輪胎成型鼓的動力學分析

李彥海

(中國海洋大學,山東青島 266000)

輪胎成型鼓的動力學分析

李彥海

(中國海洋大學,山東青島 266000)

本文介紹了現階段國內普遍采用的一種輪胎成型鼓的基本結構,引入分析軟件ADAMS、ANSYS等到輪胎成型鼓研發中,對輪胎成型鼓進行運動仿真分析,得到機構運動過程中的位移、速度、加速度等變化,消除后續裝配環節可能存在的風險;同時對機構的薄弱環節進行模態分析,確定機構的等可靠性。

輪胎 成型鼓 位移 仿真分析

1 前言

現階段機械行業采用三維軟件對機構分析已經非常普遍，國內橡膠機械行業，這種手段卻剛剛開始，隨著客戶對產品的要求越來越高，如果不積極跟進，橡膠行業的設備供應商很難跟上客戶的要求；因此引入ADAMS、ANSYS分析軟件對所設計產品進行動力學仿真、動力學分析，來解決產品設計過程中時常發生的空間干涉問題、可靠性問題，對產品的全生命周期進行綜合管理，縮短產品的研發周期，降低產品的研發投入成本，最終幫助產品研發人員達到客戶提出的要求，具有非常重要的現實意義。

2 輪胎成型鼓的運動仿真分析

2.1 典型輪胎成型鼓的基本結構

現階段輪胎企業普遍采用的一種全鋼載重輪胎成型鼓為一次成型輪胎成型鼓(圖1)，該鼓的結構可分為：主軸組合件、鎖緊頭、反包缸體三部分。

在SolidWorks中建立成型鼓的零件幾何模型，進行虛擬裝配后得到機構的三維幾何模型(圖2)。幾何模型讀入ADAMS軟件，定義構件的材料屬性，從而確定其質量特性參數，各構件之間添加運動副，進行機構內部的相互運動約束。

圖1 成型鼓機構圖

圖2 成型鼓鎖緊頭三維建模

2.2 運動學仿真及分析

當活塞運動遵循特定的運動規律時，觀察鎖塊的運動變化情況，包括其軌跡、位移、速度、加速度分析，以及運動過程中是否存在實體干涉現象。

為了在虛擬樣機建模中，盡量準確的模擬機械系統復雜的現實環境，ADAMS提供了多達11中函數供用戶使用，充分利用這些函數，將使建模與仿真更加精確和高效。現在對活塞施加一做簡諧往復運動的直線驅動，驅動函數驅動為氣動時，為非簡諧，得到活塞的位移曲線、速度及加速度曲線，驅動函數如下：

圖3 驅動活塞位移曲線圖

圖4 鎖塊徑向位移曲線圖

圖5 鎖塊徑向速度曲線圖(沖擊特性)

圖6 鎖塊徑向加速度曲線圖

從圖3驅動活塞位移曲線圖可知，活塞運動有一個間隔過程，在這個過程中大小鎖塊的位移如何可通過圖4鎖塊徑向位移曲線圖明確得出，兩者最終達到一個高度，存在干涉區域，但時間歷程下的運動過程中并無干涉現象發生；從圖5鎖塊徑向速度曲線圖可知，鎖塊的沖擊特性不好，沖擊變化較大。

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

圖13 連桿變形位移云圖

圖14 連桿von Mises等效應力分布云圖

從上面的驅動方式的曲線圖，我們可以看出雙滑塊機構簡諧運動輸入特性，輸出運動特性隨輸入運動狀態的變化關系，滑塊伸縮運動的兩端運動邊界處(運動速度為零)，推出初始時刻速度變化快，加速度明顯比收縮初始時刻相應值大。

短鎖塊的運動幅度及速度、加速度明顯大于長鎖塊；加速度決定往復運動過程中構件慣性力的大小，雙滑塊機構在活塞簡諧驅動情況下，加速度值，長連桿大于短連桿，近端大于遠端。因此合理布置大小塊之間的間距，避免碰撞是產品可靠使用的重要基礎。另外，兩種驅動方式下的慣性沖擊都較大，能夠表明在此運動過程中鎖塊運動是有較大沖擊的，這就需要我們對機構內的薄弱環節進行強度校驗，確保機構運行的穩定性！

3 剛柔耦合動力學仿真分析

3.1 連桿彈性動力學分析

連桿是機構中強度最薄弱部分，不恰當的運動激勵可能導致連桿的彈性變形及振動，該現象可能引起相鄰鎖塊之間的運動干涉，還會引起成型鼓晃動，造成最終成品輪胎的均勻性不良，進而影響輪胎產品的工作性能。

模態中性文件(MNF)是實現二者聯合仿真的橋梁，在ADAMS軟件中，引入MNF文件并對多剛體模型進行柔性體替換，柔性體與剛性體之間通過外部節點進行旋轉副連接。在ADAMS或ANSYS環境中均可對連桿的模態信息進行查看。

連桿振型圖(圖7-圖12）：

第一階振型圖(固有頻率8625.8Hz)，該振幅圖可知連桿往側面內進行彎曲振動；

第二階振型圖(固有頻率12280Hz)，該振幅圖可知連桿正面平面內進行彎曲振動；

第三階振型圖(固有頻率15657Hz)，該振幅圖可知連桿進行扭轉彎曲振動；

第四階振型圖(固有頻率18605Hz)，該振幅圖可知連桿側面內進行二階彎曲振動；

第五階振型圖(固有頻率22623Hz)，該振幅圖可知連桿銷軸孔做不規則的彎曲振動；

第六階振型圖(固有頻率27679Hz)，該振幅圖可知連桿正面平面內進行扭轉彎曲振動。

3.2 成型鼓連桿靜力分析

連桿在孔端面平面內，受連桿孔與銷軸構成的旋轉副的兩個約束反力，二者為空間固定的單向力，方向分別沿環形活塞的軸向和徑向。連桿的應力計算通過lod文件在ANSYS中進行。ADAMS仿真結束后，輸出柔性連桿最大受力時刻的載荷文件(Lod文件)，文件中包含兩個外部節點的載荷信息，打開ANSYS界面并恢復連桿的有限元文件，選擇所有節點，通過ANSYS-ADAMS專用接口讀入Lod文件，設置讀入載荷，自動添加避免剛體位移的邊界約束以及外部載荷力，并開始結構靜力計算。

圖13、圖14分別為矢量合成的變形位移云圖和基于第四強度理論的von Mises等效應力分布云圖，從圖中可以看出，最大變形位置在連桿的中部，變形量從中間向兩端逐漸減小，最大變形量達0.0513mm。最大應力位置在連桿彎曲內側面的中間部位，向外至中間位置逐漸減小，從中間位置開始至彎曲外側面應力值小幅度增大。連桿最大應力值0.11MPa，滿足材料的強度要求。

4 結語

本文通過虛擬樣機技術對輪胎成型鼓在做胎過程中的一些基本動作進行了仿真分析，基本反映出輪胎成型鼓的實際狀態，是一種可行的分析手段，它能夠讓研發人員更加直觀的了解到成型鼓結構的可靠性，更加直觀的了解到成型鼓鎖緊頭部分零部件的活動軌跡，所有的這些對后續的生產及使用會有一個很好的指導作用，對成型鼓的研發重大意義!

[1]劉英杰,李彥海,劉明,譚麗麗,聞德生.機械成型鼓及其無縫鎖定方法.中國專利.200910017466.1,2011.03.23.

[2]李軍,邢俊文,譚文浩 等.ADAMS實例教程.北京:北京理工大學出版社,2002.

[3]龔曙光主編.ANSYS基礎應用及范例解析.機械工業出版社,2003.4.