎与轮辋的接触问题处理

将位于接触面上每一点的约束反力分为切向和法向两个分量,若两者之比小于某一预先设定的数,则该点驻定不动,否则该点是滑移点,滑移量即为约束增量,与约束反力的切向分量方向相反且成正比。滑移后的点还应位于约束面内。不断地迭代计算并调整滑移点的位置使切向力更小,当所有的约束点都驻定下来或在小范围内游动时,便近似得到了无摩擦时的轮辋接触边界。

7、有限元分析计算求解过程，如图12所示。

采用有限元分析技术(TYABAS)，以385/65规格轮胎为例进行有限元结构力学分析。其中，对于原有4层带束层堆叠结构，用90°胎体替代原1#带束层，肩部厚度由原设计39mm调整为42.5mm，对胎面及肩垫胶的尺寸及肩部内轮廓曲线做相应地调整。最终的有限元分析轮胎冠部区域网格图如图13所示。

轮胎几何尺寸及接地信息对比，如下表4所示。

	现有技术	本申请
			气压Mpa	850.00	850.00
负荷kg	4000.74	4000.15
			负荷下断面宽mm	413.27	410.85
负荷下静半径mm	504.50	505.50
			下沉量mm	30.00	29.00
下沉率	5.95	5.74
			印痕短轴mm	290.82	289.36
印痕长轴mm	214.96	242.16
			印痕面积cm2	625.16	700.74
平均接地压力kpa	639.84	570.82
			矩形系数	0.86	0.92

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，依据本发明的技术实质对以上描述所作的任何部件形状、尺寸、连接方式和安装结构的修改、等同变化与修饰及各组成部件位置和结构的轻微调整，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (2)

1.一种具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎，其胎面部位设置有至少4层的带束层结构，其特征在于：贴近胎体帘布(4)、底层的1#带束层(1)采用90°胎体钢丝结构；在肩部设置有2组0度带束层结构；

1#带束层(1)与2#带束层的端点极差间距在10-15mm之间；

对肩部轮廓进行优化，调整轮胎肩部的厚度，使轮胎接地形状为矩形，其矩形系数大于0.9，用于增大轮胎与地面的接地面积，降低平均接地压力，使轮胎压力分布更加均匀。

2.一种具有90度带束层结构的全钢子午线轮胎，其胎面部位设置有4层或5层堆叠的带束层结构，其特征在于：贴近胎体帘布(4)、底层的1#带束层(1)采用90°胎体钢丝结构；

1#带束层(1)与2#带束层的端点极差间距在8-13mm之间；

对肩部轮廓进行优化，调整轮胎肩部的厚度，使轮胎接地形状为矩形，其矩形系数大于0.9，用于增大轮胎与地面的接地面积，降低平均接地压力，使轮胎压力分布更加均匀。

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