全鋼載重子午線輪胎成型中胎圈最佳落點(diǎn)的仿真研究

魏云港，高 明，宋凌浩，許景剛

（賽輪集團(tuán)股份有限公司，山東 青島 266550）

為滿足市場需求，輪胎企業(yè)會(huì)生產(chǎn)不同尺寸和花紋的各類產(chǎn)品[1-3]；產(chǎn)品不同，所對應(yīng)的成型工藝及胎圈最佳落點(diǎn)也有所不同。與傳統(tǒng)錐臺結(jié)構(gòu)的扇形塊相比，輪胎成型中使用的無縫扇形塊撐起到達(dá)工作位置后周長固定、鎖緊力充足，不會(huì)出現(xiàn)撐起周長隨充氣壓力變化而變化的現(xiàn)象，因此各大輪胎企業(yè)多在推進(jìn)無縫扇形塊的替換升級。但無縫扇形塊使用中的胎圈落點(diǎn)難以固定，將增加輪胎品質(zhì)波動(dòng)的隱患，影響輪胎施工設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度。

當(dāng)前，有限元仿真技術(shù)在輪胎成型中得到廣泛應(yīng)用[4-7]，利用其研究胎圈最佳落點(diǎn)可以節(jié)省時(shí)間和成本，有利于提高輪胎的均一性、降低輪胎施工設(shè)計(jì)難度，并為無縫扇形塊的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

本工作選取尺寸、花紋不同的兩種規(guī)格全鋼載重子午線輪胎為研究對象，利用有限元仿真技術(shù)研究不同產(chǎn)品的胎圈最佳落點(diǎn)，以期提高輪胎的均一性。

1 有限元仿真

1.1 幾何模型

輪胎成型即將輪胎各部件按順序進(jìn)行貼合的過程。其中二次法成型是全鋼載重子午線輪胎成型的主要方法，該工藝將胎面復(fù)合件（胎面和各層帶束層）與胎體筒（胎面復(fù)合件之外的其他部件）分別進(jìn)行貼合[8]。本工作二次法成型中胎圈落點(diǎn)的幾何模型如圖1所示。其中，胎圈落點(diǎn)在成型機(jī)主鼓（簡稱主鼓）上完成，具體成型過程如下：首先將胎側(cè)、內(nèi)襯層、鋼絲簾布加強(qiáng)層、胎體、胎圈按先后順序一一貼合在主鼓上，然后扇形塊撐起完成鎖胎圈的動(dòng)作，最后通過扇形塊的橫向移動(dòng)與成型膠囊的充氣膨脹完成后續(xù)的成型工作。

圖1 二次法成型中胎圈落點(diǎn)的幾何模型示意

1.2 材料模型

在全鋼載重子午線輪胎成型中，胎圈落點(diǎn)問題涉及多種結(jié)構(gòu)和部件，各結(jié)構(gòu)、部件的材料不同，仿真時(shí)所使用的材料模型也不相同。

成型膠囊是全鋼載重子午線輪胎成型中的主要配件，其直接影響胎側(cè)反包及胎圈底部膠料的壓縮效果，目前輪胎成型仿真多未考慮成型膠囊及其約束狀態(tài)[4-7，9]。為提高仿真精度，本工作考慮成型膠囊對胎圈落點(diǎn)的影響。

成型膠囊由膠料包裹多層纖維簾線組成，膠料為硫化膠，其力學(xué)行為具有明顯的超彈性。本工作采用Abaqus軟件成熟的超彈性材料參數(shù)表征方法和成品輪胎膠料超彈性行為的擬合方法，利用Yeoh本構(gòu)模型對試驗(yàn)測得的膠料應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合（見圖2），可得到理想的膠料材料模型。

圖2 成型膠囊膠料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

成型過程中，各輪胎橡膠部件均為未硫化的生膠，其力學(xué)行為除超彈性外，還表現(xiàn)出明顯的粘彈性。為表征其粘彈性特征，對各橡膠部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)分析試驗(yàn)，并對歸一化處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Prony級數(shù)擬合，得到粘彈性材料表征。

成型膠囊中的纖維簾線、加強(qiáng)層和胎體中的鋼絲簾線均呈現(xiàn)線彈性力學(xué)行為，且直徑比橡膠厚度要小，因而采用線彈性本構(gòu)模型和Rebar模型進(jìn)行表征。扇形塊和胎圈尺寸較大，且相對橡膠剛性很大，在保證仿真精度的同時(shí)，為提高仿真效率，采用解析剛體對其進(jìn)行表征。

1.3 仿真過程

根據(jù)胎圈落點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，采用二維軸對稱模型進(jìn)行仿真分析。橡膠部件采用CGAX3H或CGAX4H單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，纖維簾線與鋼絲簾線采用SFMGAX1單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分并嵌入橡膠單元內(nèi)。

胎圈落點(diǎn)過程中涉及不同部件的相互接觸，其中既包含成型膠囊與輪胎橡膠部件間的接觸，又包含成型膠囊與扇形塊間的接觸。根據(jù)接觸部件的結(jié)構(gòu)特性與材料屬性的不同，采用不同的接觸設(shè)置進(jìn)行模擬。橡膠與橡膠通過表面進(jìn)行接觸，且相互間粘性大、接觸后不易分離，因而采用面-面接觸且不分離的方法進(jìn)行模擬；成型膠囊與扇形塊同樣通過表面進(jìn)行接觸，但其膠料為熟膠、粘性不大，且與扇形塊接觸后存在分離的可能，因此采用簡單的面-面接觸進(jìn)行模擬。

模擬之前，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、變形特征對模型施加合適的邊界條件。膠囊L型端部受成型鼓的約束始終保持固定，該區(qū)域設(shè)置為固定約束。成型膠囊長度較長，根據(jù)圣維南原理，遠(yuǎn)離胎圈落點(diǎn)區(qū)域的膠囊設(shè)置為固定約束。根據(jù)生產(chǎn)工序，仿真過程中只放開扇形塊的徑向位移約束，并在不同的工序設(shè)置不同的徑向位移。胎圈約束是模型準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，受扇形塊不規(guī)則曲面的影響，胎圈在扇形塊上升、鎖緊的過程中會(huì)產(chǎn)生橫向位移，因而仿真過程中放開胎圈的橫向位移約束。

根據(jù)上述模型設(shè)置與現(xiàn)場生產(chǎn)工序得到胎圈落點(diǎn)的仿真過程，如圖3所示。

圖3 胎圈落點(diǎn)的仿真過程

從圖3可以看出，仿真過程再現(xiàn)了現(xiàn)場生產(chǎn)工序。

2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為保證有限元模型的準(zhǔn)確性，對確定胎圈最佳落點(diǎn)提供正確指導(dǎo)，本工作采用7.50R16花紋A輪胎（簡稱A輪胎）和12R22.5花紋B輪胎（簡稱B輪胎）為研究對象，測量扇形塊鎖緊動(dòng)作完成后，胎體端點(diǎn)至胎圈外頂點(diǎn)、胎圈落點(diǎn)、主鼓中心距離及胎圈外頂點(diǎn)至主鼓中心距離的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果，如表1所示。

表1 2種輪胎的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果

從表1可以看出，不同輪胎的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果均保持良好的一致性，誤差均小于10%，滿足工程需求。因此，可采用該有限元仿真方法進(jìn)行后續(xù)的胎圈最佳落點(diǎn)研究。

3 胎圈最佳落點(diǎn)的確定

以現(xiàn)有生產(chǎn)工序中的扇形塊位置為初始位置，通過不斷調(diào)整扇形塊的水平位置，得到2種輪胎胎圈最佳落點(diǎn)的仿真結(jié)果，如表2所示。其中，扇形塊鎖緊力方向?yàn)閺较?，胎圈橫向位移負(fù)值代表胎圈向主鼓中心線方向移動(dòng)。扇形塊位置－5 mm表示扇形塊在初始位置基礎(chǔ)上，向主鼓中心線橫向移動(dòng)5 mm；＋5 mm表示扇形塊在初始位置基礎(chǔ)上，背離主鼓中心線橫向移動(dòng)5 mm。

表2 2種輪胎胎圈最佳落點(diǎn)的仿真結(jié)果

以扇形塊鎖緊后的扇形塊徑向鎖緊力大、胎圈橫向位移量小為胎圈最佳落點(diǎn)的評價(jià)參數(shù)。從表2可以看出：在現(xiàn)有扇形塊位置基礎(chǔ)上，將扇形塊向背離主鼓中心線方向進(jìn)行橫向移動(dòng)，有助于增大扇形塊鎖緊力和減小胎圈橫向位移；通過不斷調(diào)整扇形塊位置，分別得到了A輪胎和B輪胎的胎圈最佳落點(diǎn)位置（扇形塊位置分別為＋5和＋10 mm）。

4 結(jié)語

本工作結(jié)合輪胎結(jié)構(gòu)特征與生產(chǎn)工序，考慮成型膠囊材料及結(jié)構(gòu)的影響，利用有限元仿真技術(shù)再現(xiàn)了全鋼載重子午線輪胎成型扇形塊鎖緊過程，通過與現(xiàn)場試驗(yàn)的對比驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，得到了不同輪胎的胎圈最佳落點(diǎn)位置。該方法可以節(jié)省成本和時(shí)間，有助于我國輪胎智能化生產(chǎn)制造的不斷升級優(yōu)化。