胎圈结构

胎圈结构（精选3篇）

胎圈结构 篇1

在轮胎行业中, 产品和服务的差异主要体现在产品质量、服务质量、技术实力等方面。为此固铂轮胎公司提出了轮胎市场的细分、产品的差异化、服务理念差异化的观念。其中, 产品的差异化处于首要位置, 了解、分析各细分市场中的畅销轮胎成为公司收集、获取细分市场需求的一种手段。2011年该公司收录了一些国内竞品的信息并进行分析, 以构建自己的差异化产品。

1 胎圈结构的现状分析

1.1 钢丝圈形状

分析结果表明, 国内载重子午线全钢轮胎的钢丝圈形状全部为六角形, 包括扁六角形和斜六角形。

1.2 胎圈钢丝结构

通过剖析发现, 所收集的国内载重子午线轮胎胎圈钢丝的直径基本围绕在1.5、1.65、1.83mm三种之间, 其中以1.65为主要尺寸, 在分析的产品中占了78%。胎圈钢丝表面镀层基本为青铜, 未发现有使用黄铜镀层的胎圈钢丝。

1.3 胎圈补强结构

剖析结果表明, 在收集的国内载重子午线轮胎中, 超过半数的厂家都会在胎圈部位进行补强结构设计。都是使用尼龙补强, 有使用单层尼龙补强, 也有使用双层尼龙补强。有外端部反包补强, 也有内层补强。这些都是各轮胎厂家基于中国实际载重市场超载情况进行的改善设计。

随轮胎使用市场的细分, 各个轮胎厂家产品的差异化也显而易见, 多体现到胎圈结构上。如:Z公司的长途产品与混合路况条件的产品在胎圈结构设计上不同, D公司长途与混合路况产品也是如此;T公司的产品在10年与11年期间, 产品胎圈的结构随多样化的使用条件, 而产生了更加细致的差异化, 从普通补强到高端点补强, 直至双层钢丝补强结构。这些, 就是产品差异化的表现, 也同时说明产品的差异化是必然趋势。

2 胎圈部位容易出现的缺陷分析

全钢载重子午线轮胎胎圈部位构造比较复杂, 部件较多, 并且成型、硫化时受力变形比较大, 因而在生产时很容易产生质量缺陷。根据我们工厂的实际生产情况以及市场上各品牌故障胎的处理情况, 对全钢载重子午线轮胎胎圈部位常见的质量缺陷进行分析。

2.1 胎圈裂口

胎圈裂口分为胎圈外部裂口和内部裂口。外部裂口主要集中在无内胎子午线轮胎装配线上方10~20mm处, 裂口深度达2~3mm。内部钢丝或者尼龙部分或全部可见。

原因分析, 可能由于三角胶或胎侧设计不合理, 导致胶料流动不合理或模具排气孔堵塞, 造成胎圈外部裂口。胎坯胎侧耐磨胶反包后未压实、翘起。硫化时硫化胶囊卡盘泄漏或硫化胶囊处有隔离剂, 导致胎圈内部裂口。

2.2 胎圈露线

胎圈露线是指在胎圈附近露出胎圈包布或胎体帘布, 分为胎圈底部露线、胎圈外侧露线 (多集中于无内胎轮胎) 和胎圈内侧露线。

原因分析: (1) 硫化定型过程中胎坯严重装偏, 不能正确装入模具, 造成胎圈部位胶料流失, 局部出胶边, 导致胎圈底部胶料严重不足, 露出胎圈包布或者胎体钢丝; (2) 胎侧耐磨胶粘度低, 硫化时胎圈部位胶料流动过度, 胎圈外侧胶料不足, 露出胎圈包布; (3) 轮辋不规范造成轮辋与子口部位钢丝挤压摩擦脱层。

2.3 子口裂口

子口裂口是指在子口防水线以上部位, 沿周向发生裂口。扒开裂口处可见胎体端点, 裂口处与胎体端点呈一定的坡度。初期只能看到圆周故障部位连续或多个鼓起处, 看不到裂口。只有割开鼓起部位, 才能看到裂口。如果一直不处理, 则可能在后期出现爆裂。

原因分析: (1) 使用不匹配偏小尺寸的轮辋, 或者旧轮辋的尺寸、外观已经变形, 长期磨擦子口部位引起变形; (2) 生产制造过程中, 各部件的接头压合不严实, 部件尺寸不符合要求而放行, 造成轮胎在使用过程接头部位脱离。

2.4 子口胶接头开

子口胶接头开是指从外观判断时, 子口防水线部位的某个位置呈一定角度的鼓起。

原因分析: (1) 胶料性能不合格, 引起接头强度不足; (2) 半成品裁断角度不足, 接头搭接不到位; (3) 半成品在存放或裁剪成型过程中, 处理不当, 表面发生药品析出或预硫化现象。

综上分析可知, 轮胎在制造中出现的钢丝圈上抽、松散, 以及在实际行驶中出现的磨胎圈、胎圈爆破, 是最常见的胎圈质量问题。

在市场竞争越来越激烈的今天, 如何来实现我们的差异化, 如何加快我们差异化的速度, 如何提高我们产品在各细分市场中的胎圈性能, 这将是我们要重视的, 也是必须要解决的。

摘要：伴随着汽车工业的迅猛发展, 全钢载重子午线轮胎的使用范围不断扩大。随着装载量的不断增加, 轮胎在使用的过程中也出现了各种问题。怎样才能提高轮胎胎圈的承载能力, 延长轮胎的使用寿命, 是全钢载重子午线轮胎胎圈结构设计需着重研究的课题。

关键词：市场差异化,胎圈结构,胎圈缺陷

参考文献

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新型胎圈预置组件设计探析 篇2

关键词：胎圈预置组件,胎圈预置盘,轮胎成型机

0 引言

随着半钢乘用子午线轮胎在市场上的热销, 轮胎生产企业对半钢乘用子午线轮胎的生产效率以及产品质量的要求也在不断的提高, 促使轮胎成型机生产企业也要不断加大对新产品的研发投入, 以便提供可靠性更好并且成型效率更高的产品。新型半钢乘用子午线轮胎一次法成型机胎圈预置组件的使用不仅降低了轮胎成型机操作人员的劳动强度, 而且提高了轮胎产品的精度, 并有效的控制了由于胎圈变形导致的废胎率。新型胎圈预置组件作为新型半钢乘用子午线轮胎一次法成型机的重要部件对轮胎的生产效率和轮胎质量的提升能够产生重要的影响。

本文将主要对新型半钢乘用子午线轮胎一次法成型机的工艺流程、新型胎圈预置组件的结构特点以及该部件的设计优点进行阐述。

1 新型半钢乘用子午线轮胎一次法成型机工艺流程

新型半钢乘用子午线轮胎一次法成型机在成型过程中主鼓区需贴合三种材料, 三种材料的贴合顺序依次为:内衬层及胎侧预复合料、1#帘布料、2#帘布料。这三种料在贴合之前需在胎体供料架上完成内衬层及胎侧料的预复合动作, 并分别完成上述三种料的自动定长、自动裁断和输送定中等动作。在成型过程中辅鼓区需贴合四种材料, 四种料的贴合顺序依次为:1#带束层料、2#带束层料, 冠带条料和胎面料, 贴合后统称为胎面组件。在贴合之前带束层料及胎面料需在带束层供料架和胎面供料架上完成自动定长、自动裁断和输送定中等动作。通过冠带条导开、缠绕装置完成冠带条料的自动缠绕、自动滚压等动作。组合传递环组件将贴合好的胎面组件夹持到胎圈预置区, 由新型胎圈预置组件将胎圈预置盘摆动至与成型鼓中心重合的胎圈预置组件下降位上, 由左右胎圈传递环完成取胎圈动作。组合传递环组件将胎面组件和胎圈输送至主鼓区, 主鼓依次进行扇形块膨胀、中鼓充气鼓肩收缩、反包胶囊充气、反包、滚压、排气等动作。最后组合传递环组件夹持成型后的轮胎至卸胎位, 完成轮胎成型过程。

新型胎圈预置组件的上胎圈功能是半钢乘用子午线轮胎一次法成型机成型工艺过程中的重要环节之一, 它直接关系到轮胎的成型质量和成型效率。

2 新型胎圈预置组件的功能及结构介绍

为解决手动上胎圈导致的效率低下、人工劳动强度大等问题, 在新型半钢乘用子午线轮胎一次法成型机上增加了新型胎圈预置组件。具体结构见图1。

2.1新型胎圈预置组件的功能

新型胎圈预置组件被设计安装在床身上方的灯标架上, 设备操作者可以通过手动方式在胎圈预置组件抬起位时将胎圈放置到胎圈预置盘的两侧, 通过触控手动开关驱动撑胎圈小气缸将胎圈夹紧。当程序运行到自动上胎圈动作时, 摆动气缸驱动胎圈预置盘及大摆臂摆转, 将胎圈送到与鼓中心重合的胎圈预置组件下降位上进行自动上胎圈动作。左右胎圈传递环取圈后新型胎圈预置盘摆回到原来的位置上, 左右胎圈传递环完成取圈动作, 摆动气缸驱动胎圈预置盘及大摆臂摆转, 胎圈预置盘返回到胎圈预置组件抬起位上。

2.2新型胎圈预置组件的结构

新型胎圈预置组件主要由一个箱体和一对胎圈预置盘组成, 在箱体顶部设计了可多方向调整的螺栓, 方便胎圈预置组件进行精度调整。箱体上前后两侧各安装了一个带止动环的减震器, 可以有效的降低胎圈预置盘及大摆臂运动到极限位置时产生的震动, 同时可以使胎圈预置盘下摆到胎圈预置组件下降位时定位能够更准确。箱体一侧还安装了安保缸, 保证了意外状况发生时人员和设备的安全。胎圈预置盘的结构如图2所示。每个胎圈预置盘上都有4组导轨滑块导向, 每组滑块上都装有一个带有斜面的滑动板, 撑胎圈小气缸推动摆臂, 摆臂带动转盘旋转, 转盘上均布4个轴承, 通过轴承在斜面上的位置变化将胎圈撑紧在扇形夹持块上, 实现撑胎圈动作。左右胎圈传递环取圈后, 撑胎圈小气缸返回, 胎圈预置组件中的扇形加持块靠弹簧复位。

3 新型胎圈预置组件的结构优点

与以往的胎圈预置组件结构不同, 新型胎圈预置组件被设计安装在了设备灯标支架上, 并采用了下摆动式胎圈摆入方式, 这种结构不仅大大节省了设备的占地空间, 而且也增加了操作人员在主机前的操作空间, 方便了人员的操作。

半钢乘用子午线轮胎的胎圈具有宽度较窄、刚性较差的特点, 尤其是当生产18英寸以上规格的轮胎时, 往往由于撑胎圈的力量不好控制, 导致胎圈的过度变型, 影响做胎质量。考虑到这个因素后, 新型胎圈预置组件并没有采用老式的五个或六个支撑轮的胎圈撑紧结构, 而是采用了4个扇形夹持块的胎圈撑紧结构, 具体结构见图2。这种结构的特点是, 扇形加持块加持位置的圆弧直径与同规格的胎圈内径尺寸一致, 即使胎圈被撑起的力量过大, 胎圈仍然可以保持很好的精度, 不会过量变形。而且关键零件都采用了组合加工, 保证了零件尺寸的一致性。

4 结论

新型胎圈预置组件通过下摆式胎圈摆入方式在节省设备占地空间、增加设备操作方便性等方面都有很好的表现, 而其4个扇形夹持块的胎圈撑紧结构更是很好的解决了胎圈撑紧易变形的问题, 结构特点鲜明、实际改善效果明显。

参考文献

胎圈结构 篇3

子午线载重轮胎由于其胎侧比较柔软, 缓冲性能好, 负荷能力较大, 节能性的优点, 在我国普及率越来越高。但是, 胎侧较薄, 胎冠、子口较厚, 在与胎侧的过渡区出层间变形差异, 导致层间撕裂。在胎体外侧加一层与子午面成一定角度的钢丝帘线可以提高胎圈及胎圈到胎侧过度区域的刚度, 一方面可以进一步增强其承载能力与节能性, 另一方面则保证胎侧到胎圈的均匀过渡。然而胎体和加强层钢丝材料较轮胎橡胶材料硬, 在胎体反包端点和胎圈加强层端点将会出现严重应力集中现象, 容易导致胎圈爆裂。胎圈爆裂是常见的轮胎早期缺陷, 增加了载重车辆在行驶过程中发生交通事故的风险, 同时过早地报废也造成了资源的浪费, 制约了经济性能的进一步提高。因此设计加强层时要兼顾加强效果的提高带来的节能、负重方面的好处和刚度增加存在的隐患。

目前轮胎设计所广泛使用的方法是平衡轮廓法, 然而这种方法对并没充分考虑加强层的结构设计, 有一定的空白[1]。从孙建岗等人[2,3,4]的设计文献中可以看出, 在实际的生产中, 由于缺乏依据, 对胎圈加强层的结构的设计并没有给予足够的重视。

改变帘线角度是优化轮胎受力的主要结构参数之一。文献[5-7]等研究了带束层帘线角度对胎冠和接地性能的影响, 研究成果显著, 证明了帘线角度是决定帘线端点应力的主要参数之一, 但是并没有研究帘线角度对胎圈部位的应力影响。文献[8]利用Mar C有限元分析软件研究了不同加强层钢丝帘线截断角度对胎体反包端点的等效应力和应变能密度影响。但是该研究使用的是二维轴对称轮胎模型, 也没有给出有限元模型的精度考评结果。利用三维有限元模型研究轮胎子口加强层角度对加强层端点应力研究较少。

本文使用有限元方法, 采用Abaqus有限元软件, 建立三维非线性有限元模型, 首先对模型的可信度进行考评, 再探究胎圈加强层钢丝帘线角度对加强层反包端点应力集中的影响, 最后比较不同的角度对胎圈部位刚度的影响。本文所研究轮胎胎圈结构如图1所示, 其中圆圈所示区域7, 加强层反包端点及附近是本文主要研究区域。

2 轮胎有限元模型

2.1 结构简化

为了提高建模效率, 利用Hypermesh和Abaqus前处理功能, 对轮胎结构做了如下简化:省去轮胎外轮廓上用于防水、防擦等非承载的外部结构;忽略了轮胎的轴向花纹[9];用rebar单元来模拟轮胎中的钢丝, 其中胎圈加强层钢丝初始角度按照现有轮胎角度设置为30°, 在研究过程中逐步改变此角度。

本文所用rebar的角度设置原理如图2所示。帘线角度可以用Abaqus中定义rebar的参数orientation angle表征, 其方向是与参考系x轴正方向的夹角, 基准平面则是垂直截断面的平面。帘线的根数则是通过定义rebar spacing参数来定义, 即用帘线之间的间隔来定义帘布层帘线的根数。

2.2 橡胶非线性材料的表征

模型采用Yeoh本构模型来模拟非线性橡胶材料。Yeoh模型是基于唯象理论来描述材料应变能密度的函数, 其表达式如式 (1) 、 (2) 所示[10]:

其中, W为应变能密度函数, I1为某方向应变不变量, λ1、λ2、λ3为三个主伸长比, C10、C20、C30为实验数据确定的材料参数。

由公式可以看出, Yeoh模型只需单轴拉伸数据的情况下也能较好地拟合试验数据, 对试验数据要求不高, 且适合模拟轮胎橡胶所处的中小应变范围的工况, 拟合精度较高, 故Yeoh模型是比较适合作为轮胎橡胶有限元模拟的本构模型[11]。

2.3 网格

为了提高建模效率, 首先取一个截面 (子午面) 建立二维轴对称网格模型。本文重点考察胎圈部位, 因此对胎圈部位网格进行了细化, 而对其他部位采用较粗的网格以减少计算出成本。Abaqus中的rebar的节点坐标和位移是通过在基体 (橡胶) 单元的节点差值得到的, 故其自由度与基体一致。

二维网格模型如图3所示。其中rebar单元698个, 橡胶单元2976。再利用abaqus的symmetric model generation功能, 旋转生成三维轮胎模型, 用三维轮胎模型来模拟轮胎充气和静载荷。在生成三维模型的过程中, 可以通过关键字对角度内网格周向密度做出调整, 实现对接地区段网格细化, 其他地方用较粗的网格以减少网格数目。轮辋与试验台平台用刚性面模拟。

三维模型网格数目一共有146 960个。三维有限元模型如图4所示。

2.4 载荷与边界条件

根据《GBT 2977-2008:载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》, 文本研究轮胎标准充气压力为770 k Pa, 单胎标准载荷为1 800 kg。以此为载荷, 进行整胎实验和有限元模拟。由于内衬层使轮胎充气压力分布均匀, 因此充气效果用均布加载在轮胎内衬层表面上的压力来模拟。

在实验过程中, 充有标准气压的轮胎装配在轮辋上并将轮辋固定安装在加载机的轴上, 因此在模拟中, 将轮辋绑定在轮辋中心的参考点上, 保持标准充气气压, 施以试验台刚性面向上的力载荷以模拟轮胎垂直加载过程。

3 轮胎模型的验证

3.1 充气后外轮廓尺寸

轮胎充气后外轮廓是轮胎设计必须达到的国家标准。实验按照国家标准《GBT 521-2003:轮胎外缘尺寸测量方法》进行。

有限元模型在充气后的轮胎外轮廓尺寸与实验测量尺寸误差均在0.5%以内, 在实际轮胎的允许误差范围以内。

3.2 验证接地印记

接地印记和平均接地压力可以判断出轮胎在静载荷下的胎面变形情况, 直接反应轮胎的接地性能, 是轮胎的关键参数。本文实验按照《GBT22038-2008:汽车轮胎静态接地压力分布试验方法》, 使用美国Tekscan公司生产的I-Scan压力量测系统进行测量。该系统还可以设置输出力与位移的关系, 即下文所述的轮胎静态垂直刚度。

图5是接地印记实验结果 (左) 与有限元模拟结果 (右) 对比, 表2是接地印记实验中的主要参数对比。

从图5、表2中可以看出印记形状相似度高, 接地印记参数误差小。

3.3 静态垂直刚度验证

静态垂直刚度反应轮胎的载荷与其下沉量的关系, 是轮胎负载能力的重要的一项参数。由图6可以看出轮胎刚度拟合精度较高, 误差小。

综合以上模型验证结果, 可认为本文所建立的有限元轮胎模型是可信的, 可以用于接下来的研究。

4 加强层角度对胎圈性能的影响

加强层钢丝帘线角度, 一般的选取范围为20°~70°[12]。取20°~70°不同角度, 分别考察充气工况和垂直载荷工况下的加强层端点应力、应变能的最大值变化情况。

4.1 充气工况下的加强层端点处应力和应变能

为了控制变量, 设置充气压力按照线性增加, 最终均达到100%标准充气压力, 即770 k Pa。加强层帘线角的轮胎加强层端点处的最大应力、应变能随充气压力变化规律分别如表3、表4所示, 为了便于显示, 仅将100%标准充气压力时应力值作图。充气完成状态最大应力、应变能分别如图7、图8所示。

综合图、表可以看出, 在充气载荷线性增加时, 不同加强层角度所对应加强层端点的应力、应变能变化规律一致, 都呈非线性增加。从表格数据可以看出, 在相同充气率下, 帘线角在20°~40°范围内所对应的应力、应变能均随该角度增大而增大。其中20°~30°之间随着帘线角度的增大, 最大应力、应变能增加较快, 30°~40°之间最大应力、应变能降低较缓慢。而在40°~70°范围内, 应力和应变能均随角度增大而减小。从数据上看, 40°的帘线角所对应的应力、应变能相比其他角度, 应力、应变能明显降低。

4.2垂直载荷工况下加强层端点处的应力和应变能

设置力载荷按照线性增加, 最终均达到100%标准载荷, 即1 800 kg。加强层帘线角的轮胎加强层端点处的最大应力、应变能随垂直负载率变化规律分别如表5、表6所示。

同样, 仅将100%垂直载荷下不同帘线角对应最大应力、应变能值作图分别如图9、图10所示。

结合图表不难看出, 随着负载率的增加, 加强层反包端点的最大应力、应变能也增加。20°~40°之间最大应力、应变能迅速降低。而在40°~50°范围内, 应力和应变能均随角度增大而缓慢上升, 在50°~70°范围内应变能上升较快。

4.3 加强层帘线角对胎圈部位刚度的影响

加强层的主要作用是提高胎圈部位刚度。取标准载荷下, 轮胎最低子午面, 即垂直地面的截面, 加强层端点的垂直形变量来评价胎圈区域刚度。图11所示即为不同帘线角的加强层角度加强层端点的垂直形变量。

由图中可以看出, 在20°~40°范围内, 加强层端点的垂直形变量随着角度的增加缓慢增加, 即胎圈部位刚度降低较慢, 40°到60°之间增加较快, 刚度降低速度增加, 60°以后随着角度的增加, 加强层对胎圈部位垂直刚度的加强效果迅速弱化。

对于轮胎垂直水平面的子午面截面, 其载荷平行胎体钢丝, 理论上不难推出当加强层帘线角为0°, 即平行胎体钢丝轴向时, 加强效果最好, 帘线角为90°时加强效果最差, 这与本文得到的规律相似。

4.4 最优角度的探究

由表中数据可以发现, 随着负载率增加, 胎圈加强层端点应力、应变能均在标准充气载荷的基础上增加, 这与文献[11]所描述的规律是一致的。因此, 探究帘线角对最大应力、应变能的影响最优时, 只考虑100%负载率的工况。

使用matlab分别对100%负载率下的不同应力、应变能进行三次样条差值, 式 (3) 为最大应力函数表达式, 式 (4) 为最大应变能函数表达式。

式中, 自变量x是帘线角, 取值范围为20°~70°, ys为最大应力, 单位MPa、ye为最大应变能, 单位为MJ·m-3。

令上述表达式导数为0, 可得最大应力最小值出现在40.05°, 最大应变能最小值出现在41.25°。由于数值十分接近, 可近似取二者平均值值, 即40.7°作为应力、应变能最优角度。

此时最大应力、应变能分别为2.86 MPa、为0.431 MJ·m-3, 相比最大值分别下降了10.2%和24.0%。

将垂直载荷下不同加强层帘线角的加强层端点处下沉量也进行三次样条差值, 函数表达式如式 (5) 所示:

式中自变量x为帘线角度, 取值范围为20°~70°。yd为下沉量, 单位为mm。将40.7°时下沉量为0.661, 相比最大下沉量仅增加了2.97%, 刚度变化不大。

综上所述, 选择40.7°作为加强层帘线角, 可以较大幅度地降低垂直载荷时的加强层端点处的应力、应变能, 同时胎圈刚度降低不大。

5 结语

选择加强层帘线角度时应充分考虑加强效果与端点应力、应变能的影响, 角度过小应力和应变能都将增大, 容易产生胎圈爆裂, 过大则加强效果不够, 降低轮胎的负载能力, 不能充分体现子午线轮胎节能、耐久的优势。

本文建立了三维轮胎有限元模型, 并通过将计算结果与实际实验数据进行了对比。对比结果误差较小, 证明了所建立的模型可信度较高。在此基础上探究了帘线角对加强层端点处的应力、应变和垂直刚度的影响。结果如下:

(1) 充气时和垂直载荷下加强层端点最大应力、应变能随帘线角均先增后降, 并在40°附近达到最小值。

(2) 垂直载荷时, 胎圈部位刚度随角度增加一直降低。

(3) 40.7°是最大应力、应变能最优帘线角, 同时可以保证刚度变化不大。

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