CN110217054A - 具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎 - Google Patents
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Abstract
本发明所述具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，在胎圈部位采取分体式的内外钢丝包布结构，内层钢丝包布采用高伸长钢丝和0度缠绕加工工艺，外层钢丝包布采用高强度钢丝，同时对胎体反包与内外层钢丝包布之间的极差配置进行优化，有效地提高了胎圈耐久性能。胎圈部分具有胎圈复合组件和胎体帘布。所述的胎圈复合组件，包括有分体式的内层钢丝包布、外层钢丝包布和胶芯；所述的内层钢丝包布，采用高伸长性的钢丝和0度钢丝缠绕法贴合工艺；所述的外层钢丝包布，采用比内层包布钢丝强度较大的钢丝；所述的胶芯包括上胶芯和下胶芯，上胶芯与下胶芯采取不同的胶料配方而具有不同的硬度值。
Description
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。
全钢子午线轮胎由十几个部件组成(如后附图1)，大致分为胎面、胎侧、胎圈三个部分。在高负载行驶过程中，胎圈早期损坏问题严重影响了轮胎的性能和使用寿命，这也是行业的共性问题。因而胎圈结构的设计改进，已经成为轮胎制造业工程技术人员和相关专家、学者技术攻关的重要课题，胎圈早期损坏突出体现在钢丝帘布脱层、端点损坏问题上。
现有全钢子午线轮胎的胎体帘线呈径向排列，胎侧较为柔软。在轮胎行驶过程中，胎圈通过与轮辋接触传递各项力和力矩，受力较为集中，稳定性较差，因此胎圈部位抵抗高负荷的能力较低。在高负荷条件下，胎圈部位经常出现裂口、变形等情况。所以为了保证胎圈的刚性、改善轮胎的行驶性能，必须针对胎圈部位进行加强设计，以使得胎圈与柔软的胎侧之间有一个适宜的刚性过度，达到防止产生应力过于集中和改善轮胎行驶性能的要求。
有鉴于此，特提出本专利申请。
发明内容
本发明所述具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，在于解决上述现有技术存在的问题而在胎圈部位采取分体式的内外钢丝包布结构，内层钢丝包布采用高伸长钢丝和0度缠绕加工工艺，外层钢丝包布采用高强度钢丝，同时围绕胎体反包与内外层钢丝包布之间的极差配置进行优化，以期实现提高胎圈部位应力更为分散、柔性过度更加显著的改进目的，有效地提高胎圈耐久性能。
为实现上述发明目的，所述具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其胎圈部分具有胎圈复合组件和胎体帘布。
与现有技术的区别之处在于，所述的胎圈复合组件，包括有分体式的内层钢丝包布、外层钢丝包布和胶芯；
所述的内层钢丝包布，采用高伸长性的钢丝和0度钢丝缠绕法贴合工艺；
所述的外层钢丝包布，采用比内层包布钢丝强度较大的钢丝；
所述的胶芯包括上胶芯和下胶芯，上胶芯与下胶芯采取不同的胶料配方而具有不同的硬度值。较为优选的改进技术点是，所述上胶芯的硬度值小于下胶芯的，即上胶芯采用硬度相对较软的胶料，下胶芯采用相对较硬的胶料。
如上述基本设计构思，采取所述分体式的内、外层钢丝包布设计，内层钢丝包布主要作用是提高胎圈部位的周向刚性、减小胎圈由于轮辋支点作用而导致的胎体反包端点区域的剪切应变与应变能。即通过提高应力分散性能，有效地避免内脱层问题的发生。外层钢丝包布可提高胎圈部位的径向弯曲刚性。外层与内层钢丝包布采用不同的钢丝型号与分体式结构，使得各自的功能分工更为明晰、有利于同时提高应力分散、减少子口上抽、圆子口等一系列使用缺陷的发生机率。
另外，分为上下分层的胶芯结构，可提高胎圈部分的承载能力，明显地降低无内胎胎圈部分的损坏率，有效地分散胶芯部位的应力应变。
较为优选的是，所述内层钢丝包布采用伸长指标为3*7*0.20HE的钢丝。
为进一步地提高胎圈部位的应力分散效果，改进与细化方案是，所述的胎体帘布，其胎体反包的上端与内侧胎体之间保持平行。
为控制刚性协调和应力合理过渡，所述胎体反包、内层钢丝包布和外层钢丝包布的上端点之间，形成依次梯度下降的极差排列方式。进一步地，内层钢丝包布与外层钢丝包布上端点之间的极差高度在5-10mm之间；内层钢丝包布、外层钢丝包布与胎体反包上端点之间的极差高度，均在10-20mm之间。
更为优选的是，所述外层钢丝包布的下端点包过钢丝圈底部，内层钢丝包布的下端点包过钢丝圈的横向最宽点；内层钢丝包布与外层钢丝包布下端点之间的间距不小于5mm。
更为细化的改进是，在外层钢丝包布、胎体反包与胎芯外侧设置有胎侧复合胶，胎侧复合胶具有采取不同胶料配方而具有不同硬度值的三种胶复合。
综上所述，本申请具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎具有的优点是：
1、胎圈部位应力更为分散、柔性过度更加显著，有效地提高了胎圈整体的耐久性能。
2、在大载荷条件下，在胎圈关键损坏区域的应变能周期变化、应变能极限幅值均呈现较大幅度的降低，其橡胶材料应变能幅值下降率可达到30.43％。
3、轮胎滚动阻力部分(约占30％)是由胎圈生热产生的，本申请能够有效降低胎圈的应变能幅值，因此会直接有效地降低滚动阻力,具有显著的节油特点。
附图说明
图1是传统全钢子午线轮胎的剖示图；
图2是本申请所述轮胎胎圈的结构示意图；
图3是传统全钢子午线轮胎的制造工艺流程图；
图4是制造本申请所述具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎工艺调整图；
图5是有限元分析计算求解过程示意图；
图6是轮胎子口脱层损坏区域网格图；
图7是本申请胎圈结构在充气状态下整体应变能密度示意图；
图8是现有技术胎圈结构在充气状态下整体应变能密度示意图；
图9是本申请胎圈结构在低负荷下各部件橡胶材料应变能示意图；
图10是现有技术胎圈结构在低负荷下各部件橡胶材料应变能示意图；
图11是本申请胎圈结构在大负荷下胎体端点胶料应变能密度变化情况示意图；
图12是现有技术胎圈结构在大负荷下胎体端点胶料应变能密度变化情况示意图；
图13是本申请胎圈结构在大负荷下胎圈损坏关键区域胶料单元应变能变化周期示意图；
图14是现有技术胎圈结构在大负荷下胎圈损坏关键区域胶料单元应变能变化周期示意图；
图15是本申请胎圈结构在大负荷下胎圈损坏关键区域骨架材料单元应变能变化周期示意图；
图16是现有技术胎圈结构在大负荷下胎圈损坏关键区域骨架材料单元应变能变化周期示意图；
如图1至图4所示，内层钢丝包布1、外层钢丝包布2、胎体反包3、胎体帘布4、上胶芯5、下胶芯6、钢丝圈7、胎侧复合胶8；
胎面上层10、胎面基部胶11、带束层12、胎侧胶13、内衬层14、上三角15、下三角16、钢丝包布17、钢丝包胶18。
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，本申请采取分体式、两种不同的子口钢丝包布结构设计，配合对极差配置及胎圈部位的几何形状、胶部件的模量匹配进行了综合优化设计，最终实现了胎圈部位的应力分散、柔性过度，提高胎圈耐久性等技术进步。
具体地，如图2所示，所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其胎圈部分具有胎圈复合组件和胎体帘布。其中，
所述的胎圈复合组件，包括有分体式的内层钢丝包布1和外层钢丝包布2、胶芯；
所述的内层钢丝包布1，采用3*7*0.20HE的高伸长性钢丝、并采用0度钢丝缠绕法贴合工艺制备。内层钢丝包布1，其主要作用在于提高胎圈部位的周向刚性，减小胎圈由于轮辋支点作用而导致的胎体反包端点区域剪切应变与应变能，以实现应力分散。同时，由于内层钢丝包布1的上、下端点没有横切断点，从而有效地避免了内脱层问题的发生。
内层钢丝包布1的下端点包过钢丝圈7的横向最宽点；
所述的外层钢丝包布2，采用3+9+15*7*0.22W或1+6+12*0.225HT高强度钢丝，裁断角度为30度，并基于现有半制品及成型工艺制备。外层钢丝包布2，其主要作用在于提高胎圈部位的径向弯曲刚性，外层与内层钢丝包布采用不同型号的钢丝和分体式设计，使功能分工更为明晰、有利于应力分散，同时能够有效地减少子口上抽、圆子口等系列工艺缺陷的发生。
外层钢丝包布2的下端点包过钢丝圈7底部。
内层钢丝包布1与外层钢丝包布2下端点之间的间距不小于5mm。
所述的胶芯包括上胶芯5和下胶芯6，上胶芯5与下胶芯6采取不同的胶料配方而具有不同的硬度值。如上胶芯5的胶尔A硬度取值在58至63之间，下胶芯6的胶尔A硬度取值在87至92之间。
所述的胎体帘布，其胎体反包3的上端与内侧胎体之间保持平行。
胎体反包3、内层钢丝包布1和外层钢丝包布2的上端点之间，形成依次梯度下降的极差排列方式。
内层钢丝包布1与外层钢丝包布2上端点之间的极差高度在5-10mm之间；
内层钢丝包布1与胎体反包3上端点之间的极差高度在10-20mm之间，外层钢丝包布2与胎体反包3上端点之间的极差高度也在10-20mm之间。
在外层钢丝包布2、胎体反包3与胎芯外侧设置有胎侧复合胶8，胎侧复合胶8具有采取不同胶料配方而具有不同硬度值的三种胶复合。
对照图3和图4所示，本申请所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，基于现有制造设备与工艺，仅需在成型工艺中的钢丝包布贴合阶段，增加0度钢丝缠绕法挤出贴合装置，即完成内层0度钢丝包布的缠绕。具体地，首先覆胶1-3根平行钢丝通过连续缠绕法制成一定宽度的帘布，并通过机械装置传递至成型机贴合鼓上，将其按照发明结构进行周向缠绕；其次，需要对半制品及成型工艺施工设计进行简易调整，其余完全执行现行的全钢子午胎制造工艺流程，即可达到本申请所述的胎圈新结构。
基于现有全钢子午胎设计及工艺制造流程，本申请提出以下工艺调整：
1. 0度钢丝缠绕法挤出贴合装置的先期采购与安装调试；
2.施工设计及施工表的制定；
轮胎圈布胎体反包与内侧胎体呈平行几何形状；胎体反包、内钢丝包布上端点、外钢丝包布上端点三者的极差形成梯度，极差控制在12-17mm；内层包布采用高伸长钢丝和0度缠绕工艺，外层钢包采用高强度钢丝，裁断角度为30，绘制材料分布图，计算胎侧、三角胶样板几何尺寸，进行挤出样板设计和先期加工，同时制定施工表。
3.半制品部件的调整及制备；
三角胶、胎侧部件的挤出，工艺尺寸的标定及确认；外层钢丝包布采用采用3+9+15*7*0.22W或1+6+12*0.225HT高强度等高强度钢丝，裁断角度为30度，裁断宽度(如12.00R20轮胎规格应选定为70mm)。钢丝帘布的压延、裁断，外层钢丝包布部件的制备及宽度角度的标定与确认。
4.成型工艺调整及胎胚的制备；
内层钢丝包布采用0度缠绕新工艺，先覆胶1-3根平行钢丝通过连续缠绕法制成一定宽度(如12.00R2轮胎规格应选定为60mm)的帘布，并通过机械装置传递至成型机贴合鼓上，将其按照发明结构进行周向缠绕；
成型工艺参数的调整，包括胎侧、三角胶成型光标定位参数的调整及标定，内外钢丝包布定位参数的调整及标定。内外二种不同胎圈钢丝包布的在成型主鼓上按如下先后顺序进行贴合：胎侧—内成层—外层钢丝包布—胎体帘布—内层0度缠绕钢丝包布—等等。其余的工艺过程严格执行规范的全钢子午胎工艺规程，于此不再赘述。
如图1与图2所示，对比现有结构与本申请所述的全钢子午线轮胎，在胎圈关键损坏区域的应变能对比如下表。
本申请是基于轮胎结构力学分析，重点围绕胎圈结构、特别是钢丝端点的应力、应变、应变能等力学行为进行了对比研究，从而提出了上述新型胎圈结构及其制造方法，能够实现应力分散及刚性匹配，有效提高胎圈部位的耐久性能和改善圈变形和早期裂口问题。
其中，轮胎结构有限元分析的相关内容如下：
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：
Sij＝DijklEkl
如果四阶张量Dijkl是应变张量E的函数,则为非线性弹性；如果Dijkl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、有限元分析流程，如图5所示。
采用有限元分析技术(TYABAS)，以12.00R20规格轮胎为例。
图6所示的是轮胎子口脱层损坏区域网格图分析；
如图7与图8对比的是本申请与现有技术胎圈结构在充气状态下整体应变能密度对比；
图9与图10对比的是本申请与现有技术胎圈结构在低负荷下胎圈各部件橡胶材料应变能对比；
图11与图12对比的是本申请与现有技术胎圈结构在大负荷下胎体端点胶料应变能密度变化情况对比；
图13与图14对比的是本申请与现有技术胎圈结构在大负荷下胎圈损坏关键区域胶料单元应变能变化周期对比；
图15与图16对比的是本申请与现有技术胎圈结构在大负荷下胎圈损坏关键区域骨架材料单元应变能变化周期对比；
以12.00R20规格轮胎的胎圈结构进行有限元结构力学分析，分别对充气、低负荷及大负荷下轮胎应变能密度及损坏关键区域应变能周期变化进行了对比。
在大负荷条件下，对比于现有技术，本申请在胎圈关键损坏区域的应变能周期变化，应变能极值幅值极值均呈现较大幅度的降低。其橡胶材料应变能幅值下降率达到30.43％，采用本申请胎圈结构无疑会大幅降低胎圈缺陷。因全钢子午线轮胎滚动阻力(由轮胎的粘弹性滞后损失引发)的30％由胎圈生热产生,降低胎圈的应变能幅值会直接导致胎圈生热的降低,进而有效降低滚动阻力,因此本申请又具有节油的特点。
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 (7)
1.一种具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其胎圈部分具有胎圈复合组件和胎体帘布，其特征在于：所述的胎圈复合组件，包括有分体式的内层钢丝包布(1)和外层钢丝包布(2)、胶芯；
所述的内层钢丝包布(1)，采用高伸长性的钢丝和0度钢丝缠绕法贴合工艺；
所述的外层钢丝包布(2)，采用比内层包布钢丝强度较大的钢丝；
所述的胶芯包括上胶芯(5)和下胶芯(6)，上胶芯(5)与下胶芯(6)采取不同的胶料配方而具有不同的硬度值。
2.根据权利要求1所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其特征在于：所述内层钢丝包布(1)采用伸长指标为3*7*0.20HE的钢丝。
3.根据权利要求1所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其特征在于：所述的胎体帘布，其胎体反包(3)的上端与内侧胎体之间保持平行。
4.根据权利要求1或3所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其特征在于：所述胎体反包(3)、内层钢丝包布(1)和外层钢丝包布(2)的上端点之间，形成依次梯度下降的极差排列方式。
5.根据权利要求4所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其特征在于：内层钢丝包布(1)与外层钢丝包布(2)上端点之间的极差高度在5-10mm之间；
内层钢丝包布(1)、外层钢丝包布(2)与胎体反包(3)上端点之间的极差高度，均在10-20mm之间。
6.根据权利要求5所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其特征在于：所述外层钢丝包布(2)的下端点包过钢丝圈(7)底部，内层钢丝包布(1)的下端点包过钢丝圈(7)的横向最宽点；
内层钢丝包布(1)与外层钢丝包布(2)下端点之间的间距不小于5mm。
7.根据权利要求1所述的具有0度胎圈补强层的全钢子午线轮胎，其特征在于：在外层钢丝包布(2)、胎体反包(3)与胎芯外侧设置有胎侧复合胶(8)，胎侧复合胶(8)具有采取不同胶料配方而具有不同硬度值的三种胶复合。
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