带束层的结构研究分析报告

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带束层是子午线轮胎结构的核心 ,承受60 %～70 %的轮胎应力 ,是子午线轮胎具有一系列优点的关键因素[1],因此 ,它一直是子午线轮胎的研究重点。本工作重点探讨了带束层的材料、结构形式、宽度和帘线角度对轮胎性能的影响。1带束层材料111 钢丝带束层要求采用刚性大、伸长小的材料。从20 世纪 40 年代末 ,法国米其林公司首次将钢丝帘线应用于轿车子午线轮胎的带束层和胎体 ,到目前为止 ,钢丝仍是最常用的材料。钢丝帘线的优点是拉伸强度和模量较高(有利于轮胎保持尺寸稳定) 、耐热性极好、蠕变为零、耐冲击性较好、滞后性低[2]、生热小及轮胎高速耐久性好 ;缺点是易锈蚀 ,与橡胶的粘合性不好。不同结构的钢丝具有不同的性能 ,因此不同规格轮胎的带束层所用钢丝也不同。国外某些轮胎公司轿车子午线聚酯(涤纶)帘线具有高模量、低伸长、高强力和耐热性好等特点 ,综合性能优于人造丝 ,有完全替代人造丝的趋势 ,但其用于带束层的数量很少。用聚酯制造的轮胎 , 其质量比人造丝轮胎小10 % ,侧向刚性比尼龙轮胎高 ,操纵稳定性和乘坐舒适性好。为了适应子午线轮胎发展的需要 ,人造丝品种发展很快 ,相继发展了一超、二超、三超和高定伸等帘线品种 ,其中一部分用于制造带束层。虽然人造丝帘线的强度和耐疲劳性能不如尼龙和聚酯帘线 ,但其伸长率比尼龙帘线小 ,摩擦生热比聚酯帘线低 ,热收缩性和尺寸稳定性比尼龙和聚酯帘线好 ,因此应用于子午线轮胎仍占有一定市场。
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/ A! ]% b( m# p2 Q尼龙 6 和尼龙 66 都大量应用于轮胎工业 ,但在子午线轮胎带束层中应用极少。玻璃纤维具有初始模量高、伸长率低、耐热性好等优点 ,但其耐屈挠性能和耐磨性能差限制了其在轮胎带束层中的应用。说新开发的维纶帘线初始模量高、干热收缩小、加工处理和工艺性能良好 ,可用于子午线轮胎带束层。
2 　带束层结构形式
带束层的结构直接影响胎冠部位的刚度和接地面单位压力的分布 ,因此与轮胎的耐磨性、行驶稳定性和乘坐舒适性密切相关。各国研究人员对带束层进行了各种形式的组合排列。
8 e6 T* ^, @2 |" D' a. X, |211 　叠层式[1]
叠层式带束层多用于载重轮胎 。一般是第 1 层 (靠近胎体) 为辅助层 ,第 2和 3 层为基本层或工作层 ,第 4 层(靠近胎面) 为增强层或保护层。一般辅助层和保护层采用直径较小、强力较低、帘线密度较小的帘布 ,各层级差.近年来随着高速公路的增加和汽车动力的增大 ,要求高速行驶的轮胎具有良好的操纵性和稳定性 ,因而逐渐采用图 1(c)的结构形式。
212 　包边式带束层[1]
包边式带束层多用于轿车子午线轮胎。其特点是加强了带束层端部的设计 ,减少了因胎肩部位的应力集中所引起的脱层 ,使轮胎在高速行驶时有良好的转弯性能 ,并能提高轮胎的寿命。
. Q. ^4 j% C3 R! F' J3 ^213 　不对称带束层
: B; G. r: `* A" C不对称带束层[6]具体结构见图 3 ,该带束层由相当于胎面宽度 1115～1135 倍的折叠层和一层与之相配合的覆盖层构成 ,覆盖层在折叠层边缘之间形成的空隙上延伸。通过采用折叠层 ,能够有效避免在带束层边缘区域产生脱层的危险 ,提高轮胎的操纵性和行驶稳定性 ,因此主要用于高速行驶的车辆轮胎。
214 　不同材料和结构组合的带束层
Weiss 等[7]为提高高速性能、改善乘坐舒适性及降低滚动阻力等 ,利用三维有限元模型从多
- z2 v- @7 J  C) z0 Y方面分析了不同材料和结构组合的 5 种带束层对轮胎质量、成本、高速耐久性能、
乘坐舒适性和滚动阻力等的影响 ,结构具有较好的高速性能和乘坐舒适性 ,但产生的
% ]* _2 Q' O" e- W- J滚动阻力较稍大 ;通过计算发现 ,带束层宽度、带束层折叠边宽度、胎冠中心部位的增强
, F* p9 h/ O, ?1 }- E' E" g  R层、花纹深度和帘线角度等都能对滚动阻力产生较大影响。不同材料和结构组合的 5 种带束层━尼龙; —钢丝; ┈芳纶
0 L9 @$ `" J8 }3 F4 w5 ~' x3 　带束层宽度和帘线角度
0 N7 k2 Y9 ~9 G& [+ i9 ~, M$ n311 　带束层宽度
由于子午线轮胎胎肩部位一直是质量问题多发点之一 ,因此带束层宽度成为研究热点 ,其对轮胎滚动阻力和乘坐舒适性等都有影响。闫相桥等[8]应用自己研制的轮胎结构有限元分析软件探讨了载重子午线轮胎带束层宽度的优选问题 ,电磁加热器通过对带束层端点、胎体反包端点、胎肩附近单元的应力分析参数及胎圈附近胎体张应力和带束层张力的综合分析 ,选出了一种最优宽度带束层。
312 　带束层帘线角度
! C4 z7 _: ]) y; P2 z- p. H. M31211 　对轮胎充气轮廓形状的影响[9]我们利用 ANSYS 力学分析仿真软件 ,仅改变带束层帘线角度(从 17°逐渐增至 23°) ,得到充气轮胎断面宽和轮胎外径随带束层帘线角变化的趋势仿真结果表明:对于所模拟的轮胎 ,带束层帘线角度每增加 1°,充气轮胎断面宽就减小 012 mm(近似呈线性递减趋势) ,充气轮胎外直径增加约 013 mm。这主要是由于随着带束层帘线角度的增加 ,模量较大的帘线受力减小 ,带束层帘线与帘线之间的纵向拉力增大 ,导致带束层受力后更加偏斜 ,对胎体的横向约束作用增大 ,而周向约束作用降低 ,故断面宽减
9 g) [  @) C" {$ c, y小、外直径增大。由此可见 ,轮胎速度级别越高 ,带束层角度越宜减小。轮胎断面宽随带束层帘线角变化趋势轮胎外直径随带束层帘线角变化趋势对垂直载荷下轮胎应力的影响[9]
8 ]3 r2 g7 m% a9 ]& D利用与前述相同的仿真方法 ,对带束层帘线角 17°～23°范围内的 6 种情况进行仿真计算 ,所得结果。可以看出 ,带束层帘线角减小 ,则第一主应力的最大值也减小 ,当减小至
! _* G! N4 a/ A7 l3 A18°以下时 ,第一主应力的最大值减小幅度趋于平缓。
/ E$ f" ^: M. |: s. T, d6 h8 A" i4 　结论
带束层是子午线轮胎的重要组成部分之一 ,第一主应力最大值随带束层帘线角变化趋势
0 A9 @: W8 }" _* ]' M本文重点从其材料、结构形式、宽度和帘线角三个方面探讨了其对轮胎性能的影响。既具有高模量、高强度、耐高温、变形小的刚性 ,又具有相对密度小、耐疲劳及耐剪切等柔性的材料能提高轮胎性能 ;不同的带束层结构适合于不同的轮胎 ,叠层式多用于载重轮胎 ,不对称式主要用于高速行驶的车辆轮胎 ,包边式带束层多用于轿车子午线轮胎 ,不同材料和结构组合的带束层主要用来提高轮胎的综合性能。利用 ANSYS 力学分析仿真软件研究带束层帘线角在 17°～23°之间变化时对轮胎充气轮廓形状和垂直负荷下轮胎应力的影响 ,仿真结果表明 ,对于所模拟的轮胎 ,带束层帘线角度每增加 1°,其充气断面宽就减小 012 mm(近似呈线性递减趋势) ,其充气外直径增加约 013mm;带束层帘线角减小 ,则第一主应力的最大值也减小 ,但减小至 18°以下时减小幅度趋于平缓。

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轮胎在生活中占据着重要的作用，为社会的发展起到了很大的帮助。

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