基于平板硫化機的摩托車胎活絡模具設計

武凱迪，胡海明

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

0 引 言

目前摩托車車胎多為斜交胎，通過模具硫化成型。隨著越來越多高端摩托車的出現，對摩托車車胎的性能要求也越來越高。而子午線輪胎具有行駛穩(wěn)定性好、噪音小、牽引力和剎車性能好等優(yōu)勢，配備子午線輪胎的摩托車胎操控性能好。以下設計的活絡模具可以避免開模時對輪胎簾線角度以及間距的破壞，保證輪胎的質量性能。由于摩托車車胎具有斷面窄、硫化定型壓力小及所用的模具尺寸小等特點，設計的模具使用平板硫化機硫化成型。

1 模具結構設計

1.1 模具總體設計

設計的摩托車車胎模具為順序開模，導向形式為圓錐面導向。模具結構由楔緊塊、導向條、花紋塊、T形塊、上側板、上蓋、上蓋板、順序拉桿限位裝置、順序拉桿、底座、定距拉桿組成，其中上蓋與上側板由螺釘連接，楔緊塊為單塊結構并嵌入到上蓋板中定位，楔緊塊數量與花紋塊相同，兩者通過導向條配合完成模具的開合模動作。順序拉桿固定在底座上，順序拉桿限位裝置中的彈簧在順序拉桿的半圓槽中壓緊彈簧銷。定距拉桿穿過上蓋固定在上蓋板上，T形塊在上蓋的T形塊槽內并通過螺釘連接安裝在花紋塊的上方。模具總體結構如圖1所示。

圖1 模具總體結構

1.2 模具工作過程

硫化機的上加熱板與模具的上蓋板連接，下加熱板與模具的底座連接。開模時，硫化機下加熱板向下移動，此時由于順序拉桿及順序拉桿限位裝置的作用，上蓋、上側板、花紋塊和底座均向下移動，當運動到上蓋底面與定距拉桿的臺階面接觸位置時，由于定距拉桿固定在上蓋板上，定距拉桿對上蓋起限位作用。在上蓋、上側板、花紋塊和底座運動的過程中，花紋塊沿著導向條斜向移動并產生徑向位移，使花紋塊脫離摩托車車胎，此時完成一次開模動作。上述過程中，花紋塊的徑向位移、花紋塊在導向條上的斜向移動距離及上蓋向下移動的距離，三者之間呈三角函數關系。之后硫化機下熱板繼續(xù)向下運動，順序拉桿強制順序拉桿限位裝置中的彈簧銷向外移動并脫離順序拉桿，完成二次開模。

合模時，硫化機下加熱板帶動底座向上移動，當底座上耐磨板表面與花紋塊表面接觸時，推動花紋塊向上移動，此時在花紋塊與楔緊塊之間導向條的作用下，花紋塊、上蓋及上側板協同向上運動，同時花紋塊也向里收緊，當上蓋的上表面接觸到上蓋板下表面時，順序拉桿限位裝置中的彈簧銷回到順序拉桿的半圓槽中，此時模具恢復到初始狀態(tài)。

1.3 模具徑向開模行程

模具徑向開模行程根據花紋塊的徑向開模行程確定，模具在開模時花紋塊首先徑向移動，使花紋塊里的花紋筋完全抽出輪胎胎面并保持一定的距離，以保證輪胎脫模時花紋塊與輪胎不干涉。目前，輪胎模具徑向開模行程由經驗公式確定[1]，花紋塊徑向移動行程如圖2所示。

圖2 花紋塊徑向移動行程

模具徑向開模行程經驗公式：

式中：r1——輪胎胎頂半徑，mm；r2——花紋塊與上側板接觸處半徑，mm；L——模具徑向開模行程，mm；D——花紋塊與上側板接觸處距離輪胎胎頂的距離；mm。

當花紋塊里的花紋筋完全抽出輪胎胎面時，此距離為花紋塊恰好脫離摩托車胎的最小距離N。最小徑向開模行程如圖3所示。

圖3 模具最小徑向開模行程

經計算可得模具最小徑向開模行程：

式中：n——花紋塊個數；N——模具最小徑向開模行程，mm。

設計的摩托車胎活絡模具花紋塊個數n=6，根據公式（2）計算，可得模具開模時的徑向移動距離N=34.1 mm，設計時可取N=35 mm。

1.4 上蓋開模行程

在模具開模行程中，模具最小徑向開模行程、花紋塊在導向條上的斜向移動距離、上蓋向下移動的距離，三者之間呈三角函數關系，如圖4所示，其中，N為模具最小徑向開模行程，mm；M為上蓋開模行程，mm；Z為花紋塊在導向條上的斜向移動距離，mm；θ為楔緊塊導向角度數，（°）。

圖4 三者關系

由公式（2）計算得到花紋塊最小徑向移動距離N=35mm，楔緊塊導向角取15°，由正切函數可得上蓋開模行程M=127.3 mm，設計時可取M=128 mm。

2 楔緊塊設計

目前常用的子午線活絡模具按導向方式分為斜平面活絡模具和圓錐面活絡模具，此處采用圓錐面導向形式。楔緊塊內錐面的角度一般為10°～30°，與其配合的花紋塊后背面的外錐面與楔緊塊內錐面角度一致，能夠相互配合實現花紋塊的徑向移動，完成模具的開模與合模。為使模具工作狀態(tài)保持成型輪胎的溫度要求，楔緊塊工作時需要通電，因此楔緊塊的背面應設有電加熱通道。

在設計楔緊塊時，可將其設計成組合形式，如圖5所示，組合式的楔緊塊為單塊，一共分為6塊，每塊48°，其中外徑為φ1 054 mm，上端面厚為143 mm，下端面厚為95 mm，導向角為15°，通過螺釘與上蓋板連接。

圖5 楔緊塊模型

3 楔緊塊受力分析及計算

3.1 楔緊塊受力分析

輪胎硫化過程中楔緊塊主要承受硫化機經上蓋板傳遞的合模力F合模力、楔緊塊內表面所受的正壓力F1、楔緊塊與花紋塊接觸面的摩擦力Ff及上蓋對楔緊塊的約束力F2。楔緊塊受力模型如圖6所示。

圖6 楔緊塊受力模型

3.2 硫化機額定合模力計算

合模力是指在硫化時硫化機施加于模具上的最大夾緊力，在此力作用下，克服成型膠囊的壓力，使模具不被頂開，是一個重要參數。在實際生產加工工況下，由于設備控制能力有限，在合模力加載的過程中不能實現自動控制，通常在模具工作開始就施加滿足成型的最大合模力[2]。合模力計算公式為[3]：

式中：Fn——硫化機合模力，kN；d——花紋塊內表面最大直徑，mm；hd——花紋塊內表面高度差，mm；p——膠囊內部壓力，MPa。

由式（3）計算可得硫化機的合模力為342 kN，考慮硫化過程中要充分保證模具閉合，合模力Fn的取值應大于理論計算數值，通常情況下，合模力Fn取1.05～1.15倍的理論計算數值，此處所取合模力Fn為1.15倍的理論計算數值，Fn=393 kN，可取整為400 kN。

3.3 楔緊塊剛度計算

為保證模具的正常使用，模具中的每個部件都應有足夠能力承受規(guī)定的載荷，模具在工作時，楔緊塊不允許出現超過極限限度的彈性變形，所以在設計時楔緊塊的剛度要滿足需求，楔緊塊剛度計算公式為[4]：

式中：c——楔緊塊受力中心點處的厚度，mm；p——楔緊塊內表面正壓力，MPa；l——楔緊塊內表面承受正壓力處高度，mm；E——彈性模量，MPa；B——楔緊塊寬度，mm；[δ]——楔緊塊彈性變形量，取0.02 mm。

由公式（4）計算可得，c≥85 mm，設計的楔緊塊中心點處的厚度為118 mm，滿足楔緊塊剛度計算公式。

4 結束語

設計了用于平板硫化機摩托車車胎的活絡模具，解決了當前兩半模具在開模時對子午胎鋼絲簾線角度及間距破壞的問題，提高了車胎的使用性能，延長了車胎的使用壽命，使配備子午線輪胎的摩托車使用性能更好。所設計的活絡模具與現有的平板硫化機開模順序相匹配，采用順序拉桿及順序拉桿限位裝置，使模具開合模動作順暢、安全可靠，并且裝置彈簧更換方便。采用定距拉桿可以保證上蓋開合過程中的運動精度，避免花紋塊與楔緊塊之間產生卡死或運動不順暢的現象發(fā)生。