CN105718678B - 一种宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓及设计方法，将带束鼓的中间段设计为凸出的曲面结构，带束鼓表面的轮廓线由两段直线段与位于两直线段间的弧形段组成，根据理论材料分布图中主带束层的宽度、曲率半径、1号带束层直径、伸张率初步确定弧形段的宽度d、曲率半径R、带束鼓的直径D、两段直线段的长度l₁、l₂。然后，通过轮胎成型仿真方法，以帘线伸张率和胎面胶料流动均匀性作为判断标准，优选确定最佳参数。本发明有效控制带束层的帘线伸张率，彻底解决定型时带束层帘线受力不均匀的问题，消除了机内定型过程中宽基轮胎胎肩胶料向胎冠中心流动的异常现象，提高了轮胎的耐久性能，具有极强的可实施和可操作性。

Description

一种宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓及设计方法

技术领域

本发明涉及轮胎成型工艺流程制造领域，尤其是一种宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓及设计方法。

背景技术

近年来，低碳经济不断推动轮胎向降低油耗、减少排放、提高安全性方向发展，轮胎宽基化是实现这一目标的重要途径之一。宽基载重汽车轮胎是指高宽比为0.65及以下的轮胎。宽基轮胎的主要表征是扁平化、无内胎化、宽轮辋。在车辆上宽基轮胎单胎代替普通轮胎并装双胎，主要用于载重汽车的驱动轮、挂车轮和半挂车轮上。

米其林X-one宽基轮胎的技术特点是胎冠部位采用0°带束层，即以400m的无接头钢丝以0°角连续缠绕在胎冠上，以保证胎面接稳定、应力分布均匀，使轮胎抓着性能提高，胎面磨损更均匀，行驶里程延长。

子午线轮胎成型机(三鼓式)上有三种功能的成型鼓：胎体鼓——把胎侧、内衬层、胎圈、耐磨胶、胎体层组成胎体筒的成型鼓；带束鼓——在此鼓上完成带束层/胎冠的贴合；主成型鼓——完成定型、压实等，形成最后的胎坯。

带束鼓一般若干块扇形块组成，通过更换扇形块或调节螺母来实现带束层鼓直径的调节。

带束鼓一般为圆柱形鼓，这导致成型过程中不同位置带束层的伸张率不一样，胎冠中心处伸张较大，胎侧处较小。然而，宽基胎带束层较宽，在轮胎带束层/胎冠的贴合时，加剧了帘线受力不均匀的现象，特别是在采用了零度缠绕宽基轮胎上。图9为某公司生产的零度缠绕宽基胎断面图，在胎冠中心处，带束层箍紧作用强；带束层端点处，带束层箍紧作用弱。在轮胎硫化机内定型时，由于子午线轮胎胎体帘布中的帘线角度应为90°，帘线之间仅仅靠橡胶胶料连结，稍有拉伸便使帘布变形，就会导致胎肩处胶料向胎冠处流动，造成轮胎里凹凸不平，影响轮胎结构和均匀性。

近年来，轮胎CAE技术得到了飞速的发展，轮胎成型过程仿真技术也日趋成熟。中国专利公开号为CN101923589A的专利文献公开了子午线轮胎成型过程的模拟方法。三角轮胎股份有限公司的高明以Abaqus为仿真分析平台，模拟了215/35R18轮胎的成型过程，分析了轮胎设计工艺参数对成型轮胎胎坯形状的影响。但目前轮胎成型过程的模拟方法注重实现过程，尚未对成型过程的胶料流动异常现象进行分析，并未提出通过成型机带束鼓的改进实现胶料流动的改善，从而提高成品轮胎质量。

发明内容

为了解决的载重宽基子午线轮胎机内成型时的胶料异常流动的问题，本发明提供一种宽基子午线轮胎成型机带束鼓及其设计方法，所述宽基子午线轮胎成型机带束鼓为曲面鼓结构，解决了的载重宽基子午线轮胎机内成型时的胶料异常流动的问题，能够有效改善胎体钢丝帘线受力状态，并且该曲面鼓结构实现起来简单易行，成本低。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，其特征在于，轮胎成型机带束鼓的中间段为凸出的曲面结构，所述带束鼓表面的截面轮廓线由两段直线段与位于两直线段之间的一段弧形段组成，弧形段的宽度d为理论材料分布图中3号带束层的宽度80％-120％；弧形段的曲率半径R为3号带束层的曲率半径的70％-130％；所述带束鼓的直径D、两段直线段的长度l₁、l₂为：

其中，L为带束鼓总宽度，D₁为理论材料分布图中测出的1号带束层直径；ψ为带束层伸张率，取值0-0.2％。

优选地，弧形段的宽度d为理论材料分布图中第2号带束层或第3号带束层的宽度80％-120％；所述弧形段的曲率半径R等于由第2号带束层或第3号带束层的曲率半径的70％-130％。

优选地，还包括利用轮胎成型仿真方法优化弧形段的半径R的过程，具体包括以下步骤：

(1)轮胎半成品部件有限元模型的建立：

宽基子午线轮胎主要包括主鼓部件、带束鼓部件和三角胶部件，主鼓部件包括胎侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶；带束鼓部件包括1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶；三角胶部件包括钢丝圈、三角胶以及三角胶胶片；根据施工要求建立所述轮胎各部件有限元模型，将宽基子午线轮胎简化为二维轴对称模型，橡胶部件有限元模型中四边形单元为CGAX4H，三角形单元为CGAX3H，二维面单元为SFMGAX1，采用Maxwell流变模型和Marlow超弹性本构模型描述橡胶材料属性，RebarLayer模型模拟钢丝帘线；胎体鼓、带束鼓采用解析刚体模拟，胎体鼓部件、带束鼓部件和三角胶部件计算模型由HYPERMESH软件进行网格划分，然后将网格模型导入ABAQUS计算；

(2)建立带束鼓模型：

根据轮胎理论材料分布图中3号带束层的宽度和3号带束层的曲率半径，初步确定曲面带束鼓的弧形段d的宽度和弧形段d的曲率半径，建立中间段为凸出的曲面的带束鼓模型；

(3)轮胎生胎成型过程仿真：

(3.1)根据三鼓式一次成型法成型机的工艺流程，在成型机主鼓上进行侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶的贴合，形成主鼓部件子系统；

在带束鼓上进行1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶的贴合，形成带束鼓部件子系统；

(3.2)将(3.1)中的胎体鼓部件子系统、带束鼓部件子系统和三角胶部件子系统三个子系统模型分别导入到ABAQUS软件中，先将贴合后的胎体鼓部件、带束鼓部件在成型鼓上进行装配，按照施工表上的定位参数将三角胶部件定位到成型鼓上，对胎体鼓部件上的轮胎内衬层施加额定气压进行充气，同时胎圈向中间移动依次经过预定型、定型和超定型位置，胎侧的反包过程采用分段施加均布压力方法模拟，反包结束后，形成生胎；

(3.3)将(3.2)得到的生胎放入硫化罐内，与硫化模具进行装配，然后通过对轮胎内表面施加均布压力的方法进行定型仿真，按照施工设计先给轮胎内衬层施加0.9Mpa的均布压力对生胎预定型，然后施加2.6Mpa的大气压对胎坯进行最终定型，形成成品胎；

(4)曲面鼓参数优化

根据(3.1)、(3.2)仿真得到生胎材料分布图，在轮胎子午线方向上，生胎中3号带束层与理论设计材料分布中该带束层的距离为Δr，3号带束层在(3.3)的定型过程中帘线的预期伸张率以机内定型过程中带束层定型预期伸张率满足0.2％≤δ≤0.6％、胎面胶料流动均匀作为判断曲面鼓形状参数合理与否的指标，如果不达标，调整步骤(2)中弧线段的宽度d、弧形段的曲率半径R和带束鼓的直径D，重复步骤(3)、(4)直至达到预期伸张率满足0.2％≤δ≤0.6％、胎面胶料流动均匀，再进行轮胎生产。

优选地，所述步骤(1)中划分的网格尺寸为6-9mm，在步骤(2)中还包括变形较大的部位网格细化。

优选地，所述步骤(3.1)中贴合仿真采用施加0.1Mpa-0.2Mpa均布压力的方法。

优选地，所述步骤(3.2)中反包过程为从耐磨胶到胎侧采用分段施加0.2Mpa-0.4Mpa均布压力方法模拟反包胶囊的反包过程。

所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，用于高宽比0.65及以下的宽基载重子午线轮胎带束鼓的设计。

所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法设计的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓。

改善了生胎的形状，使得生胎的结构更接近于成品胎结构；生胎(半成品胎)中3号带束层与理论设计材料分布中该带束层的距离为Δr，3号带束层在定型过程中帘线的伸张率且0.2％≤δ≤0.6％；硫化结束后，使得带束层帘线在子午线断面方向上不同位置实际伸张率几乎相等，从而解决胎面胶料畸形问题和改善机内型时的帘线受力不均匀的情况。本发明方法在工艺上具有可行性，只需在原有直鼓上贴一层满足曲面鼓外表面形状参数的弧形胶片即将直鼓改造为曲面鼓。

另外，为达到本发明使所设及的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓及设计方法，适用于不同规格的宽基载重子午线轮胎，并且通过轮胎成型仿真方法优选确定曲面鼓主要设计参数，在工艺上具有准确性和普遍性。本发明具能够克服传统“试错法”的缺陷，有效地解决宽基子午线轮胎胎面畸形和改善成品胎的帘线应力分布，从而提高成品轮胎质量。

附图说明

图1为本发明所述带束鼓的结构示意图。

图2为本发明所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓设计方法参数优化流程图。

图3中(a)为所述主鼓部件子系统、(b)为带束鼓部件子系统、(c)为三角胶部件子系统的有限元模型。

图4为主鼓部件子系统贴合(a)贴合前，(b)贴合后。

图5为中间段为凸出曲面的带束鼓部件子系统贴合过程。

图6为生胎成型过程(a)为定位，(b)充气，(c)胎侧反包，(d)生胎。

图7为轮胎机内定型过程(曲面鼓)，(a)合模(b)仿真成品胎。

图8为3号带束层在定型过程中帘线的预期伸张率示意图。

图9为理论设计材料分布图。

图10为轮胎机内定型过程(原始方案、直鼓)，(a)合模(b)仿真成品胎。

图11为机内定型过程中3号带束层帘线位置变化(直鼓)。

图12为实际生产轮胎断面比较(a)为原始方案(直鼓)；(b)为曲面鼓方案。

图13为机内定型过程中3号带束层帘线位置变化(曲面鼓)。

图14为带束层帘线力比较(a)为原始方案(直鼓)；(b)为曲面鼓方案。

图中：

1-1号带束层；2-2号带束层；3-3号带束层；4-4号带束层；5-5号带束层；6-胎面；7-胎肩垫胶；8-胎侧；9-胎体；10-内衬层；11-三角胶；12-型胶；13-加强层；14-胎圈；15-硬三角胶。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，如图1所示，在轮胎成型机带束鼓的中间段设计凸出的曲面结构，如图1所示。所述带束鼓表面的截面轮廓线由两段直线段与位于两直线段之间的一段弧形段组成，所弧形段的宽度d为理论材料分布图中3号带束层的宽度80％-120％；弧形段的曲率半径R为3号带束层的曲率半径的70％-130％；所述带束鼓的直径D、和两段直线段的长度l₁、l₂为：

其中，L为带束鼓总宽度，D₁为理论材料分布图中测出的1号带束层1直径；ψ为带束层伸张率，取值0-0.2％。

为了更好的确定所述成型机带束鼓弧形段的形状参数，通过轮胎成型仿真方法优选确定曲面鼓主要设计参数的。轮胎成型仿真方法包括主鼓部件贴合、带束鼓部件贴合、胎坯成型和硫化机内定型4个步骤。本发明采用有限元模拟仿真优化结构参数的具体步骤如图2所示，主要通过以下步骤实现。

(1)轮胎半成品部件有限元模型的建立：

宽基子午线轮胎主要包括主鼓部件、带束鼓部件和三角胶部件三个子系统，如图3所示，主鼓部件包括胎侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层10、下内衬层、加强层13、胎体9层、胎肩垫胶7；带束鼓部件包括1号带束层1、2号带束层2、3号带束层3、4号带束层4、5号带束层5以及胎冠胶；三角胶部件包括钢丝圈、三角胶11以及三角胶胶片；根据施工要求建立所述轮胎各部件有限元模型，将宽基子午线轮胎简化为二维轴对称模型，橡胶部件有限元模型中四边形单元为CGAX4H，三角形单元为CGAX3H，二维面单元为SFMGAX1，采用Maxwell流变模型和Marlow超弹性本构模型描述橡胶材料属性，Rebar Layer模型模拟钢丝帘线；胎体鼓、带束鼓采用解析刚体模拟，胎体鼓部件、带束鼓部件和三角胶部件计算模型由HYPERMESH软件进行网格划分，划分的网格尺寸为6-9mm，在轮胎生胎成型过程仿真的过程中，对于变形较大的部位网格细化。然后将网格模型导入ABAQUS计算。

(2)建立带束鼓模型：

根据上述设计方法初步确定的带束鼓结构参数，建立中间段为凸出的曲面的带束鼓模型。

(3)轮胎生胎成型过程仿真：

(3.1)根据三鼓式一次成型法成型机的工艺流程，在成型机主鼓上进行侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层10、下内衬层、加强层13、胎体9层、胎肩垫胶7的贴合，形成主鼓部件子系统，贴合前后分别如图4(a)和4(b)所示；在带束鼓上进行1号带束层1、2号带束层2、3号带束层3、4号带束层4、以及胎冠胶的贴合，形成带束鼓部件子系统，贴合前后分别如图5(a) 和5(b)所示。贴合仿真采用施加0.1Mpa-0.2Mpa均布压力的方法。

(3.2)将(3.1)中的胎体鼓部件子系统、带束鼓部件子系统和三角胶部件子系统三个子系统模型分别导入到ABAQUS软件中，先将贴合后的胎体鼓部件、带束鼓部件在成型鼓上进行装配，按照施工表上的定位参数将三角胶部件定位到成型鼓上,如图6(a)所示；对胎体鼓部件上的轮胎内衬层施加额定气压进行充气，同时胎圈14向中间移动依次经过预定型、定型和超定型位置，如图6(b)所示；胎侧8的反包过程采用分段施加均布压力方法模拟，如图6(c)所示；反包结束后，形成生胎，如图6(d)所示。反包过程为从耐磨胶到胎侧8采用分段施加0.2Mpa-0.4Mpa均布压力方法模拟反包胶囊的反包过程。

(3.3)将(3.2)得到的生胎放入硫化罐内，与硫化模具进行装配，然后通过对轮胎内表面施加均布压力的方法进行定型仿真，按照施工设计先给轮胎内衬层施加0.9Mpa的均布压力对生胎预定型(图7(a))，然后施加2.6Mpa的大气压对胎坯进行最终定型，形成成品胎 (图7(b))；

(4)曲面鼓参数优化

根据(3.1)、(3.2)仿真得到生胎材料分布图，即图6(d)，在轮胎子午线方向上，如图8所示，生胎中3号带束层与理论设计材料分布图如图9所示，该带束层的距离为Δr，3 号带束层在(3.3)的定型过程中帘线的预期伸张率以机内定型过程中带束层定型预期伸张率满足0.2％≤δ≤0.6％、胎面胶料流动均匀作为判断曲面鼓形状参数合理与否的指标，如果不达标，调整步骤(2)中弧线段的宽度d、弧形段的曲率半径R和带束鼓的直径D，重复步骤(3)、(4)直至达到预期伸张率满足0.2％≤δ≤0.6％、胎面胶料流动均匀，再进行轮胎生产。

为说明本发明方法的有效性，运用步骤(1)-(3)中的轮胎成型仿真方法模拟了带束鼓为直鼓(原始方案)的轮胎成型过程，其中步骤(2)中带束鼓为直鼓，得到成品胎仿真材料分布图如图10(b)所示。图11为原始施工设计的3号带束层3的帘线位置变化，带束层中部帘线的预期伸张率δ远大于0.6％，造成带束层中间部位不能被顶起，通过仿真得到的成品胎结构如图10(b)，与图9中所示的理论设计轮胎结构有很大差距，随着硫化温度提高，胎面胶料由两侧向胎冠中心移动，造成胎面6畸形。图12(a)为原始施工设计(直鼓)的实际生产断面，胎面胶料有两侧向胎冠中心流动明显，带束层弯曲，与理论设计结构相差甚远。

图12(b)为采用曲面鼓方案后的实际生产断面扫描图，可以发现，断面较好，不存在胎肩胶料向中部移动的情况。图13为采用曲面鼓的3号带束层3的帘线位置变化，带束层中部帘线的最大预期伸张率为0.3％。图14为两种方案在定型过程中带束层帘线受力对比图，采用曲面鼓设计后，胎冠中心处带束层中部受力显著减小，且在子午线方向变化梯度减小，使得成品胎中帘线内应力减小。这说明了本发明专利所阐述宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓及设计方法，能有效的解决宽基胎胎面6畸形和改善带束层帘线应力分布不均的情况，可在轮胎行业内推广实施。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，其特征在于，轮胎成型机带束鼓的中间段为凸出的曲面结构，所述带束鼓表面的截面轮廓线由两段直线段与位于两直线段之间的一段弧形段组成，弧形段的宽度d为理论材料分布图中3号带束层的宽度80％-120％；弧形段的曲率半径R为3号带束层的曲率半径的70％-130％；所述带束鼓的直径D、两段直线段的长度l₁、l₂为：

其中，L为带束鼓总宽度，D₁为理论材料分布图中测出的1号带束层直径；ψ为带束层伸张率，取值0-0.2％。

2.根据权利要求1所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，其特性在于，弧形段的宽度d为理论材料分布图中第3号带束层的宽度80％-120％；所述弧形段的曲率半径R等于由第2号带束层或第3号带束层的曲率半径的70％-130％。

3.根据权利要求1所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，其特性在于，还包括利用轮胎成型仿真方法优化弧形段的曲率半径R的过程，具体包括以下步骤：

(1)轮胎半成品部件有限元模型的建立：

宽基子午线轮胎主要包括主鼓部件、带束鼓部件和三角胶部件，主鼓部件包括胎侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶；带束鼓部件包括1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶；三角胶部件包括钢丝圈、三角胶以及三角胶胶片；根据施工要求建立所述轮胎各部件有限元模型，将宽基子午线轮胎简化为二维轴对称模型，橡胶部件有限元模型中四边形单元为CGAX4H，三角形单元为CGAX3H，二维面单元为SFMGAX1，采用Maxwell流变模型和Marlow超弹性本构模型描述橡胶材料属性，RebarLayer模型模拟钢丝帘线；胎体鼓、带束鼓采用解析刚体模拟，胎体鼓部件、带束鼓部件和三角胶部件计算模型由HYPERMESH软件进行网格划分，然后将网格模型导入ABAQUS计算；

(2)建立带束鼓模型：

根据权利要求1中初步确定的带束鼓结构参数，建立中间段为凸出的曲面的带束鼓模型；

(3)轮胎生胎成型过程仿真：

(3.1)根据三鼓式一次成型法成型机的工艺流程，在成型机主鼓上进行侧胶、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层、胎肩垫胶的贴合，形成主鼓部件子系统；

在带束鼓上进行1号带束层、2号带束层、3号带束层、4号带束层、以及胎冠胶的贴合，形成带束鼓部件子系统；

(3.2)将(3.1)中的胎体鼓部件子系统、带束鼓部件子系统和三角胶部件子系统三个子系统模型分别导入到ABAQUS软件中，先将贴合后的胎体鼓部件、带束鼓部件在成型鼓上进行装配，按照施工表上的定位参数将三角胶部件定位到成型鼓上，对胎体鼓部件上的轮胎内衬层施加额定气压进行充气，同时胎圈向中间移动依次经过预定型、定型和超定型位置，胎侧的反包过程采用分段施加均布压力方法模拟，反包结束后，形成生胎；

(3.3)将(3.2)得到的生胎放入硫化罐内，与硫化模具进行装配，然后通过对轮胎内表面施加均布压力的方法进行定型仿真，按照施工设计先给轮胎内衬层施加0.9Mpa的均布压力对生胎预定型，然后施加2.6Mpa的大气压对胎坯进行最终定型，形成成品胎；

(4)曲面鼓参数优化

根据(3.1)、(3.2)仿真得到生胎材料分布图，在轮胎子午线方向上，生胎中3号带束层与理论设计材料分布中该带束层的距离为Δr，3号带束层在(3.3)的定型过程中帘线的预期伸张率以机内定型过程中带束层定型预期伸张率满足0.2％≤δ≤0.6％、胎面胶料流动均匀作为判断曲面鼓形状参数合理与否的指标，如果不达标，调整步骤(2)中弧线段的宽度d、弧形段的曲率半径R和带束鼓的直径D，重复步骤(3)、(4)直至达到预期伸张率满足0.2％≤δ≤0.6％、胎面胶料流动均匀，再进行轮胎生产。

4.根据权利要求3所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，其特性在于，所述步骤(1)中划分的网格尺寸为6-9mm，在步骤(3)中还包括变形较大的部位网格细化。

5.根据权利要求3所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，其特性在于，所述步骤(3.1)中贴合仿真采用施加0.1Mpa-0.2Mpa均布压力的方法。

6.根据权利要求3所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，其特性在于，所述步骤(3.2)中反包过程为从耐磨胶到胎侧采用分段施加0.2Mpa-0.4Mpa均布压力方法模拟反包胶囊的反包过程。

7.根据权利要求3所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法，用于高宽比0.65及以下的宽基载重子午线轮胎带束鼓的设计。

8.根据权利要求1-6任一项所述的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓的设计方法设计的宽基载重子午线轮胎成型机带束鼓。