沈阳化工大学学士学位毕业设计 第四章 轮胎胎面花纹的设计
第四章 轮胎外胎花纹设计
现代汽车轮胎车速不断提高，对轮胎也提出了更高的技术要求，十分重视轮胎花纹设计。近代轮胎工业的花纹设计围绕提高轮胎的牵引力、侧滑力、耐磨性、耐撕裂和排水性能以及减少轮胎行驶过程中的噪声，特别是提高轮胎在冰雪及潮湿道路上的使用性能将对汽车工业的发展有重大意义。
胎面花纹对轮胎性能和使用寿命，特别是对无内胎轮胎的速度性能有较大影响，对汽车的操纵稳定性起决定性作用。本次设计轮胎主要用于长途客运汽车及公交汽车，胎面采用4条纵向花纹，花纹沟底设计为凸台结构，以有效保护花纹沟底，防止花纹块夹石子，花纹深度为15.0mm，花纹饱和度为77.6%。胎肩及花纹沟边部设置密集钢片，以减少轮胎不规则磨损，提高耐偏磨性能。胎面花纹及其展开如图4-1和4-2所示。
4-1 胎面花纹示意
4-2 胎面花纹展开示意
4.1 外胎花纹设计的基本要求
① 轮胎与路面纵向和侧向均具有良好的接着性能。 ② 胎面耐磨而且滚动阻力小。
③ 使用时生热小，散热快、自洁性能好，而且不裂口、不掉块。 ④ 花纹美观、低噪声，而且便于模具加工。
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⑤ 应使缓冲层、胎体帘布层以及胎面受压力分布均匀
上述要求互相间存在不同程度的矛盾难以全部满足。胎面花纹设计必须根据轮胎类型结构和使用条件、主次要求、兼顾平衡来确定方案。
4.2花纹的类型
胎面花纹是按照轮胎的类型、结构特征、使用条件和要求而进行设计的。花纹的类型是按照不同的适用路况条件和饱和度确定的，花纹的饱和度是指胎冠行驶面中，花纹块的面积占行驶面总面积的百分比。一般把轮胎花纹归纳为普通花纹、混合花纹和越野花纹三种，见图4-3。
图 4-3 轮胎胎面花纹
（a）普通花纹；（b）混合花纹；（c）越野花纹 （1） 普通花纹 亦称公路型花纹，适用于较好的水泥路面、柏油路面以及较好的泥土、碎石等硬基路面。载重胎普通花纹有横向（如烟斗花纹）和纵向（如锯齿形或波纹型花纹）或纵横组合型三种。横向花纹的主要缺点在于胶块较大而硬，散热性差，噪声大，防侧滑型较差，设计不当易造成肩空、肩裂等缺陷。当轮胎换位不及时时，肩部花纹块容易磨成高低不平的锯齿状。但这类花纹在车速较低、路面较差的条件下使用还是适宜的。
纵向花纹的主要优点是滚动阻力小，侧滑性能好，噪声小，散热性能也好。起缺点是牵引力较差，由于花纹柔软移动性较大，在普通斜交胎上表现耐磨性不如横向花纹。载重胎普通花纹，其花纹块所占面积一般为行驶面的70%—80%，试验证明，以78%左右的耐磨性能比较良好。载重普通花纹形式见图4-4。
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图4-4 载重轮胎普通花纹
（a）普通花纹；（b）混合花纹；（c）越野花纹
（2） 越野花纹
亦称高行驶性能花纹，适用于崎岖不平的山路、高低
不平的矿山、建筑工地及松土路、潮湿易滑的泥泞、沼泽地区等，军用越野汽车及工程车上用的轮胎局采用这种花纹。
（3） 混合花纹
它属于普通花纹与越野花纹之间的过渡性花纹，适用
于城市与乡村之间的碎石、软土及山区等路面。该花纹一般在行驶面中具有不同方向或纵向分布的窄沟槽。混合花纹的抓着性能优于普通花纹，次于越野花纹，其主要确定是耐磨性能差，胎肩花纹磨损容易产生不均现象。化合花纹块所占面积一般为行驶面的60%—70%。
4.3 胎冠部花纹设计
胎冠部花纹设计包括花纹沟深度、宽度，基部胶厚度，花纹的排列方向以及花纹沟底设计。
4.3.1 花纹沟深度的确定
花纹沟壁向沟底，采用倒圆角弧绘制，以减小因应力集中而引起的花纹沟底裂口。 应用公式∶L=S?（磨耗深度/1000）
子午线轮胎每行驶1000公里，胎面平均消耗量为0.15～0.16mm，则L=(0.15～0.16)?(100000/1000)=15～16mm，根据路面的情况本设计取15mm。
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表4-1 载重轮胎花纹深度 子午线轮胎规格 295/80R22.5
公路型花纹 12.95（0.49）
加深公路型花纹 15.24（0.60）
（注）影响花纹深度的因素：
1．轮胎的用途：高速行驶的汽车，h小些； 2．轮胎的规格：规格大些，h小些；
3．花纹的类型：越野花纹〉混合花纹〉普通花纹； 4．胎体的强度：胎体帘线强度大，h适当增加； 5．工作压力：内压低，曲挠度大，生热高，花纹沟浅； 6. 保持h与花纹参数的比例关系。
4.3.2 花纹沟宽度的确定
胎冠花纹沟宽直接影响轮胎与地面的抓着性和胎面的耐磨性。沟宽较宽，在相同的饱和度下，花纹块柔软度较好，与地面的抓着性较好，但会造成胎面侧磨性变差，并易发生掉块现象，因此，普通载重轮胎花纹沟不宜过宽，一般在7～20 mm 之间，并且要求花纹块的宽度尽量大于花纹沟深度的2倍。花纹沟宽度在胎面分布尽量均匀，宽窄沟之间的宽度差应在25%～50%以内。同时还要考虑胎面整体的饱和度一定要达到不同用途花纹的要求。
表4-2 载重轮胎胎面花纹参数取值
项目
花纹沟宽/花纹沟深 花纹块宽/花纹沟深 花纹块宽/花纹沟宽
普通花纹 0.5～0.8 1.2～3.0 2.0～5.0
混合花纹 0.3～3.0 1.5～3.0 2.0～5.0
越野花纹 0.5～4.0 1.5～3.0 0.5～4.0
4.3.3 花纹排列角度及花纹沟断面形状
为保证有足够打的牵引力和附着力，花纹沟在胎面上的排列角度，应根据相应轮胎的使用路宽条件等因素确定，一般在于胎冠中心线称30°～60°之间，也可以为0°～90°，但一般不要与胎体帘线的排列角度重合，应相差3°以上，避免应力集中在帘布层之间，早期脱层损坏。
花纹断面形状，决定轮胎的牵引力、自洁性和花纹沟是否容易裂口损坏等。花纹沟断面形状影响开放，并且尽可能保证沟宽大于等于花纹沟的深度，若不能保证，可
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采取阶梯型设计，常见花纹断面形状如图4-5。花纹沟底断面半径，载重轮胎一般在3～5mm，横向花纹倾斜角度在15°～20°，纵向花纹在8°～10°。见图4-6 。
图4-5 花纹沟断面形状 图4-6 花纹沟底断面形状
（a） 窄花纹沟；（b） 宽花纹沟； （c） 阶梯型花纹沟；（d）单边阶梯型花纹沟； 花纹沟沟底半径计算可按公式: R=(b/2cosa-hsina)/(1-sina)
其中：
b──花纹沟宽度 15mm
h──花纹沟深度 9mm a──花纹沟壁倾斜角度 10°
R=（15/2cos10°-9sin10°）/（1-sin10°）=4mm 本次设计采用窄花纹沟。
4.3.4 花纹沟基部胶厚度
花纹沟线面与骨架材料之间有层一定厚度的胶料，该层胶料保护骨架免受机械等的损伤、缓冲车辆在牵引和制动时与路面间的剪切应力。其厚度的确定要考虑轮胎在实际使用过程中的使用条件，达到保护胎体骨架材料的目的，防止花纹沟底发生裂口等现象；缓冲和分散轮胎形式过程由胎面至骨架材料之间的剪切应力，提高轮胎的使用寿命。因此，该部位胶料的厚度只能满足以上要求，根据不同的使用情况，具体问题具体分析。
经过长期的设计与实践工作，轮胎的设计人员总结出不同使用环境用途轮胎的基部胶厚度与花纹深度之间的关系，见表4-3。其厚度为花纹沟深度的25%～50%，一般载重轮胎横向普通花纹不易裂口，基部厚度可选低值，纵向花纹基部胶厚度则不宜过薄。
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