基于三維設計軟件CATIA的12R22.5全鋼載重子午線輪胎的施工設計

高榮彬，黃兆閣，雍占福

（青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042）

近年來，隨著高等級公路的快速發展，子午線輪胎產銷量出現了井噴式增長[1]。子午線輪胎的花紋較斜交輪胎復雜，對輪胎的結構設計和施工設計提出了更高的要求。隨著輪胎和計算機技術的快速發展，輪胎設計水平不斷提高。為了采用更高效的設計方法來降低設計中的生產成本，避免設計失誤，縮短輪胎的開發周期，更精確的施工設計尤為重要。

席思文[2]基于三維設計軟件CATIA對輪胎包絡進行了準確計算分析。程小彪等[3]基于CATIA創建了車輪極限運動包絡面，并進行了動態間隙分析。陳進富[4]結合CATIA等利用正向思維化解逆向難題，從而開發出了輪胎花紋逆向設計系統。韓平安等采用CATIA設計了385/65R22.5 18PR無內胎全鋼載重子午線輪胎的三維造型，并最終完成輪胎設計。陳振藝[5]利用CATIA的簡單實體功能進行了載重輪胎花紋的造型。楊洪云等[6]基于CATIA二次開發出輪胎包絡自動形成的方法。陳振藝[7]用VB對CATIA軟件進行了簡單的二次開發。邱垂翔[8]利用CATIA軟件對某輕型商用車麥弗遜前懸架進行了三維運動校核分析。

輪胎企業多采用AutoCAD軟件進行輪胎半成品的體積計算，鑒于該軟件無法計算復雜花紋，用其估算的體積誤差較大。

本工作基于CATIA軟件對12R22.5全鋼載重子午線輪胎進行施工設計優化。首先基于橡膠和鋼絲均是體積不可壓縮體（輪胎生產過程中），認為輪胎的各部件在成型前后體積不變，再利用CATIA繪制出復雜花紋，并進行精確的施工設計。

1 花紋繪制

輪胎花紋用于提高輪胎與地面的摩擦力、增大制動力和驅動力等，輪胎花紋設計還影響著汽車的噪聲、震動性能和行駛性能以及輪胎的耐磨性能等。利用軟件設計輪胎花紋時，應該盡可能地貼合實際輪胎花紋。

輪胎結構設計中對胎冠進行三維造型時，復雜花紋的繪制是難點，采用CATIA軟件進行輪胎三維造型的步驟如下。

步驟1，利用CATIA草圖功能繪制輪胎花紋展開圖和輪胎斷面輪廓圖。對花紋展開圖進行適當修剪（對材料體積分布影響不大，但可大大簡化繪圖難度），保留一個花紋節距。同時為了方便胎肩造型，對輪胎斷面輪廓圖進行適當修剪（如去掉裝飾線、文字等），如圖1和2所示。

圖1 輪胎花紋展開示意

圖2 輪胎斷面輪廓示意

步驟2，通過CATIA草圖編輯器約束繪制完成草圖，先繪制1個節距的胎冠。

（1）縱向花紋溝造型。將縱向花紋溝曲線展開到輪胎胎面上，然后運用掃掠工具進行掃掠。為了切割徹底，需要外延插伸工具。最后切割，移除縱向花紋溝。重復此方法，依次切割完胎面上的所有縱向花紋溝。縱向花紋溝的優點是滾動阻力較小，防側滑能力較好，但防縱滑能力較差，易夾雜石子、產生裂紋。

（2）橫向花紋溝造型。將橫向花紋溝曲線展開到輪胎胎面上，然后運用掃掠工具進行掃掠。重復此方法，依次切割完胎面上的所有橫向花紋溝。橫向花紋主要是以橫向花紋溝為主的橫向曲折花紋，其花紋溝較寬，牽引力較大，散熱性能和耐磨性能較好，但是噪聲較大。

（3）胎肩造型。將胎肩花紋展開到輪胎胎面上，運用多重提取、掃掠和外延插伸工具，切割胎肩部分，最后移除，得到完整胎肩造型。胎肩花紋溝與普通花紋溝區別不大。

步驟3，排水線的設計與縱向花紋溝、橫向花紋溝和胎肩的造型方法一致，唯一區別是旋轉體的厚度和位置。如果是同一平面的旋轉體，則位置相同；如果胎面凸起，該旋轉體的位置則要高于凸起高度。至此已經完成花紋造型，切割移除得到一個完整的節距，如圖3所示。

圖3 輪胎1個截距的造型

步驟4，通過布爾操作移除花紋溝后，給花紋倒圓角，然后1個節距的胎冠通過圓形陣列，得到輪胎完整的三維造型，如圖4所示。

圖4 輪胎完整的三維造型

輪胎設計過程中涉及許多曲面的繪制，CATIA的曲面設計功能非常強大，逐漸成為汽車及零部件設計的常用三維軟件，采用該軟件可以進行復雜花紋設計，提高施工設計精度，明顯減少試制次數，提高開發效率。

2 施工設計

2.1 基本原理

材料沿載荷方向產生伸長（或縮短）變形的同時，在垂直載荷方向會產生縮短（或伸長）變形。垂直載荷方向上的應變（橫向應變）與載荷方向的應變（縱向應變）之比的負值稱為材料的泊松比。

鋼絲雖然是體積可壓縮材料，但由于成型過程中材料受力較小，其體積變形可以忽略不計；橡膠是體積幾乎不可壓縮材料，輪胎成型前后各部件體積不變，橡膠的泊松比取0.5[9-10]。

基于輪胎成型前后，成品部件和半成品部件可以認為體積不變，根據輪胎的成品輪廓圖和花紋展開圖，利用CATIA三維軟件設計出輪胎造型，然后將胎冠、胎側和三角膠等成品部件分別分割成小的單元體，然后利用CATIA軟件求解每個單元體的體積，求出帶有花紋的胎冠體積，進而反推求出半成品結構。

2.2 胎冠施工設計

使用常規的胎面半成品施工工藝，成品輪胎斷面易出現帶束層不平，會造成輪胎行駛過程中帶束層抗壓縮變形能力減弱，導致輪胎接地不良，使用性能下降，使用壽命縮短，并且導致胎冠發生翹曲變形，安全性能下降[11]。為避免該情況，結合實際施工條件，使用如圖5所示的半成品結構。

圖5 胎冠半成品施工示意

在輪胎實際成型過程中，由于不同貼合工藝的選擇，使得胎面膠料分布易發生變化。因此，在根據求得的基部膠和胎面膠體積計算胎冠半成品尺寸時，結合實際施工條件，對胎冠半成品尺寸進行修正調整。

根據CATIA計算得到的圖5中胎冠1—8部分體積分別為507.0，591.5，1 009.1，2 733.0，358.3，1 235.0，485.9和565.5 cm3。

根據CATIA求得的體積，計算出的胎冠復合件半成品參數如表1所示。

表1 胎冠復合件半成品參數 mm

2.3 其他部位施工設計

輪胎其他部位的施工設計與胎冠一樣，輪胎成型硫化過程中胎體簾布、帶束層、胎圈鋼絲受力較小，體積變形可以忽略不計，因此其直徑、長度和寬度等參數不變。

3 實際應用

利用本研究方法進行復雜花紋12R22.5全鋼載重子午線輪胎的施工設計，并進行輪胎試制。結果表明，輪胎的胎里反弧、胎里露線、胎圈露鋼絲病象均有所減少，花紋綜合合格率從99.71%提高至99.82%，常規耐久性能的累計行駛時間從72.83 h延長至78.50 h。

4 結論

本研究基于CATIA軟件，采用簡單快捷的步驟完成了輪胎花紋繪制和輪胎三維造型，并求解出輪胎半成品的結構和尺寸，在輪胎成型前以及設計目標值變化時，可以對成型工藝進行設計和控制。

利用本研究方法進行施工設計具有以下優點：（1）保證材料分布情況與實際更接近，尺寸更準確；（2）施工設計更合理，提高輪胎的綜合合格率和工藝穩定性；（3）根據半成品尺寸和輪胎設計目標值，對輪胎成型工藝進行設計和控制；（4）計算精確度高，實用性強；（5）減少了試制次數，節約了試驗費用，降低了開發成本。