新型盤絲驅動內模直壓機構的設計

陸堯 雷君相

摘要：針對傳統硫化機的膠囊對膠料和能源損耗過高的問題，設計了一種新型內模直壓機構用于代替傳統硫化機的膠囊。利用上下雙盤絲機構分別驅動大小金屬成型鼓并使其完成復雜的軸徑向收縮運動，實現了硫化機無膠囊的硫化過程。以大小金屬成型鼓的關鍵運動參數和結構參數為基礎，完成了內模直壓機構關鍵部件的結構設計，實現了機構的功能，同時有效地避免了機構各零部件之間產生運動干涉。用ANSYS軟件對內模直壓機構進行靜力學仿真分析，根據模擬仿真的分析結果對機構進行了優化設計，使機構滿足了硫化狀態下的強度要求。

關鍵詞：盤絲驅動內模直壓機構;結構設計;靜力學分析

中圖分類號：TH 122文獻標志碼：A

輪胎硫化是生產輪胎的最后一道工序，對改善成品胎的性能極其重要。目前，我國輪胎硫化機的發展十分迅速。但現有的硫化機多采用往膠囊中充放過熱水、蒸汽和混合氣體來實現膠囊的脹縮，并以此為硫化過程中的胎坯提供壓力和熱量。膠囊是一種柔性材質，在反復膨脹加壓過程中容易損壞，使用壽命低，加大了膠料的損耗，并且很難精確控制供給輪胎的壓力和熱量，使得輪胎產生質量不均等缺陷。因此發展新型精密硫化機已經成為了輪胎行業發展的重要環節。

固特異IMPACT技術雖仍然使用膠囊進行硫化，但用氮氣硫化代替過熱水和蒸汽，大大減少了硫化時間。米其林C3M技術用電加熱方式進行硫化，大大減少了能耗。倍耐力MIRS技術直接利用胎坯的氣密層代替膠囊進行硫化，減少了膠料的損耗。

為解決傳統硫化機膠囊的膠料和能源損耗過高的問題，在充分借鑒國內外新型硫化技術研究的基礎上，本文設計了一種新型盤絲驅動內模直壓機構，利用盤絲驅動機構實現了成型鼓的軸徑向收縮運動，對內模直壓機構進行了運動學設計和靜力學分析。

1盤絲驅動機構的結構及工作原理

盤絲驅動內模直壓機構的結構如圖1和圖2所示。機構采用上下兩個盤絲分別驅動大小成型鼓形成內模直壓。大成型鼓和大卡爪連接，安裝在大卡爪導向盤中，由大旋轉盤絲驅動;小成型鼓和小卡爪連接，安裝在小卡爪導向盤中，由小旋轉盤絲驅動。大小成型鼓處于分離狀態，其間的垂直距離大于生胎的高度。當電機帶動軸I和軸Ⅱ轉動時，軸I上的大波發生器在軸I的帶動下在大柔性齒輪內旋轉并迫使柔性齒輪變形。在大波發生器橢圓長軸方向，大柔性齒輪與大剛性齒輪完全嚙合。此時，齒輪副將運動傳至大柔性齒輪，而大柔性齒輪將運動直接傳給大旋轉盤絲，使得大旋轉盤絲轉動。盤絲副將大旋轉盤絲的轉動轉化為徑向運動傳至大成型鼓，使大成型鼓獲得徑向的運動。同時，軸Ⅱ上的小波發生器在軸Ⅱ的帶動下在小柔性齒輪內旋轉并迫使柔輪變形，經齒輪副和盤絲副將運動傳至小成型鼓。小成型鼓作徑向的運動。

在大小成型鼓作徑向運動的同時，驅動機構的上半部分在壓力機帶動下下移至與大小成型鼓處于同一水平面時停止。機構的運動終了狀態如圖2所示，大小成型鼓處于極限脹開位置，大小成型鼓的分割面緊密貼合，所有成型鼓的外表面形成和輪胎內壁一樣的形狀，并且配合外模對輪胎施加硫化所需的壓力。

當硫化結束后，電動機反轉，使大小盤絲反向轉動，大小成型鼓收縮。同時內模直壓機構的上半部分（小成型鼓）上移至裝胎的高度。此時取下成品胎，換上生胎并重復上述步驟。

盤絲驅動內模直壓機構的特點如下：

機構采用剛性成型鼓代替柔性膠囊，可節省膠料和能源損耗，并可為輪胎硫化提供更大的壓力。

機構采用兩個卡盤分別驅動大小成型鼓，對大小成型鼓運動的可控性更強，可以提高硫化機對輪胎的適用性，打破一機一胎的限制。

機構的大小成型鼓收縮時處于上下兩個平面，可擴大運動空間，更有效的避免干涉。

機構上半部分的上下運動可為胎側子口施加壓力。

2 內模直壓機構的結構設計

2.1成型鼓的設計計算

本研究選擇235/35R22型輪胎。成型鼓結構如圖3所示，A為大成型鼓，B為小成型鼓。由實線組成的大、小成型鼓處于極限脹開位置。由虛線組成的大、小成型鼓處于極限收縮狀態。D為成型鼓的徑向寬;R₁為成型鼓位于極限脹開位置時，所有成型鼓外側圓弧所組成圓的半徑;r1為成型鼓位于極限收縮位置時，大成型鼓外側圓弧的外接圓半徑;r2為成型鼓位于極限收縮位置時，小成型鼓外側圓弧的外接圓半徑;r3為成型鼓位于極限收縮位置時，小成型鼓內側圓弧的外接圓半徑;H₁為大成型鼓的最大徑向收縮位移;H₂為小成型鼓的最大徑向收縮位移;θ₁為大成型鼓圓心角;θ₂為小成型鼓的圓心角;₃為大成型鼓分切線之間的夾角。

成型鼓各參數間的關系如式（1）-（5）所示：式（1）-式（5）中：λ為收縮比，反映成型鼓的收縮程度;z為成型鼓總數，本次設計中為14塊。

235/35R22型輪胎的內腔直徑為345.90mm，取R₁為345.90mm，胎圈直徑為279.40mm，取r₁為274.50mm，取r2為213.00min。將R₁，r1，r2和Z值代人式（1）和式（5）中得到的成型鼓結構參數如表1所示。

為了確保輪胎的順利安裝和卸取，大、小成型鼓的縱向位移須保證大、小成型鼓之間的垂直間距大于輪胎的斷面寬度。因此其縱向位移為342.00mm。

2.2 盤絲與卡爪的設計

盤絲和卡爪的結構參數如圖4和圖5所示。

2.2.1卡爪牙的齒距

為保證運動過程的平穩，盤絲和卡爪的初始和終了狀態均至少要有3個齒嚙合。因此將齒數設定為3。牙弧齒距S_k過大會使盤絲外徑超出大成型鼓極限收縮狀態內弧半徑;S_k過小則會導致齒厚太小，使牙弧齒容易發生變形。因此將大導向件的牙弧距S_k1設為22.70mm，將小導向件的牙弧距S_k2設為12.30mm。

2.2.2盤絲的幾何尺寸

盤絲曲線選擇漸開線，漸開線的方程如式（6）所示：

式中：a為基圓半徑;ψ為滾動角;x為橫坐標;y為縱坐標。

漸開線盤絲的自定心嚙合有兩個條件控制：卡爪牙弧的偏心距等于基圓半徑;卡爪牙弧的牙距與盤絲螺距相等，且均等于2IIa。因此大旋轉盤絲基圓半徑a₁為3.61mm，小旋轉盤絲基圓半徑a₂為1.96mm。

螺旋曲線外弧的最大曲率半徑Pmax必須小于大成型鼓極限收縮時的內弧半徑，同時盤絲和成型鼓之間要有足夠的空間用來放置機架。因此大小旋轉盤絲螺旋曲線外弧的最大曲率半徑pmax均設為180.00mm。

Pmin與Pmax之差必須足夠大，以保證終了狀態卡爪的三個齒全部與盤絲嚙合。因此大旋轉盤絲的最小曲率半徑P1min為24.00mm，小旋轉盤絲的最小曲率半徑P2min為9.00mm。

2.2.3卡爪牙的大小弧

為了防止卡爪牙與盤絲漸開螺旋曲線內外弧邊緣的不良接觸和楔緊現象的產生，卡爪牙大小弧半徑需滿足式（7）和式（8）。

將大小盤絲的最大和最小曲率半徑值代入式（7）和式（8）可得大卡爪的大弧半徑R_b1大于179.00mm，小弧半徑R_sl小于23.00mm，小卡爪的大弧半徑R_b2大于179.00mm，小弧半徑R_s2小于8.00mm。因此取R_b1為185.00mm，R_s1為21.00mm，R_b2為185.00mm，R_s2為7.00mm。

3 機構的靜力學分析與優化

內模直壓機構在硫化過程中會受到膠料對它的反作用力。如果機構的強度不夠會導致其硫化過程中發生塑性變形，最終會影響成品胎的質量。因此進行靜力學分析是內模直壓機構設計的關鍵。

為了使上述設計的內模直壓機構最終滿足強度要求，本文使用ANSYS軟件對機構進行靜力學分析，并對結構進行優化。ANSYS軟件采用的有限元分析法是將計算域劃分為有限個單元，在每個單元中選擇合適的節點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫為由各變量和選用的插值函數所組成的線性表達式，借助變分原理或加權余量法求解微分方程，得到結果。因此，ANSYS軟件在單元數量足夠多的情況下，其求解值可以達到精確值，從而可以在無試驗的條件下驗證設計的準確性，節省試驗所消耗的人力、物力和財力。

3.1內模直壓機構計算模型的建立

機構包含的零部件較多并且形狀和受力較為復雜，這就導致對完整的機構進行模擬是很困難的。因此需要在滿足實際條件的基礎上對機構作如下的簡化：

（1）因為大小成型鼓在周向均勻分布，所以每個大成型鼓和每個小成型鼓的受力情況是相同的。計算模型只取一個大成型鼓和一個小成型鼓。

（2）在輪胎硫化過程中，機構處于靜止狀態。此時機構的主要受力部件是成型鼓、連接件、卡爪、盤絲以及卡爪導向盤，并且成型鼓所受的載荷可換算到連接件上。因此建立計算模型只考慮連接件、卡爪、盤絲以及導向盤，并對這幾個零件進行簡化。

使用CATIA軟件進行三維建模，并導人ANSYS軟件進行前處理。

機構的材料選用50Cr。在840℃油淬、520℃回火油冷的熱處理狀態下，50Cr的彈性模量為206.00GPa，泊松比為0.30，屈服強度為930.00MPa。安全因數取1.30，許用應力為715.30MPa。

對導人ANSYS軟件的模型用四面體網格進行劃分，劃分好的模型如圖6所示。

對劃分好的模型設置邊界條件。剛性內模對膠料施加的壓力為3.25MPa，換算到大小連接件表面上的均布載荷分別為8.11MPa和3.34MPa。對卡爪導向盤的底面和中心圓弧面以及盤絲的中心圓弧面施加固定約束。

3.2 計算結果分析

圖7中的小成型鼓盤絲驅動內模直壓機構的最大應力635.45MPa小于許用應力715.30MPa。而大成型鼓盤絲驅動內模直壓機構的最大應力1178.67MPa超過了材料的許用應力715.30MPa。圖8中的大連接件和大卡爪導向盤的最大應力311.71和424.58MPa，都在許用應力范圍內。而大盤絲和大卡爪最大應力789.68和949.63MPa，都超過了材料的許用應力。由此可見模型中超過許用應力的應力集中在盤絲和卡爪上，并且最大應力發生在卡爪和盤絲嚙合的部分。發生這種現象是由于卡爪的高度過高，導致卡爪受到了過大的彎矩作用，使得盤絲和卡爪嚙合的部位，以及卡爪的導向槽部位產生了過大的應力。雖然在簡化的計算模型中只要降低卡爪的高度便可以降低應力，但是在完整的內模直壓機構中，一旦降低卡爪的高度，成型鼓脹縮時便會與卡爪導向盤發生干涉。這就導致要想降低應力，必須改變連接件的結構。

3.3 結構優化設計

根據上述分析結果，對連接件的結構作如圖9（c）所示的改進。在連接件的底部增加支架。圖9中的大卡爪的最大應力為656.26MPa，大盤絲的最大應力為543.36MPa，大連接件的最大應力為498.19MPa，大卡爪導向盤的最大應力為489.05MPa。所有零件的最大應力均在許用應力范圍內。這是由于改進后的連接件底部增加了支架，支架在卡爪中間部位與卡爪接觸并對卡爪施加橫向作用力，而原本卡爪頂部承受的橫向作用力變成豎直的作用力。這就使原本很大的彎矩降低，從而使機構的應力降低。

4結論

本文設計了一種新型盤絲驅動內模直壓機構，實現了輪胎硫化機無膠囊的硫化過程。以235/35R22型輪胎的徑向收縮成型鼓的運動為基礎，完成了盤絲、卡爪的結構設計，實現了機構的功能。新機構能提供平穩、可靠、高精度的運動，提高硫化機對輪胎的適用性，擴大運動空間，更有效的避免干涉，為胎側子口施加壓力。對內模直壓機構進行了靜力學分析，并對機構進行了優化設計。優化了連接件的結構以及連接件與卡爪的連接方式，降低了卡爪的彎曲應力，使整個機構的應力分布均處于許用應力以下，滿足了強度要求。