一種基于CATIA/CAA的輪胎型膠設(shè)計方法

程麗娜，程 龍，吳月仙，劉 鑫，張 敏，李 華，吳東霞，楊 旭

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

近年來，交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展極大地推動了輪胎行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，而且隨著輪胎和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，輪胎設(shè)計水平不斷提高。為了采用更高效的設(shè)計方法來降低設(shè)計中的生產(chǎn)成本，避免設(shè)計失誤，縮短輪胎的開發(fā)周期，更精確的施工設(shè)計尤為重要[1-3]。

施工設(shè)計中最考驗設(shè)計師功力的一直是型膠設(shè)計，如何精確計算輪胎型膠的尺寸和質(zhì)量是整個開發(fā)過程中的重要一環(huán)。輪胎的部件如胎面膠、胎側(cè)膠、三角膠等需要根據(jù)材料分布圖進(jìn)行設(shè)計，其基本要求是各部件在成型、硫化前后保持質(zhì)量不變[4-5]。本文介紹一種基于CATIA軟件及CAA二次開發(fā)的型膠設(shè)計工具進(jìn)行輪胎型膠部件設(shè)計的方法。

1 傳統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)設(shè)計中，普遍認(rèn)為輪胎膠料的密度在硫化前后保持不變，因此型膠部件在半成品設(shè)計和材料分布圖設(shè)計中保持質(zhì)量不變的規(guī)則，即轉(zhuǎn)化為體積不變規(guī)則。輪胎企業(yè)多采用AutoCAD軟件進(jìn)行輪胎型膠部件的體積計算，如圖1所示，將材料分布圖中的胎側(cè)部件分割成若干個規(guī)則的幾何單元，求出每個單元的面積（Ai）、重心周長（Li）及相應(yīng)的體積（Vi＝Ai×Li），則胎側(cè)部件體積（V）的計算公式為

圖1 胎側(cè)膠體積計算示意

型膠部件的寬度主要根據(jù)材料分布圖中部件的寬度及工藝條件來修正確定，長度主要根據(jù)成型的貼合長度及工藝條件來修正確定[6-8]。型膠部件各段厚度（Ti）的計算公式為

式中，ti為第i單元在材料分布圖中的厚度，Di為第i單元重心在材料分布圖中的直徑，Dr為成型鼓直徑。

以此得到初始的型膠部件尺寸圖，結(jié)合實際施工條件，修正部件厚度及形狀，保持其體積與材料分布圖中部件體積相等即可。

以上設(shè)計方法在對部件進(jìn)行手動分割及計算體積、厚度等方面工作量大，且體積、厚度的計算都有誤差，精確度不高。

2 基于CATIA軟件的設(shè)計方法

基于CATIA軟件及CAA二次開發(fā)，以全新的型膠設(shè)計工具（分為膠部件展平模塊和型膠設(shè)計模塊兩部分）及全新的工作流程克服了傳統(tǒng)設(shè)計存在的不足。

首先，利用膠部件展平模塊將膠部件展平到鋪設(shè)半徑上（在此過程中將膠部件硫化前后密度變化及鋪設(shè)長度計算進(jìn)行程序換算），得到膠部件展平體積線，將體積線繞輪胎旋轉(zhuǎn)軸一周得到的膠料質(zhì)量即與材料分布圖中部件質(zhì)量相同。因此，展平體積線所圍膠料面積就是型膠目標(biāo)設(shè)計面積。

其次，在展平體積線的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計規(guī)則（包括生產(chǎn)工藝的影響和標(biāo)準(zhǔn)化等），基于面積不變原理，完成型膠的設(shè)計。

這種分兩步的型膠設(shè)計工作流程，先獲取膠部件展平體積線，作為后一步型膠設(shè)計的依據(jù)，從而將質(zhì)量不變這種復(fù)雜的3D問題轉(zhuǎn)化為面積不變這樣相對簡單的2D問題，保證型膠設(shè)計每一步數(shù)據(jù)的可靠性。

膠部件展平如圖2所示。以材料分布圖中胎面、胎側(cè)膠部件為輸入，按照其鋪設(shè)到鼓上的半徑將其展平，獲得胎面、胎側(cè)展平體積線；以此作為型膠設(shè)計的依據(jù)，設(shè)計人員根據(jù)型膠設(shè)計規(guī)則設(shè)計型膠部件尺寸，使其面積等于展平面積即可，由此設(shè)計出的型膠質(zhì)量就與材料分布圖中部件質(zhì)量保持一致。以下詳細(xì)介紹如何利用兩大模塊完成輪胎的型膠部件設(shè)計。

圖2 膠部件展平示意

2.1 膠部件展平模塊（展平體積線）

利用展平工具，選擇膠部件各子件（如胎面型膠復(fù)合件的子件有胎面膠、胎肩膠、基部膠），輸入成型鋪設(shè)半徑值，得到圖3中的膠部件展平體積線，同時得到膠部件各子件的面積、寬度、厚度等參數(shù)。

圖3 膠部件展平體積線示意

2.2 型膠設(shè)計模塊

復(fù)合型膠部件設(shè)計分為以下2個步驟。

（1）設(shè)計外輪廓。如圖4所示，根據(jù)企業(yè)設(shè)計規(guī)則，參考展平體積線的形狀設(shè)計型膠部件基礎(chǔ)形狀，而后調(diào)整部件關(guān)鍵點的位置，使設(shè)計膠部件面積等于展平面積即可。

圖4 外輪廓設(shè)計示意

（2）分割生成子件并賦材料。對于復(fù)合型膠部件，采用逐步分割的設(shè)計方法，如圖5所示。對于前一步得到的外輪廓，逐步將其分割成多個子件。然后對各子件進(jìn)行賦材料操作，即可自動得到米秤稱量等信息。

圖5 分割生成子件示意

以上設(shè)計工具同樣適用于單一型膠部件設(shè)計，如三角膠設(shè)計等，不同之處在于型膠設(shè)計模塊中，在第1步設(shè)計外輪廓完成后直接賦材料即可，無需后續(xù)的分割處理。

3 設(shè)計案例

本工作以215/50R17 RP59規(guī)格輪胎為例，運(yùn)用傳統(tǒng)設(shè)計和基于CATIA軟件的設(shè)計兩種方式完成胎側(cè)型膠設(shè)計，分別進(jìn)行輪胎試制，對兩種型膠設(shè)計及其成型硫化后的輪胎斷面進(jìn)行測量和對比分析。

3.1 胎側(cè)型膠設(shè)計

（1）采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，對胎側(cè)部件進(jìn)行手動分割及計算體積、厚度，得到A方案的胎側(cè)型膠設(shè)計圖，見圖6。

圖6 傳統(tǒng)設(shè)計方法A方案型膠設(shè)計示意

（2）采用基于CATIA軟件的設(shè)計方法，首先利用膠部件展平模塊展平工具，選擇胎側(cè)膠和外護(hù)膠2個子件，輸入胎側(cè)部件在成型時鋪設(shè)的半徑，一鍵得到胎側(cè)展平體積線。其次，利用型膠設(shè)計模塊的設(shè)計工具以上述得到的體積線為參考完成型膠設(shè)計，得到B方案的胎側(cè)型膠設(shè)計圖（見圖7）。

圖7 胎側(cè)展平體積線及B方案型膠設(shè)計示意

（3）對比A和B兩個方案的型膠圖（見圖8），圖中黑色線為胎側(cè)展平體積線，藍(lán)色線為A方案型膠設(shè)計圖，綠色線為B方案型膠設(shè)計圖。

圖8 型膠設(shè)計對比

從圖8可以看出：兩側(cè)區(qū)域設(shè)計，A方案比B方案設(shè)計更飽滿；中間區(qū)域設(shè)計中，在胎側(cè)凸臺區(qū)域右端位置，B方案比A方案設(shè)計更飽滿；非凸臺區(qū)域設(shè)計，兩者比較接近。

3.2 斷面測量和對比分析

在相同工藝條件下完成兩個方案的輪胎試制，每種設(shè)計的輪胎各取3個斷面，測量斷面上胎側(cè)部位外輪廓上的多個特征點至簾布的距離，取平均值，并與材料分布圖中對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)對比，分析結(jié)果如表1所示。

表1 2個方案輪胎的斷面分析結(jié)果 mm

從表1可以看出：兩側(cè)區(qū)域中，A方案PTB_S+10，PTB_R－10和PTB_R－20點厚度與材料分布圖差異較大；中間區(qū)域中，兩個方案與材料分布設(shè)計吻合度均較高?？偟膩碚f，B方案中數(shù)值比A方案更接近材料分布圖要求，差異較小。由此可以看出，B方案的型膠圖相對A方案更為準(zhǔn)確，其設(shè)計方法和設(shè)計流程可以有效提升一次設(shè)計成功率。

4 結(jié)論

盡管輪胎的型膠部件在生產(chǎn)過程中受加工工藝的影響，最終的尺寸、位置會存在一定的偏差，但從上述的測量對比結(jié)果可以看出，采用新型膠設(shè)計工具和流程所得到的型膠，在成型、硫化后與材料分布圖的吻合度更好，體現(xiàn)了自動化、高精度設(shè)計的特點，有利于企業(yè)減少輪胎試制次數(shù)，縮短輪胎開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。