王曜輝 楊衛(wèi)民* 安 瑛 張金云 譚 晶

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029； 2.三角輪胎股份有限公司, 威海 264200)

引 言

隨著汽車保有量的快速增長，汽車行駛速度加快，由輪胎問題造成的事故急劇上升。作為汽車與地面接觸的唯一部件，輪胎性能直接影響汽車的操縱性、安全性和節(jié)能性[1]，突破輪胎制造瓶頸可以大幅提高汽車的性能。

針對(duì)采用膠囊硫化的傳統(tǒng)硫化機(jī)中膠囊導(dǎo)熱性差、成品輪胎精度低等問題，北京化工大學(xué)聯(lián)合三角輪胎公司研發(fā)了金屬高剛性內(nèi)模直壓硫化技術(shù)，采用金屬脹縮內(nèi)模替代膠囊，采用電磁加熱替代蒸汽加熱。直壓硫化技術(shù)具有成品輪胎精度高、能耗低、硫化效率高等諸多優(yōu)勢[2]，然而現(xiàn)有的常規(guī)直壓硫化裝備受內(nèi)部收縮空間的限制，適用范圍小，已有的設(shè)備只適用于255/30R22的輪胎；而且，在模具設(shè)計(jì)過程中某些尺寸參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值，未達(dá)到最優(yōu)解。李尚帥等[3]在前期研究基礎(chǔ)上對(duì)205/40R17的輪胎進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，但在解決干涉問題時(shí)步驟比較復(fù)雜：由于缺乏一般性設(shè)計(jì)方法，選取的內(nèi)模參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，無法在模具設(shè)計(jì)之前確定是否發(fā)生干涉，需要對(duì)易干涉區(qū)域進(jìn)行計(jì)算校核，若發(fā)生干涉，則需要修改內(nèi)模參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)以上問題，本文在直壓硫化內(nèi)模適用范圍研究基礎(chǔ)上，總結(jié)出計(jì)算最優(yōu)參數(shù)的方法，改進(jìn)了內(nèi)模結(jié)構(gòu)形式，選擇輪輞直徑18英寸(457.2 mm)、扁平率45%的235/45R18規(guī)格的輪胎進(jìn)行階梯式直壓硫化內(nèi)模設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核，將適用范圍從扁平率30%提高到45%。

1 階梯式直壓硫化內(nèi)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 模具結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)

本文研究對(duì)象為235/45R18規(guī)格輪胎，其斷面寬A=235 mm，扁平率B=45%，輪輞直徑C=18英寸(457.2 mm)。設(shè)定胎面厚度d=25 mm，根據(jù)公式(1)計(jì)算輪胎所需要的內(nèi)模脹縮比λ，得到輪胎所需內(nèi)模的脹縮比為1.35。

(1)

張金云等[4]研發(fā)了255/30R22規(guī)格輪胎的直壓硫化同步脹縮內(nèi)模，其寬窄鼓瓦在活塞桿的驅(qū)動(dòng)下徑向同步膨脹收縮，完成內(nèi)模脹縮過程；計(jì)算得到常規(guī)內(nèi)模脹縮比最大值為1.32，小于235/45R18規(guī)格輪胎的1.35，表明該結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生干涉。本文對(duì)金屬內(nèi)模結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出階梯式脹縮結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。階梯式直壓硫化內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的工作原理是：活塞外桿驅(qū)動(dòng)窄瓦收縮并軸向上移讓出收縮空間，然后活塞內(nèi)桿驅(qū)動(dòng)寬瓦收縮，窄瓦和寬瓦異步收縮，分別在活塞外桿和活塞內(nèi)桿控制下完成整個(gè)收縮過程，同時(shí)內(nèi)模利用軸向空間彌補(bǔ)徑向空間的不足。這種脹縮方式稱為階梯式脹縮。

圖1 階梯式直壓硫化內(nèi)模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of the stepped direct-pressure vulcanization mould

1.2 模具結(jié)構(gòu)參數(shù)定義

圖2是根據(jù)階梯式直壓硫化模具建立的鼓瓦脹縮示意圖。對(duì)模型的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)定義如下：膨脹半徑R1為膨脹極限位置模具的半徑，也是輪胎的內(nèi)表面半徑；收縮外徑r1為收縮極限位置模具外接圓的半徑，也是輪胎輪輞半徑；收縮內(nèi)徑r2為收縮極限位置寬鼓瓦內(nèi)圓弧瓦尖內(nèi)接圓的半徑；寬瓦分瓦角θ1為每個(gè)寬瓦分配的圓心角；窄瓦分瓦角θ2為每個(gè)窄瓦分配的圓心角；儲(chǔ)瓦角θ3為內(nèi)部儲(chǔ)存收縮鼓瓦的每個(gè)扇形對(duì)應(yīng)的圓心角；鼓瓦數(shù)z為鼓瓦數(shù)量總和；切瓦角θ為寬鼓瓦兩個(gè)側(cè)面的夾角。

圖2 鼓瓦脹縮示意圖Fig.2 Diagram of the drum expansion and contraction

為了使鼓瓦能夠順利收縮不發(fā)生干涉，需建立約束方程。

寬鼓瓦不干涉方程

(2)

窄鼓瓦不干涉方程

(3)

通過計(jì)算得到鼓瓦數(shù)最佳取值范圍是12～20。

2 階梯式直壓硫化內(nèi)模設(shè)計(jì)

2.1 模具結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

圖3 單個(gè)鼓瓦極限位置示意圖Fig.3 Diagram of the mould at the limit position of a single drum

利用公式(4)、(5)計(jì)算鼓瓦徑向位移

(4)

(5)

得到寬瓦位移H1=84.42 mm，窄瓦位移H2=81.83 mm。

根據(jù)內(nèi)模實(shí)際收縮步驟設(shè)置活塞桿行程h：窄瓦收縮，活塞外桿h1上升150 mm；窄瓦上升，活塞外桿h2繼續(xù)上升260 mm(大于等于鼓瓦斷面寬度)；寬瓦收縮，活塞內(nèi)桿h3上升150 mm，活塞外桿h4同時(shí)上升100 mm，以避免與寬瓦楔塊相撞。由公式(6)、(7)計(jì)算寬瓦楔塊傾角α和窄瓦楔塊傾角β(圖4)，得到α=60.63°，β=61.39°。

(6)

(7)

為了確保鼓瓦收縮時(shí)不會(huì)相互卡住，需設(shè)定寬鼓瓦兩個(gè)側(cè)面的夾角切瓦角，兩相鄰鼓瓦接觸的側(cè)面形成斜面(圖5(a))；若取切瓦角與儲(chǔ)瓦角相等，則窄瓦兩個(gè)側(cè)面平行(圖5(b))，窄瓦徑向收縮時(shí)相接觸的兩個(gè)側(cè)面仍會(huì)產(chǎn)生摩擦,所以取θ=θ3+1°=46°。通過以上參數(shù)計(jì)算確定內(nèi)模各零件尺寸，即完成了階梯式直壓硫化內(nèi)模設(shè)計(jì)。

圖4 階梯式模具楔塊傾角Fig.4 Wedge angle of the stepped direct-pressure vulcanization mould

圖5 相鄰鼓瓦干涉分析圖Fig.5 Interference analysis diagram of the adjacent drum

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真干涉檢查

利用UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)建立的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢查直壓硫化模具是否能夠順利地膨脹與收縮。對(duì)裝配模型指定的連桿和運(yùn)動(dòng)副設(shè)定各零件相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過STEP函數(shù)對(duì)活塞內(nèi)桿和外桿分別施加驅(qū)動(dòng)。表1為內(nèi)模脹縮步驟，圖6為膨脹和收縮極限位置內(nèi)模示意圖。結(jié)果表明未發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，設(shè)計(jì)合理。

表1 內(nèi)模脹縮步驟

圖6 膨脹和收縮極限位置內(nèi)模示意圖Fig.6 Diagram of the mould at the limit position of expansion and contraction

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析校核

在直壓硫化內(nèi)模工作過程中，硫化時(shí)所受外力最大。因硫化需要較大的硫化工藝壓力，輪胎硫化機(jī)的外模具和直壓硫化內(nèi)模都需要鎖模保壓以避免出現(xiàn)氣泡，此時(shí)內(nèi)模要承受較大的鎖模力，各零件也會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。若產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料許用應(yīng)力，零件將發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致內(nèi)模精度降低，影響成品輪胎的質(zhì)量，而且會(huì)造成機(jī)構(gòu)運(yùn)行障礙。因此需要對(duì)硫化狀態(tài)的內(nèi)模具進(jìn)行強(qiáng)度校核，本文通過有限元力學(xué)模擬完成內(nèi)模具的強(qiáng)度校核。

3.1 有限元分析

直壓硫化內(nèi)模具零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以通過普通材料力學(xué)計(jì)算校核強(qiáng)度，因此采用ABAQUS有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核。由于復(fù)雜模型難以劃分優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格，且計(jì)算量大，計(jì)算結(jié)果不易收斂，因此在考慮實(shí)際情況的同時(shí)，對(duì)內(nèi)模具的三維模型和受力情況作如下簡化：

(1)由于內(nèi)模具有結(jié)構(gòu)、約束、載荷的對(duì)稱性，取其中一組窄瓦和寬瓦單元進(jìn)行有限元分析；

(2)假設(shè)輪胎膠料對(duì)鼓瓦的作用力均勻分布，將作用在鼓瓦的鎖模力等效換算至鼓瓦支架上的均布?jí)毫Γ?/p>

(3)因鼓瓦支架、楔形塊等零件上的螺紋孔和倒角等非關(guān)鍵性部件的特征尺寸相對(duì)于整體尺寸很小，對(duì)求解結(jié)果的影響不大，因此簡化非關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)。

內(nèi)模楔塊、鼓瓦支架、底板限位盤等模具主體的材料為40Cr，零件相互接觸滑動(dòng)的T型滑塊及滑軌材料為耐磨性較好的鈹青銅?？紤]到模型簡化需要，取安全系數(shù)為1.3。材料參數(shù)如表2所示。

表2 部件材料參數(shù)

3.2 分析步和相互作用設(shè)定

模具硫化時(shí)鼓瓦的有限元力學(xué)模擬為常規(guī)靜力學(xué)問題。因鼓瓦支架和T型滑塊、楔塊與T型滑軌之間為螺紋連接，設(shè)置二者的接觸為綁定約束(Tie)；T型滑塊與滑軌以及底板限位盤與T型滑塊之間的接觸設(shè)為面面接觸(surface to surface contact)，摩擦系數(shù)為0.2。

3.3 施加邊界條件和載荷

圖7所示為內(nèi)模邊界條件與載荷的施加情況。在硫化過程中底板限位盤安裝在硫化機(jī)上，楔塊頂部受端蓋約束，自由度均為0，因此對(duì)底板限位盤底面及楔塊與端蓋的接觸面均施加邊界條件為全約束。

圖7 內(nèi)模邊界條件與載荷Fig.7 Boundary conditions and loads of the mould

由于膠囊的氮?dú)?蒸汽硫化工藝比較成熟，直壓硫化工藝的硫化溫度和硫化壓力參考膠囊的氮?dú)?蒸汽硫化工藝設(shè)定[5]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得硫化時(shí)膠料的壓力為3.2 MPa，以此作為鼓瓦受到的均布載荷，將鼓瓦受到的壓力等效換算成鎖模力并施加到鼓瓦支架上，求得窄瓦支架上的均布載荷P1為12.6 MPa，寬瓦支架上的均布載荷P2為18.8 MPa。

3.4 結(jié)果后處理及分析

由圖8(a)所示的模具整體應(yīng)力分布云圖可以看出，模具最大應(yīng)力為628.2 MPa，介于40Cr和鈹青銅的許用應(yīng)力之間；進(jìn)一步分析寬瓦楔塊及支架和窄瓦楔塊及支架應(yīng)力分布(圖8(b)、(c))，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力在寬鼓瓦支架與楔塊之間的T型滑塊上(T型滑塊材料為鈹青銅)；從圖8(d)可以看出，最大應(yīng)力為628.2 MPa，低于鈹青銅的許用應(yīng)力796 MPa，所以滿足強(qiáng)度要求；其他零件產(chǎn)生的應(yīng)力也均小于許用應(yīng)力。因此階梯式直壓硫化內(nèi)模整體均滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

(1)提出階梯式輪胎直壓硫化內(nèi)模具設(shè)計(jì)方案，利用軸向空間彌補(bǔ)徑向空間的不足；針對(duì)235/45R18規(guī)格的輪胎進(jìn)行直壓硫化內(nèi)模具設(shè)計(jì)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真檢查干涉，確認(rèn)內(nèi)模正常工作無干涉。

圖8 模具應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution diagram of the mould

(2)對(duì)硫化狀態(tài)下的階梯式直壓硫化內(nèi)模具進(jìn)行有限元力學(xué)仿真強(qiáng)度校核后，各部件應(yīng)力均低于許用應(yīng)力，表明模具整體達(dá)到強(qiáng)度要求。