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第1章 轮胎技术概述1

1.1 前言1

1.2 轮胎基础知识1

1.2.1 功能1

1.2.2 轮胎类型2

1.2.3 行业标准3

1.3 轮胎部件4

1.3.1 胶料4

1.3.2 骨架材料4

1.3.3 子午线轮胎部件5

1.3.4 子午线轮胎设计流程7

1.4 轮胎性能标准11

1.4.1 室外（车辆）测试11

1.4.2 室内（转鼓）测试13

1.4.3 技术检测14

1.4.4 行业／政府标准15

1.5 轮胎制造15

1.5.1 胶料制备15

1.5.2 部件制备16

1.5.3 轮胎成型18

1.5.4 硫化19

1.5.5 成品检查20

1.5.6 质量控制检验20

1.6 消费者关注20

1.6.1 保持正确充气20

1.6.2 避免超载21

1.6.3 定期调换／对中检查21

致谢21

1.7 参考文献21

第2章 橡胶力学性能22

2.1 弹性和黏弹性22

2.1.1 橡胶态、结晶态和玻璃态22

2.1.2 弹性行为24

2.1.3 黏弹性29

2.2 胶料的强度33

2.2.1 内禀（固有）缺陷33

2.2.2 断裂能和破坏应力34

2.2.3 补强37

2.2.4 裂尖的钝化38

2.2.5 裂纹扩展及机械疲劳39

2.2.6 黏接失效41

2.3 橡胶的摩擦滑动42

2.3.1 法向载荷对摩擦力的影响42

2.3.2 滚动摩擦43

2.3.3 润滑粗糙表面上的滑动摩擦43

2.3.4 干燥表面上的滑动摩擦44

2.3.5 控制橡胶摩擦44

2.4 磨损44

2.4.1 滑动过程中的磨损44

2.4.2 Schallamach磨损图45

2.4.3 疲劳裂纹增长的磨损46

2.4.4 化学效应47

2.4.5 车轮滑动磨耗47

2.5 橡胶的老化48

2.6 结论50

2.7 参考文献50

2.8 课后练习51

第3章 轮胎帘线和帘线-橡胶黏合53

3.1 纺织帘线53

3.2 钢帘线65

3.3 参考文献70

3.4 复习题71

第4章 帘线／橡胶复合材料力学73

4.1 帘线／橡胶复合材料的力学行为73

4.2 线性各向异性与正交各向异性分析75

4.2.1 各向同性弹性性能75

4.2.2 正交各向异性弹性性能76

4.2.3 表征带束层和帘布层的单层板的应力-应变公式77

4.2.4 单层板性能的实验测定82

4.2.5 有限元应用83

4.2.6 单层板的热传导率84

4.2.7 热膨胀系数85

4.3 组分对复合材料性能的贡献86

4.3.1 简单模型87

4.3.2 Halpin-Tsai公式88

4.3.3 高夫-汤哥拉（Gough-Tangorra）公式89

4.3.4 赤板-平野（Akasaka-Hirano）公式89

4.3.5 S.K.Clark方程89

4.3.6 实验数据对比90

4.3.7 热传导率91

4.3.8 帘线／橡胶性能的有限元方法92

4.4 层合板的宏观力学行为93

4.4.1 弯曲变形分析93

4.4.2 应变-位移关系94

4.4.3 层合板中单层的应力96

4.4.4 合应力与合力矩的定义96

4.4.5 层合板本构方程97

4.4.6 示例100

4.4.7 层合板本构方程的简化101

4.4.8 应力和应变的确定102

4.4.9 层合板理论在轮胎中的应用103

4.4.10 角度效应103

4.4.11 包容特性104

4.4.12 磨耗与转向104

4.4.13 层间变形104

4.4.14 有限元分析106

4.5 帘线／橡胶复合材料的黏弹性与滞后行为109

4.5.1 应力-应变关系109

4.5.2 有限元的运用113

4.5.3 动态振动响应113

4.5.4 能量损失114

4.6 帘线／橡胶复合材料的耐久性114

4.6.1 复合材料的疲劳检测114

4.6.2 帘线抽出试验118

4.6.3 帘线／橡胶复合材料断裂分析118

4.6.4 连续介质损伤分析120

4.6.5 温度预测121

致谢123

4.7 参考文献123

第5章 轮胎负荷能力127

5.1 引言127

5.2 历史：TRA荷载公式127

5.3 基本公式128

5.4 常数129

5.5 压力指数129

5.6 轮胎断面宽（断面直径）129

5.7 审查的必要性130

5.8 新方法130

5.9 轮胎负荷／下沉量和刚度131

5.10 TRA荷载公式与下沉量133

5.11 方法学134

5.12 下沉量分析135

5.13 提出的荷载公式136

5.14 应做的工作137

5.15 总结137

致谢138

附录1138

附录2140

第6章 轮胎应力分析141

6.1 引言141

6.2 轮胎轮廓基本理论141

6.3 轮胎结构分析143

6.4 轮胎帘线张力149

6.5 相关主题151

6.6 试验方法152

6.7 思考题155

6.8 参考文献156

第7章 接地印痕现象158

7.1 概述158

7.2 接地印痕的描述159

7.2.1 基本视角159

7.2.2 印痕坐标系（FAS）159

7.2.3 印痕应力的定义160

7.2.4 接地印痕的几何形状160

7.2.5 接地印痕内的位移160

7.3 测量设备和方法161

7.3.1 纯视图161

7.3.2 应力测量技术162

7.3.3 位移测量技术168

7.3.4 接地面内的温度170

7.3.5 胎面形貌的测量（胎面磨耗的表征）172

7.3.6 工程用途的轮胎应用表征173

7.3.7 确定剪切能174

7.4 接地印痕物理学176

7.4.1 光面轮胎177

7.4.2 胎面花纹的影响185

7.4.3 剪切能和不均匀磨耗189

7.5 总结192

7.6 参考文献192

课后习题194

第8章 充气轮胎的六分力196

8.1 概述196

8.2 对轮胎六分力的描述197

8.2.1 SAE轮胎坐标系197

8.2.2 轮胎六分力的定义198

8.2.3 产生轮胎六分力的轮胎使用变量和输入198

8.2.4 ISO车轮坐标系199

8.3 轮胎对单个使用变量的变形响应200

8.3.1 对纯滑移侧偏角的响应200

8.3.2 对侧倾角的响应201

8.3.3 对轮轴转矩的响应202

8.4 轮胎六分力特性的确定203

8.4.1 道路203

8.4.2 轮胎操纵器205

8.4.3 力传感器206

8.4.4 室内与室外测试的优点与缺点207

8.5 数据的总体特性208

8.5.1 自由滚动转弯208

8.5.2 直行或制动219

8.5.3 转向、制动与驱动联合作用221

8.5.4 瞬态效应225

8.6 影响轮胎六分力幅值和特征的测试与环境参数228

8.6.1 测试表面曲率229

8.6.2 充气压力229

8.6.3 测试速度229

8.6.4 轮胎老化230

8.6.5 轮胎磨损和使用状态231

8.6.6 环境温度232

8.6.7 测试表面233

8.7 轮胎六分力建模234

8.7.1 纯结构模型（有限元模型）235

8.7.2 集总参数模型235

8.7.3 经验模型（半经验模型）236

8.7.4 对联合侧偏的解释239

8.7.5 在速度为零时建模的特殊问题240

8.8 结论240

8.9 参考文献240

8.10 思考题245

第9章 轮胎的噪声和振动248

9.1 前言248

9.2 轮胎的振动249

9.2.1 低频行为特征249

9.2.2 轮胎振动251

9.3 内部激励噪声和振动扰动253

9.3.1 轮胎的不平衡性253

9.3.2 轮胎的不均匀性253

9.3.3 轮胎噪声和胎面花纹设计256

9.3.4 轮胎腔体共振260

9.4 外部激励噪声和振动262

9.4.1 路面纹理特征262

9.4.2 轮胎／路面相互作用噪声263

9.4.3 轮胎的包络特性264

9.5 轮胎模型266

9.5.1 模态分析法266

9.5.2 带弹性支撑的环模型267

9.5.3 有限元分析和边界元方法267

9.5.4 统计能量分析（SEA）268

9.5.5 其他轮胎模型268

9.6 轮胎／车辆系统268

9.6.1 刚体的运动（0.5～5Hz）268

9.6.2 轮辋跳跃共振（5～20Hz）269

9.6.3 悬架的共振（20～300Hz）270

9.6.4 空气传播扰动（300Hz或更高）271

9.7 人对噪声和振动的反应272

9.7.1 人对噪声信号的反应272

9.7.2 对可感觉到的振动的反应272

9.7.3 噪声和振动的混合干扰273

9.7.4 乘坐舒适性／声学计量体系273

9.7.5 单耳或双耳测量274

9.7.6 乘坐舒适性和声学质量分析设备274

9.8 参考文献275

第10章 滚动轮胎的驻波现象280

10.1 前言280

10.2 驻波的机理281

10.2.1 弹簧质量模型281

10.2.2 张力环模型281

10.2.3 斜向波模型281

10.3 斜交轮胎283

10.3.1 帘线张力和离心力283

10.3.2 转鼓半径284

10.3.3 摩托车轮胎的能量损耗284

10.4 时域模型285

10.5 子午胎286

10.6 讨论288

10.7 结论288

致谢288

参考文献288

第11章 橡胶摩擦和轮胎牵引力289

11.1 橡胶摩擦289

11.1.1 橡胶摩擦与温度和速度的相关性289

11.1.2 湿跑道上的摩擦主曲线295

11.1.3 水润滑对橡胶摩擦的影响296

11.1.4 冰面摩擦300

11.1.5 冰上橡胶摩擦模型302

11.2 用滑动轮测定橡胶胶料的摩擦特性304

11.2.1 侧向力的滑动和荷载相关性304

11.2.2 侧向力系数的速度和温度相关性306

11.2.3 胎面胶料在更高速度时的牵引特性306

11.2.4 减缩的lg aTv值范围中的摩擦／侧向力主曲线309

11.2.5 温升和润滑对作为湿跑道上侧偏角函数的侧向力系数的影响309

11.3 轮胎牵引力311

11.3.1 制动测试程序311

11.3.2 峰值和滑动制动系数的速度相关性313

11.3.3 受控滑移时的制动314

11.4 道路试验数据和湿跑道上的实验室测量数据的相互关系317

11.4.1 实验室测量317

11.4.2 实验室测量和道路试验等级对比319

11.4.3 道路试验与速度、荷载和侧偏角不变时的侧向力测量的相互关系319

11.4.4 单一试验条件下实验室侧向力测量之间的道路试验相互关系320

11.4.5 跑道表面结构对实验室与路试等级相互关系的影响321

11.4.6 将速度和温度作为自变量处理的数据评估321

11.4.7 路试等级和用实验室测量模拟路试间的相互关系324

11.5 结论325

11.6 参考文献326

第12章 滚动阻力328

12.1 引言328

12.1.1 滚动阻力的定义328

12.1.2 各种滚动工况下的滚动阻力关系式330

12.1.3 滞后作用与黏弹性331

12.2 滚动阻力的物理特性332

12.2.1 基本变形332

12.2.2 操作工况的影响337

12.2.3 轮胎使用寿命中滚动阻力的变化343

12.2.4 轮胎设计参数对滚动阻力的影响344

12.2.5 低滚动阻力橡胶混合物的基本知识346

12.2.6 滚动阻力和热力学第一定律348

12.2.7 用有限元分析（FEA）的方法进行滚动阻力及温度的建模350

12.3 轮胎滚动阻力的试验室测试354

12.3.1 试验测量方法354

12.3.2 滚动阻力试验标准的对比357

12.4 轮胎滚动阻力对车辆燃油经济性的影响360

12.4.1 滚动阻力对燃油经济性影响的简单分析360

12.4.2 滚动阻力与燃油经济性的关系363

12.5 参考文献364

第13章 橡胶的磨损和轮胎的磨耗367

13.1 引言367

13.2 滑动磨损367

13.2.1 摩擦系数的载荷相关性367

13.2.2 滑动磨损的压力依赖性369

13.2.3 滑动磨损的能量依赖性370

13.2.4 裂口增长速度与撕裂能的关系370

13.2.5 滑动磨损与温度的关系371

13.2.6 刀片磨损376

13.2.7 污迹的影响以及惰性气体环境的磨损378

13.2.8 影响磨损的基本因素379

13.3 有限滑移下的磨损380

13.3.1 滑移轮上的力380

13.3.2 磨损与侧偏及载荷的函数关系385

13.3.3 速度对于滑移车轮磨耗的影响387

13.3.4 轮胎接触区域内的温度388

13.3.5 磨耗的能量与速度综合特性389

13.4 轮胎磨耗395

13.4.1 可控的侧偏工况下的轮胎磨耗395

13.4.2 道路测试和正常使用中轮胎磨耗的影响因素396

13.4.3 道路磨耗试验仿真398

13.5 实验室道路测试仿真与道路磨耗试验结果的关系402

13.5.1 乘用车轮胎的关系402

13.5.2 卡车胎道路测试等级的关系403

13.5.3 道路磨耗中的能量消耗和滑移速度405

13.6 结论405

13.7 参考文献406

第14章 轮胎性能对车辆操纵稳定性的影响408

14.1 引言408

14.2 转向机构几何分析408

14.3 不足转向和过度转向410

14.4 侧翻415

14.5 结束语417

14.6 参考文献417

14.7 练习题418

第15章 轮胎安全、耐久性和破坏分析介绍419

15.1 引言419

15.2 轮胎安全419

15.2.1 定义419

15.2.2 轮胎使用／维护安全420

15.2.3 车载安全和使用中的轮胎安全420

15.2.4 碰撞数据统计420

15.2.5 轮胎失效和车祸原因421

15.2.6 保修和理赔数据421

15.2.7 个人伤害和财产损害索赔／诉讼数据422

15.2.8 早期警示数据系统422

15.2.9 消费者建议422

15.3 轮胎耐久性的基本因素423

15.3.1 轮胎耐久性的性质423

15.3.2 轮胎耐久性的基本原理423

15.3.3 下沉量423

15.3.4 生热425

15.3.5 速度426

15.3.6 侧向力／转弯428

15.3.7 轮胎结构破坏428

15.4 基本的轮胎失效分析429

15.4.1 常见的使用中的轮胎失效模式429

15.4.2 气压不足／屈挠断裂429

15.4.3 胎面／带束层脱层429

15.4.4 风压损失430

15.4.5 使用中的轮胎失效的常见原因430

15.4.6 下沉过大431

15.4.7 胎体内加压431

15.4.8 割口和刺穿431

15.4.9 返修不当432

15.4.10 冲击／道路危险433

15.4.11 轮胎缺陷434

15.4.12 胎圈断裂／装胎事故435

15.5 参考文献435

第16章 无损检测438

16.1 引言438

16.2 X光检测439

16.3 错位散斑干涉法441

16.4 超声波443

16.5 电涡流444

16.6 总结444

16.7 参考文献445

第17章 轮胎标准及规范446

17.1 轮胎及公路安全446

17.2 联邦机动车辆安全规范448

17.3 轮胎和轮辋的说明及问题451

17.4 统一轮胎质量等级划定453

17.5 首字母缩略词列表455

17.6 参考书目455

17.7 参考文献455

17.8 思考题455

第18章 轮胎材料的回收与再利用457

18.1 引言457

18.2 轮胎翻新458

18.3 轮胎材料的回收458

18.3.1 再生技术458

18.3.2 表面处理459

18.3.3 破碎和粉碎技术459

18.3.4 脱硫技术462

18.4 回收轮胎橡胶的应用466

18.4.1 概要466

18.4.2 在新轮胎中的应用467

18.4.3 橡胶／再生轮胎橡胶的混合胶（并用胶）467

18.4.4 热塑料／再生轮胎橡胶的混合胶468

18.4.5 轮胎橡胶改性混凝土470

18.4.6 轮胎橡胶改性沥青470

18.4.7 轮胎废胶粉在土壤中的应用471

18.4.8 用回收轮胎橡胶制造的产品471

18.5 轮胎的热解和焚化472

18.5.1 碳水化合物（烃类）液体和炭黑的回收472

18.5.2 轮胎-衍生燃料472

18.6 结论472

致谢472

18.7 参考文献473