新型軸向伸縮式汽車輪胎成型模結構設計

吳賢開，吳賢標，張首冠，蔡子平，柯湧躍，張賽軍

（1.天陽模具有限公司，廣東 揭陽 515559；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

0 引 言

輪胎是橡膠工業的代表產品，是一個國家發展必不可少的戰略資源[1]。近年來,汽車工業進入了快速發展通道,節能與新能源汽車不斷推出[2],也促進了輪胎行業的發展。隨著輪胎行業的飛速發展，對輪胎產品的多樣性和性能要求也越來越高。成型是輪胎生產中的重要工序，其成型模的成型鼓直接影響成型輪胎的使用性能和制造精度。針對不同的要求實現輪胎成型是成型鼓研發的重點，也是輪胎生產企業提高生產效益的有效途徑。

成型鼓是輪胎成型模的主要零件，其結構的設計與改進一直都是輪胎生產的重點。目前，國內外關于普通車輛輪胎成型鼓的研究較多，而關于大伸縮比寬基輪胎成型鼓（徑向伸縮式）和大伸縮比航空輪胎成型鼓（軸/徑向伸縮式）的研究仍處于研發階段[3]。國內輪胎企業的生產主要集中于中低端產品，多數高精度成型鼓與大伸縮比成型鼓依賴進口。因此，大徑向伸縮比成型鼓的改進設計成為其設計方面的研究重點。汪菲等[4]基于螺旋理論對一種航空輪胎用軸/徑向伸縮式成型鼓進行了拓撲分析與結構創新，得到了多種可行的改進方案。豆亞云[5]基于螺旋理論與疊加原理提出了一種新型軸/徑向伸縮式成型鼓，對其運動學、尺度綜合、運動仿真等進行分析，實現了較大徑向伸縮比下成型鼓的應用。在實際生產中，目前國內徑向伸縮鼓多采用雙滑塊式連桿機構。

改革開放以來,我國整體經濟得到了突飛猛進的發展,汽車行業尤為突出[6]。近年來，國內針對大徑向伸縮比成型鼓的結構分析與改進的研究一直在進行，但在實現大徑向收縮比的同時難以兼顧對鼓寬的控制。在要求大徑向伸縮比、對鼓寬大小沒有嚴格限制的情況下可以很好地完成成型工作，在徑向伸縮比較大、鼓寬較小的場合中無法滿足設計要求。現介紹一種改進后的軸向伸縮旋轉折疊成型鼓結構，可應用于伸縮比大且鼓寬小的場合，同時改善了成型后的輪胎質量。

1 雙滑塊式徑向伸縮成型鼓局限性

雙滑塊式徑向伸縮成型鼓是目前國內最多使用的徑向伸縮鼓，結構簡圖如圖1所示，采用雙滑塊式連桿機構，通過左右導向盤的限位作用，將主軸1上滑動座2的軸向運動轉化為鼓架的徑向運動。這種成型鼓具有整體精度高、成型效率高、運行穩定、可靠性高等優點，但鼓架的伸縮范圍會受到滑動座軸向行程的限制。要達到較大的徑向伸縮比，必須增大滑動座的軸向行程。而滑動座行程的大小直接影響伸縮鼓的鼓寬大小，增大滑動座行程則鼓寬也隨之增大。這種結構的局限性在于滿足大伸縮比的同時鼓寬也較大，無法應用于伸縮比較大、鼓寬較小的場合。

圖1 雙滑塊式徑向伸縮成型鼓結構簡圖

2 新結構成型鼓分析

雙滑塊式徑向伸縮鼓實現大伸縮比的同時無法保證較小鼓寬的應用，現設計了一種新結構軸向伸縮旋轉折疊成型鼓。新結構成型鼓改進了原結構對鼓寬的限制，可適用于伸縮比大、鼓寬小的場合，成型鼓結構如圖2所示。

圖2 新結構成型鼓

成型鼓不再采用原來將滑動座軸向運動轉化為鼓架徑向運動的伸縮方式，而是利用旋轉座的回轉運動帶動連桿擺動使鼓架與鼓肩進行徑向伸縮運動。成型鼓主體結構由主軸1、鼓肩8、與鼓肩固定連接的鼓架4、鼓肩的徑向伸縮裝置和旋轉折疊裝置、心軸2和軸向旋轉運動裝置組成。其中徑向伸縮裝置由導向桿3及導向套組成，帶動鼓肩鼓架實現徑向伸縮；旋轉折疊裝置由主軸1、連桿5、旋轉座6和旋轉套組成，旋轉座由螺釘固定在旋轉套上，連桿兩端通過傳動銷7分別與鼓架和旋轉座連接，通過旋轉座的旋轉運動帶動連桿完成成型鼓的張開、折疊動作。鼓肩由大鼓肩和小鼓肩組成，連桿由大連桿與小連桿組成。大鼓肩與大連桿相連，小鼓肩與小連桿相連。大連桿長度較長，大連桿與導向桿形成的角度應大于小連桿與導向桿形成的角度，小連桿與導向桿形成的角度可以接近于0。因此，鼓肩收縮時小鼓肩先進行收縮，這種結構設計使收縮過程中大小鼓肩不會互相干擾，展開過程中又能相互閉合，形成無縫隙真圓狀態。成型鼓兩邊各有一個導向座，左導向座通過主軸上的鎖緊環與小平鍵實現定位，右導向座通過主軸上的軸肩與小平鍵實現定位。此外，在導向座上還設有限位盤，用以限制鼓架徑向展開的行程，還可以減少行程誤差，提高輪胎胎胚的成型精度。對于軸向旋轉運動裝置，旋轉套設計為中空圓筒狀，裝配在主軸上，旋轉套側面設有軸向方向的直線導向通孔，與芯軸固定連接的傳動銷穿過直線導向通孔并進入螺旋導向槽，旋轉座設置在旋轉套外側并固定連接，實現軸向旋轉運動。成型鼓的小鼓架上還焊接了調整塊，可以通過調整螺釘來調節調整塊與鼓配合的松緊程度，使鼓肩整體更接近真圓狀態，有利于提高輪胎胎胚成型的合格率。

這種新型軸向伸縮旋轉折疊成型鼓的結構使鼓架與鼓肩只進行徑向運動，在軸向實現了零行程，縮短成型鼓的軸向內部空間，結構更緊湊，有效減小了鼓寬，尤其適用于伸縮比大但鼓寬小的工作場合。

3 新結構成型鼓工作過程

軸向伸縮旋轉折疊成型鼓通過對運動伸縮機構的改進，利用旋轉運動向徑向直線運動的轉化實現了徑向伸縮功能。實際工作時，芯軸在主軸內做軸向直線往復運動，傳動銷在芯軸與直線導向通孔和螺旋導向槽的共同作用下，推動旋轉套旋轉。這一步驟將芯軸的軸向運動轉化為旋轉套的旋轉運動，即“軸向伸縮”的實現。連桿一端通過銷軸與鼓架連接，另一端通過銷軸與旋轉座連接，旋轉套帶動旋轉座沿主軸表面做旋轉運動，以此帶動連桿的擺動，使鼓肩與鼓架在導向桿的作用下進行徑向伸縮運動，實現輪胎成型。成型鼓的大連桿長度比小連桿長，鼓肩收縮時，小鼓肩由于小連桿較短直接進行收縮，而大鼓肩則先向外展開一小段距離后再進行收縮，順利完成鼓架的徑向伸縮運動。

4 新結構成型鼓在實際生產中的應用

采用新結構的軸向伸縮旋轉折疊成型鼓已應用于實際生產中，成型鼓實物如圖3所示。傳統的雙滑塊結構式成型鼓結構簡單，可以實現不同大小的徑向伸縮比。但針對大徑向伸縮比及較小鼓寬的要求，由于其導向裝置的限制必須增大滑動座的軸向行程，從而鼓寬隨之增大無法滿足要求。新結構成型鼓通過新的運動轉換方式可以在實現大徑向伸縮比的同時達到較小的鼓寬，其結構更為緊湊，同時提高了成型精度并延長了使用壽命。相較于普通成型鼓5萬次左右的使用壽命和徑向跳動0.5 mm以上的變形量，新結構成型鼓的使用壽命為15萬次以上，變形量為徑向跳動0.2 mm以下。

圖3 成型鼓實物

5 結束語

針對原結構成型鼓實現大伸縮比的同時無法對鼓寬進行限制的問題，設計了一種新型軸向伸縮式汽車輪胎成型模，通過芯軸的直線運動向旋轉運動的轉化，再向鼓架的徑向伸縮運動的轉化，使鼓架和鼓肩只進行徑向運動，實現了不影響鼓寬的大伸縮比輪胎成型。

新型成型鼓已經在實際生產中應用，生產精度得到了較大提高，對輪胎生產有著重要的實用意義。