毛渴新，胡海明

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)出行工具(比如汽車)的舒適度提出了越來(lái)越高的要求。輪胎作為車輛的關(guān)鍵部件，直接和地面接觸，因而輪胎的質(zhì)量將直接影響汽車行駛的安全性和穩(wěn)定性。由于輪胎在輪胎模具中硫化成型，因此輪胎在硫化過程中的溫度分布影響著輪胎的最終性能。

國(guó)內(nèi)外專家對(duì)輪胎硫化的溫度場(chǎng)等相關(guān)問題進(jìn)行了研究，王偉等[1]通過建立二維輪胎硫化模型，探討了蒸汽和過熱水溫度、硫化時(shí)間對(duì)硫化程度的影響；王月[2]研究了輪胎硫化模型中有無(wú)花紋溝對(duì)輪胎硫化過程溫度場(chǎng)的影響，研究結(jié)果表明花紋溝在建模時(shí)不應(yīng)被忽略；曾釗等[3]通過建立三維輪胎硫化有限元模型，研究初始硫化溫度對(duì)輪胎硫化溫度場(chǎng)的影響；粟本龍[4]建立帶有膠囊和模具的三維輪胎硫化模型，對(duì)巨型輪胎的硫化過程進(jìn)行了仿真分析 ，但在建模時(shí)未考慮模具部件的接觸熱阻，只是將多個(gè)模具部件視為一體；Pandya等[5]利用湍流SSTk-ω模型對(duì)輪胎內(nèi)部的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用共軛傳熱法估算了上下點(diǎn)的溫度。上述文獻(xiàn)對(duì)輪胎硫化的溫度場(chǎng)等問題進(jìn)行了不同方面的研究，但也有不足之處，大多數(shù)研究考慮的因素較少，比如沒有考慮花紋對(duì)胎冠和胎肩部位的影響。鑒于上述問題，為了能夠?qū)喬チ蚧^程中的溫度變化進(jìn)行更加有效的研究，讓仿真結(jié)果更符合實(shí)際，本文利用UG建立12.00R20全鋼輪胎三維有限元實(shí)體模型(包括鋼模、輪胎和膠囊三部分)，使用ABAQUS對(duì)帶有復(fù)雜花紋的輪胎與光胎模型進(jìn)行硫化和自然冷卻過程中的溫度場(chǎng)仿真。

1 輪胎硫化傳熱理論

輪胎是一種變厚度橡膠制品，橡膠材料又是熱的不良導(dǎo)體，橡膠制品內(nèi)部的硫化實(shí)際上是不等溫硫化，在任意特定時(shí)刻，橡膠制品內(nèi)部都存在溫度分布曲線。如果能夠獲得整個(gè)過程中輪胎內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，就可以正確調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

在硫化時(shí)，輪胎的外表面與金屬模具接觸，內(nèi)表面與膠囊接觸。輪胎內(nèi)熱量的傳遞方式主要是熱傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致硫化過程中輪胎內(nèi)部形成的溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生溫度梯度。輪胎硫化一般可分為硫化升溫與自然冷卻兩個(gè)階段[6]。圖1所示為大致的輪胎硫化溫度歷程圖，輪胎硫化溫度實(shí)際上的變化可能會(huì)有所差異。

圖1 輪胎硫化溫度歷程圖

2 輪胎材料模型圖

本文以全鋼子午線輪胎12.00R20為研究對(duì)象，建立輪胎有限元模型，研究光胎胎面與復(fù)雜花紋輪胎的硫化溫度場(chǎng)變化規(guī)律。輪胎斷面輪廓及材料分布如圖2所示，輪胎胎面花紋如圖3所示。

圖2 輪胎斷面輪廓及材料分布圖

圖3 輪胎胎面花紋圖

在研究過程中采用 UG 建立帶有花紋輪胎的三維模型，建模時(shí)應(yīng)忽略花紋的倒角、倒圓，便于在ABAQUS中劃分網(wǎng)格。在處理輪胎模型時(shí)，通常要簡(jiǎn)化輪胎材料組成，本文利用復(fù)合原理將除鋼圈外的各種膠料統(tǒng)稱為輪胎膠料。輪胎各種材料的熱力學(xué)參數(shù)[7]見表1。

表1 輪胎材料熱力學(xué)參數(shù)性能表

3 輪胎硫化有限元模型

本文以12.00R20全鋼輪胎為例，建立輪胎三維有限元模型，對(duì)硫化過程進(jìn)行兩次模擬，一次使用光胎模型，另一次使用復(fù)雜花紋模型，分別得到模擬的溫度場(chǎng)。輪胎硫化的三維模型如圖4所示，基于對(duì)稱性原理，分析時(shí)只選擇模型的1/10作為研究對(duì)象。模型包括輪胎模具(上下熱板、中模套和花紋塊等)、輪胎和膠囊三大部分。輪胎模具各部件的熱力學(xué)參數(shù)見表2[8]。

圖4 帶有復(fù)雜花紋的輪胎硫化的三維模型圖

表2 輪胎模具各部件熱力學(xué)參數(shù)性能表

邊界條件及硫化工藝參數(shù)：硫化模具初始溫度為120 ℃、輪胎溫度為30 ℃、膠囊溫度為80 ℃。設(shè)置輪胎硫化加熱時(shí)間為2 400 s，自然冷卻時(shí)間為300 s，方式為對(duì)流換熱與輻射，輻射因子ε1取0.94。

硫化過程中輪胎模具的上蓋與底座分別與硫化機(jī)的上下熱板相接觸，溫度為150 ℃，中模套中通入過熱蒸汽，溫度為160 ℃，膠囊內(nèi)表面溫度為170 ℃。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 溫度場(chǎng)分析

模擬分為硫化升溫與自然冷卻兩個(gè)階段。圖5給出的分別為光胎模型與帶復(fù)雜花紋輪胎模型在硫化加熱過程中的溫度變化云圖。從圖5可以看出，在輪胎硫化過程中，胎肩、胎面、胎圈升溫緩慢。通過對(duì)比光胎模型與帶復(fù)雜花紋輪胎溫度場(chǎng)變化云圖，可以發(fā)現(xiàn)輪胎在300 s、1 000 s、2 400 s時(shí)的溫度，帶復(fù)雜花紋的輪胎最低溫度相比光胎模型分別高了1.07 ℃、2.00 ℃和3.31 ℃，且?guī)?fù)雜花紋的輪胎模型整體升溫更快。從圖5中還可以看出：帶花紋的輪胎在硫化1 000 s時(shí)，靠近胎肩花紋的胎肩膠料和胎面膠料的溫度就高達(dá)120 ℃,基本都處于硫化狀態(tài),而光胎模型胎肩膠料和胎面膠料溫度不到100 ℃，還沒有開始硫化。這說(shuō)明輪胎硫化時(shí)未考慮花紋的影響，會(huì)使模擬結(jié)果與實(shí)際情況有較大出入。

圖5 硫化過程中輪胎的溫度場(chǎng)變化云圖

圖6給出的是輪胎散熱300 s后兩種模型的溫度場(chǎng)分布云圖。從圖6中可以看出經(jīng)過300 s的冷卻時(shí)間后，光胎模型最低溫度為56.61 ℃，帶有復(fù)雜花紋的輪胎最低溫度為44.73 ℃，與光胎模型相比，帶有復(fù)雜花紋的輪胎最低溫度降低了11.88 ℃。帶有復(fù)雜花紋的輪胎模型靠近胎肩花紋和縱溝處膠料溫度已降到90 ℃,而光胎模型整個(gè)胎肩和胎面的膠料溫度仍有120 ℃，兩種輪胎模型胎肩和胎面處的溫差很大。通過對(duì)比剛出模時(shí)的輪胎溫度，可知復(fù)雜花紋輪胎模型相比光胎模型的模擬結(jié)果降溫速度更快。圖7所示為輪胎散熱中花紋的溫度云圖，從云圖中可以看出花紋溝溝底的溫度高于花紋溝側(cè)壁的溫度,這是由于花紋溝寬度較窄且花紋溝較深，熱量不容易散發(fā)出來(lái)。

圖6 散熱300 s后的輪胎溫度分布云圖

圖7 散熱中花紋溫度分布云圖

4.2 取樣點(diǎn)溫度分析

為了更準(zhǔn)確地了解硫化過程中輪胎的溫度場(chǎng)變化情況，取輪胎上的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，特征點(diǎn)的位置[9]如圖8所示。

圖8 輪胎位置選取點(diǎn)示意圖

圖9給出了輪胎選取點(diǎn)的溫度-時(shí)間變化曲線。從圖9中可以看出：胎側(cè)部位較薄，因此升溫較快，最先進(jìn)入硫化狀態(tài)，降溫也快；胎肩和胎面部位因?yàn)檩^厚所以升溫慢，滯后硫化時(shí)間明顯，且降溫也慢。輪胎的胎圈、胎側(cè)和三角膠等部位，考慮輪胎復(fù)雜花紋的模型與光胎模型的點(diǎn)溫度曲線變化趨勢(shì)是一致的，說(shuō)明是否考慮輪胎的復(fù)雜花紋，對(duì)這些區(qū)域的溫度分布影響不大。而輪胎的胎肩與胎面部位，升溫和降溫都快，考慮輪胎復(fù)雜花紋的模型與光胎模型相比，溫度相差明顯，說(shuō)明在模擬分析過程中，是否考慮輪胎的復(fù)雜花紋，對(duì)這些部位的溫度場(chǎng)與硫化程度分析結(jié)果影響較大。

圖9 輪胎選取點(diǎn)的溫度-時(shí)間變化曲線

此外從圖9中還可以看出，降溫300 s后，輪胎胎肩、胎面和三角膠部位的溫度仍高達(dá)120 ℃。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，一般天然橡膠和通用合成橡膠的硫化溫度為120 ℃～190 ℃，說(shuō)明輪胎這些部位的硫化反應(yīng)仍然在進(jìn)行，這就是輪胎的后硫化過程。因此，在制定硫化工藝時(shí)必須考慮后硫化效應(yīng)的影響，充分利用后硫化效應(yīng)來(lái)縮短硫化時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

輪胎花紋的設(shè)計(jì)質(zhì)量是評(píng)價(jià)輪胎性能好壞的重要參數(shù)。由于花紋建模的復(fù)雜性，使得絕大多數(shù)研究者在研究輪胎硫化時(shí)采用了不帶花紋的簡(jiǎn)化模型，這會(huì)使輪胎硫化的仿真結(jié)果與實(shí)際情況嚴(yán)重不符，影響對(duì)輪胎硫化性能的判斷。為了使輪胎硫化仿真性能結(jié)果更能貼合實(shí)際，還需要對(duì)不同形狀、深度的花紋輪胎進(jìn)行硫化仿真。