基于三维设计软件CATIA的12R22.5全钢载重子午线轮胎的施工设计

高荣彬，黄兆阁，雍占福

（青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042）

近年来，随着高等级公路的快速发展，子午线轮胎产销量出现了井喷式增长[1]。子午线轮胎的花纹较斜交轮胎复杂，对轮胎的结构设计和施工设计提出了更高的要求。随着轮胎和计算机技术的快速发展，轮胎设计水平不断提高。为了采用更高效的设计方法来降低设计中的生产成本，避免设计失误，缩短轮胎的开发周期，更精确的施工设计尤为重要。

席思文[2]基于三维设计软件CATIA对轮胎包络进行了准确计算分析。程小彪等[3]基于CATIA创建了车轮极限运动包络面，并进行了动态间隙分析。陈进富[4]结合CATIA等利用正向思维化解逆向难题，从而开发出了轮胎花纹逆向设计系统。韩平安等采用CATIA设计了385/65R22.5 18PR无内胎全钢载重子午线轮胎的三维造型，并最终完成轮胎设计。陈振艺[5]利用CATIA的简单实体功能进行了载重轮胎花纹的造型。杨洪云等[6]基于CATIA二次开发出轮胎包络自动形成的方法。陈振艺[7]用VB对CATIA软件进行了简单的二次开发。邱垂翔[8]利用CATIA软件对某轻型商用车麦弗逊前悬架进行了三维运动校核分析。

轮胎企业多采用AutoCAD软件进行轮胎半成品的体积计算，鉴于该软件无法计算复杂花纹，用其估算的体积误差较大。

本工作基于CATIA软件对12R22.5全钢载重子午线轮胎进行施工设计优化。首先基于橡胶和钢丝均是体积不可压缩体（轮胎生产过程中），认为轮胎的各部件在成型前后体积不变，再利用CATIA绘制出复杂花纹，并进行精确的施工设计。

1 花纹绘制

轮胎花纹用于提高轮胎与地面的摩擦力、增大制动力和驱动力等，轮胎花纹设计还影响着汽车的噪声、震动性能和行驶性能以及轮胎的耐磨性能等。利用软件设计轮胎花纹时，应该尽可能地贴合实际轮胎花纹。

轮胎结构设计中对胎冠进行三维造型时，复杂花纹的绘制是难点，采用CATIA软件进行轮胎三维造型的步骤如下。

步骤1，利用CATIA草图功能绘制轮胎花纹展开图和轮胎断面轮廓图。对花纹展开图进行适当修剪（对材料体积分布影响不大，但可大大简化绘图难度），保留一个花纹节距。同时为了方便胎肩造型，对轮胎断面轮廓图进行适当修剪（如去掉装饰线、文字等），如图1和2所示。

图1 轮胎花纹展开示意

图2 轮胎断面轮廓示意

步骤2，通过CATIA草图编辑器约束绘制完成草图，先绘制1个节距的胎冠。

（1）纵向花纹沟造型。将纵向花纹沟曲线展开到轮胎胎面上，然后运用扫掠工具进行扫掠。为了切割彻底，需要外延插伸工具。最后切割，移除纵向花纹沟。重复此方法，依次切割完胎面上的所有纵向花纹沟。纵向花纹沟的优点是滚动阻力较小，防侧滑能力较好，但防纵滑能力较差，易夹杂石子、产生裂纹。

（2）横向花纹沟造型。将横向花纹沟曲线展开到轮胎胎面上，然后运用扫掠工具进行扫掠。重复此方法，依次切割完胎面上的所有横向花纹沟。横向花纹主要是以横向花纹沟为主的横向曲折花纹，其花纹沟较宽，牵引力较大，散热性能和耐磨性能较好，但是噪声较大。

（3）胎肩造型。将胎肩花纹展开到轮胎胎面上，运用多重提取、扫掠和外延插伸工具，切割胎肩部分，最后移除，得到完整胎肩造型。胎肩花纹沟与普通花纹沟区别不大。

步骤3，排水线的设计与纵向花纹沟、横向花纹沟和胎肩的造型方法一致，唯一区别是旋转体的厚度和位置。如果是同一平面的旋转体，则位置相同；如果胎面凸起，该旋转体的位置则要高于凸起高度。至此已经完成花纹造型，切割移除得到一个完整的节距，如图3所示。

图3 轮胎1个截距的造型

步骤4，通过布尔操作移除花纹沟后，给花纹倒圆角，然后1个节距的胎冠通过圆形阵列，得到轮胎完整的三维造型，如图4所示。

图4 轮胎完整的三维造型

轮胎设计过程中涉及许多曲面的绘制，CATIA的曲面设计功能非常强大，逐渐成为汽车及零部件设计的常用三维软件，采用该软件可以进行复杂花纹设计，提高施工设计精度，明显减少试制次数，提高开发效率。

2 施工设计

2.1 基本原理

材料沿载荷方向产生伸长（或缩短）变形的同时，在垂直载荷方向会产生缩短（或伸长）变形。垂直载荷方向上的应变（横向应变）与载荷方向的应变（纵向应变）之比的负值称为材料的泊松比。

钢丝虽然是体积可压缩材料，但由于成型过程中材料受力较小，其体积变形可以忽略不计；橡胶是体积几乎不可压缩材料，轮胎成型前后各部件体积不变，橡胶的泊松比取0.5[9-10]。

基于轮胎成型前后，成品部件和半成品部件可以认为体积不变，根据轮胎的成品轮廓图和花纹展开图，利用CATIA三维软件设计出轮胎造型，然后将胎冠、胎侧和三角胶等成品部件分别分割成小的单元体，然后利用CATIA软件求解每个单元体的体积，求出带有花纹的胎冠体积，进而反推求出半成品结构。

2.2 胎冠施工设计

使用常规的胎面半成品施工工艺，成品轮胎断面易出现带束层不平，会造成轮胎行驶过程中带束层抗压缩变形能力减弱，导致轮胎接地不良，使用性能下降，使用寿命缩短，并且导致胎冠发生翘曲变形，安全性能下降[11]。为避免该情况，结合实际施工条件，使用如图5所示的半成品结构。

图5 胎冠半成品施工示意

在轮胎实际成型过程中，由于不同贴合工艺的选择，使得胎面胶料分布易发生变化。因此，在根据求得的基部胶和胎面胶体积计算胎冠半成品尺寸时，结合实际施工条件，对胎冠半成品尺寸进行修正调整。

根据CATIA计算得到的图5中胎冠1—8部分体积分别为507.0，591.5，1 009.1，2 733.0，358.3，1 235.0，485.9和565.5 cm3。

根据CATIA求得的体积，计算出的胎冠复合件半成品参数如表1所示。

表1 胎冠复合件半成品参数 mm

2.3 其他部位施工设计

轮胎其他部位的施工设计与胎冠一样，轮胎成型硫化过程中胎体帘布、带束层、胎圈钢丝受力较小，体积变形可以忽略不计，因此其直径、长度和宽度等参数不变。

3 实际应用

利用本研究方法进行复杂花纹12R22.5全钢载重子午线轮胎的施工设计，并进行轮胎试制。结果表明，轮胎的胎里反弧、胎里露线、胎圈露钢丝病象均有所减少，花纹综合合格率从99.71%提高至99.82%，常规耐久性能的累计行驶时间从72.83 h延长至78.50 h。

4 结论

本研究基于CATIA软件，采用简单快捷的步骤完成了轮胎花纹绘制和轮胎三维造型，并求解出轮胎半成品的结构和尺寸，在轮胎成型前以及设计目标值变化时，可以对成型工艺进行设计和控制。

利用本研究方法进行施工设计具有以下优点：（1）保证材料分布情况与实际更接近，尺寸更准确；（2）施工设计更合理，提高轮胎的综合合格率和工艺稳定性；（3）根据半成品尺寸和轮胎设计目标值，对轮胎成型工艺进行设计和控制；（4）计算精确度高，实用性强；（5）减少了试制次数，节约了试验费用，降低了开发成本。