寬基載重子午線輪胎成型模擬及工藝改進(jìn)

王建偉，姜 震，周海超

（1.晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，山西 晉中 030600；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

《中國制造2025》將節(jié)能環(huán)保作為汽車行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)突破的領(lǐng)域。加之在“一帶一路建設(shè)，交通要先行”的國家戰(zhàn)略下，用于長途運(yùn)輸業(yè)的載重寬基子午線輪胎，以其顯著的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)性等特征，成為傳統(tǒng)輪胎的換代產(chǎn)品，更是世界輪胎發(fā)展的主流產(chǎn)品。與傳統(tǒng)輪胎相比，寬基輪胎的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝發(fā)生了本質(zhì)變化。由于寬基載重輪胎具有較大的胎冠區(qū)域，在成型過程中在外力作用下，輪胎胎冠部分的膠料流動非常大。加之輪胎成型無法可視化膠料流動，長期以來，對于解決胎冠區(qū)域質(zhì)量問題常采用的方法是經(jīng)驗(yàn)法和試錯法，難以高效低成本的開發(fā)新產(chǎn)品，占領(lǐng)市場[1]。輪胎仿真技術(shù)的發(fā)展，使得輪胎成型過程可視化的呈現(xiàn)，為直觀發(fā)現(xiàn)問題并提出問題解決方法提供了可行性。文獻(xiàn)[2]對胎體層和內(nèi)襯層厚度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，一定程度上提高了設(shè)計參數(shù)精度，但該方法不適應(yīng)三角膠、胎肩墊膠等部件設(shè)計。文獻(xiàn)[3]利用有限元仿真模擬了胎面成型過程，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[4]模擬了斜交胎的半成品胎成型過程，并找出了成型過程中可能出現(xiàn)的危險點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]研究了385/55R22.5的成型過程，并與試驗(yàn)取得了較好的一致性。文獻(xiàn)[6]開展了輪胎成型過程的仿真，針對胎冠畸形問題提出了解決措施。綜上所述，國內(nèi)外研究人員對輪胎成型仿真做了初步的探索工作，但輪胎成型工藝參數(shù)眾多，導(dǎo)致產(chǎn)生的問題也是多樣化。為此，基于ABAQUS軟件，著重研究了輪胎成型過程的不同部位膠料流動特性，并針對成品輪胎胎冠厚度過大的問題，進(jìn)行了施工參數(shù)的改進(jìn)，以掌握不同施工參數(shù)對成型過程的影響規(guī)律。

2 材料測試數(shù)據(jù)處理

作為聚合物，橡膠變形時呈現(xiàn)出明顯的超彈性和粘彈性，參與計算前要選取適當(dāng)?shù)牟牧夏Ｐ兔枋銎洳牧蠈傩?。采用電子拉伸試?yàn)機(jī)對膠料進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，根據(jù)膠料單軸拉伸數(shù)據(jù)，擬合其超彈性參數(shù)，擬合結(jié)果中，3階Ogden模型擬合曲線與測試數(shù)據(jù)一致性最好，膠料117的超彈性擬合結(jié)果，如圖1、表1所示。采用美國阿爾法公司的橡膠加工分析儀RPA2000，對輪胎各部件膠料進(jìn)行剪切松弛試驗(yàn)，根據(jù)膠料剪切松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用廣義Prony模型擬合其粘彈性參數(shù)，膠料117的粘彈性擬合結(jié)果，如圖2、表2所示。

表1 膠料117的3階Ogden模型擬合參數(shù)Tab.1 3rd Order Ogden Model Fitting Parameters of Rubber 117

圖2 膠料117粘彈性擬合曲線Fig.2 Viscoelasticity Fitting Curve of Rubber 117

圖1 膠料117超彈性擬合曲線Fig.1 Hyperelastic Fitting Curve of Rubber 117

表2 膠料117的廣義Prony模型擬合參數(shù)Tab.2 Generalized Prony Model Fitting Parameters of Rubber 117

μ1，α1，d1，g1，k1，τ1為材料常數(shù)，可利用 ABAQUS 提供的線性和非線性算法及橡膠材料力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。對于輪胎中橡膠-簾線復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括帶束層、胎體層和鋼絲包布，其基體膠料作為橡膠如上處理，內(nèi)部簾線在仿真時采用rebar模型嵌入到基體橡膠中，簾線材料參數(shù)只需要基本的線彈性參數(shù)即可，無需進(jìn)一步處理。

3 成型仿真過程

輪胎成型過程的模擬參照三鼓式一次成型法的工藝，其成型過程主要包括：成型機(jī)主鼓部件貼合、成型機(jī)輔助鼓部件貼合、半成品胎成型和硫化機(jī)內(nèi)定型4個工藝。具體的成型仿真方法詳見參考文獻(xiàn)[7-8]。在硫化機(jī)內(nèi)定型過程中，考慮到輪胎的花紋區(qū)域不存在材料，會對膠料流動產(chǎn)生一定影響，故分別在有花紋和無花紋兩種情況下進(jìn)行硫化過程仿真，如圖3、圖4所示。

圖3 硫化機(jī)內(nèi)定型（不帶花紋）Fig.3 Shaping in the Vulcanizer（without Pattern）

圖4 硫化機(jī)內(nèi)定型（帶花紋）Fig.4 Shaping in the Vulcanizer（with Pattern）

從圖3和圖4來看，不帶花紋進(jìn)行硫化時，輪胎胎體內(nèi)側(cè)表面比較平滑，帶束層在胎冠部位過度平穩(wěn)；而帶花紋進(jìn)行硫化時，胎體內(nèi)側(cè)在靠近外部的較長一段區(qū)域有明顯凸起，帶束層在花紋溝部位出現(xiàn)了顯著的彎曲變形，該現(xiàn)象會對輪胎胎體簾線力產(chǎn)生一定的影響。通過與實(shí)際產(chǎn)品斷面的對比，發(fā)現(xiàn)帶花紋進(jìn)行硫化后的材料分布性態(tài)和實(shí)際輪胎硫化過程具有很好的一致性，如圖5所示。

圖5 實(shí)際產(chǎn)品斷面圖Fig.5 Actual Tire Sectional Map

兩種硫化情況下帶束層簾線力的表現(xiàn)分別，如圖6、圖7所示。從簾線力來看，不帶花紋的硫化結(jié)果中，簾線力從輪胎中心向兩邊逐漸減小，變化過程中沒有明顯的數(shù)值波動。但帶花紋的硫化結(jié)果中，簾線力總體上符合從中心到兩邊逐漸減小的趨勢，但其數(shù)值變化過程并不平穩(wěn)，在距離中心（95～121）mm的一段區(qū)域內(nèi)，也即花紋溝底附近，簾線力波動尤為明顯，梯度變化較大。有理由懷疑，花紋溝的存在，大大減小了其所在位置處膠料的總厚度，導(dǎo)致花紋溝外側(cè)的膠料幾乎被隔離在有限的空間而難以向別處流動，所以會產(chǎn)生凸起。因此，確定將簾線力總體趨勢變化和數(shù)值波動作為判別成型結(jié)果好壞的標(biāo)準(zhǔn)，若簾線力總體趨勢應(yīng)從中心到兩邊逐漸減小，曲線平滑，數(shù)值波動不大，則說明膠料流動較均勻；反之，則說明膠料流動性不足。

圖6 簾線受力情況（無花紋）Fig.6 Cord Stress Distribution State（without Pattern）

圖7 簾線受力情況（有花紋）Fig.7 Cord Stress Distribution State（with Pattern）

4 成型過程中膠料流動的變化

半成品胎和成品胎在不同位置的厚度選擇線，如圖8、圖9所示。其具體對比結(jié)果，如表3所示。由表3可知，在胎圈部位A和胎面部位D兩個區(qū)域內(nèi)，膠料厚度變化最大，約5mm，這主要因?yàn)樵贏和D區(qū)域是多種橡膠部件的搭接部位，致使該部位會存在較多的縫隙，在機(jī)內(nèi)硫化定型時，該部位的膠料會更易流動。在胎面中心部位E處變化次之，約2.5mm左右，而在胎側(cè)部位B、E兩處膠料厚度變化相對較小?？傊?，成品胎的厚度相對半成品胎明顯變薄。

表3 半成品胎與成品胎不同位置的厚度變化Tab.3 Thickness Variation of Semi-Finished Tire and Finished Tire at Different Positions

圖8 半成品胎Fig.8 Semi-Finished Tire

圖9 成品胎Fig.9 Finished Tire

半成品胎在成型過程中胎面貼合后與反包后胎面最高頂點(diǎn)位置的變化，如圖10所示。胎面貼合后與反包后胎面最高頂點(diǎn)位置的具體變化數(shù)據(jù)，如表4所示。由表4可知，在成型過程中，胎面主要在X方向持續(xù)減小，而在Y方向則持續(xù)增大；而在定型后，胎面頂點(diǎn)在X方向上進(jìn)一步被壓縮，而在Y方向上，胎面頂點(diǎn)在Y方向出現(xiàn)增大。這說明胎面膠在機(jī)內(nèi)定型時會出現(xiàn)顯著的膠料流動，通過對胎面最高點(diǎn)位置的變化，反映出胎面厚度的變化，這對胎面橡膠的擠出工藝改善具有一定的指導(dǎo)作用。

圖10 貼合后和反包后的最高頂點(diǎn)位置的變化Fig.10 Changes in the Vertex Position after Fitting and Wrapping

表4 胎面貼合后與反包后胎面最高頂點(diǎn)位置的變化Tab.4 Changes in the Vertex Position after Fitting and Wrapping

5 成型工藝參數(shù)改進(jìn)

為了解決輪胎的胎冠內(nèi)側(cè)凸起的問題，如圖5所示。提出了胎面減薄和改變半成品胎超定型位置的解決方案，從而為掌握相關(guān)施工設(shè)計參數(shù)對成型過程及質(zhì)量的影響規(guī)律，為優(yōu)化成型工藝參數(shù)奠定技術(shù)指導(dǎo)。

5.1 減薄胎面膠外側(cè)膠料的厚度

胎面膠料去除方式，如圖11所示。以這樣的胎面形狀重新模擬輪胎成型過程。以修改過的胎面形狀仿真得到的成品胎形狀，如圖12所示。胎面外側(cè)減薄后，帶束層內(nèi)部簾線力分布，如圖13所示。簾線力分布較為均勻，與修改胎面形狀前（圖6）相比，簾線力最大值幾乎沒有明顯變化，而其分布情況略有不同，具體體現(xiàn)在，胎面形狀改變后，帶束層外側(cè)擴(kuò)張量變大，所以其內(nèi)部簾線力并沒有隨位置變化而迅速減小，而是在比較寬的范圍內(nèi)一直保持較大的簾線力。而與修改胎面形狀前材料分布（圖6）相比，材料分布圖中，胎面部分變化明顯，整體厚度顯得更加均勻，所以這種方法一定意義上有助于解決膠料流動性不足的問題，如圖12所示。

圖11 胎面部分膠料去除方式Fig.11 Tread Rubber Removal Method

圖12 修改胎面形狀后輪胎最終材料分布Fig.12 Final Material Distribution of the Tire After Modifying the Tread Shape

圖13 修改胎面形狀后簾線受力情況Fig.13 Cord Stress Distribution After Modifying the Tread Shape

5.2 半成品胎成型時超定型位置對輪胎成型的影響

超定型位置的改變后不同的成型結(jié)果，成型結(jié)果分別如圖14（a）、圖 14（b）、圖 14（c）所示。超定型尺寸原始 253mm，圖 14（a）減小 10mm，圖14（c）增加 10mm。

改變超定型的位置后，輪胎內(nèi)側(cè)厚度發(fā)生了明顯的變化，圖14（a）所示超定型位置減小時，輪胎內(nèi)側(cè)厚度相對正常超定型位置時增加，如圖14（c）所示超定型位置增加時的輪胎內(nèi)測厚度相對正常超定型位置時減小。同一位置的尺寸對比，如表5所示。從表5可知，隨著超定型位置的增加，胎面厚度會在一定程度上變薄。與之前正常超定型位置相比，圖3材料分布圖中，胎面部分變化明顯，適當(dāng)改變超定型位置能夠使胎面膠料更加均勻，所以這種方法一定意義上有助于解決膠料流動性不足的問題。不同超定型位置時，帶束層內(nèi)部簾線力分布，如圖15所示。減小超定型位置雖然使得在胎冠區(qū)域簾線力梯度變化降低，但也會導(dǎo)致個別帶束層受力發(fā)生異常波動；超定型位置增加會使胎冠區(qū)域簾線力梯度呈現(xiàn)一致性的降低，整體相對較為均勻。結(jié)合胎面厚度的變化，適當(dāng)增加超定型位置是有助于降低胎面厚度。

表5 不同超定型位置胎面厚度變化Tab.5 Tread Thickness Variation at Different Over-Set Locations

圖14 超定型位置的改變對輪胎成型結(jié)果的影響Fig.14 Effect of Over-Set PositionVariation on Tire Building Results

圖15 超定型位置的改變對簾線力梯度的影響Fig.15 Effect of Over-Set Position Variation on Cord Force Gradient

6 結(jié)論

（1）通過對輪胎橡膠膠料的測試，獲得了構(gòu)建橡膠本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，開展了寬基輪胎445/65R22.5 RLB900成型過程仿真，分析了成型過程中橡膠部件膠料流動特性，發(fā)現(xiàn)在胎冠區(qū)域和胎圈區(qū)域膠料流動性最大，而胎側(cè)區(qū)域膠料流動性最小。（2）針對輪胎硫化定型后胎冠區(qū)域材料分布出現(xiàn)局部凸起的問題，提出了減薄胎面外側(cè)膠料厚度后來解決輪胎內(nèi)側(cè)凸起問題；分析了超定型位置對輪胎成型過程中胎體簾線力梯度的影響，提出了適當(dāng)?shù)脑黾映ㄐ臀恢糜欣诮鉀Q膠料流動性不足的問題，降低胎面厚度，消除局部凸起問題。