基于自定義特征的子午線輪胎結構參數化系統的設計

陶森望，宋 健，徐丹丹，李宏玲，董玉德

（合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

隨著汽車行業的發展，國內汽車保有量逐年上升，輪胎的需求量也在不斷增大[1-3]。作為車輛與地面接觸的唯一部件，輪胎穩定性對駕駛人員和行人的安全起著至關重要的作用。因此，輪胎結構設計受到越來越多的重視，而輪胎結構影響著輪胎耐磨性能、抓著性能、側向穩定性以及車輛減振性能。

許多學者對輪胎結構與性能展開了研究，其中，日本的K.KABE等[4]在設計的輪胎滿足使用年限的條件下，提出將輪胎安全要素的結構設計方法應用于卡車和客車的結構設計中。J.R.CHO等[5]采用遺傳算法對載重子午線輪胎結構進行目標優化，用迭代遺傳進化方法處理不連續離散型設計變量。S.W.JUNG等[6]提出一種層次模糊花紋匹配分類器（HFPMC）的設計方案，并將其應用于輪胎胎面花紋識別中。C.H.CHU等[7]開發了輪胎CAD模具參數化專用設計系統，并且提出一種幾何算法，可對設計過程中出現的不需要的槽幾何形狀進行自動更正。郭麗華等[8]在設計子午線輪胎結構時添加了數據庫，使數據管理相對規范，能夠更好地維護和管理數據，并且實現了數據共享，減少了設計中的冗余度。付平等[9]通過非線性有限元分析軟件Abaqus對無內胎載重子午線輪胎充氣過程和接觸應力進行仿真分析并優化了其結構。應蓮花[10]提出對輪胎輪廓及花紋的參數化建模方法，并對模型進行了有限元分析。王國林等[11]提出一種新的輪胎充氣非平衡內輪廓的積分方程，設計的輪胎抓著性能和耐磨性能更好。李煒[12]提出了修正的子午線輪胎平衡輪廓形狀理論，研究發現該修正理論可直接用于子午線輪胎平衡輪廓的設計。薛梓晨等[13]提出一種新型子午斜交輪胎胎體結構，利用Abaqus建立了輪胎仿真模型，并對其接地性能和骨架材料力學性能進行了分析。曹沖振等[14]發現帶束層結構寬度和角度對輪胎滾動阻力有較大的影響，減小帶束層寬度及其鋼絲密度等有助于改善輪胎結構性的滾動阻力。莊劍[15]以薄膜網絡理論和平衡輪廓方法對子午線輪胎結構進行了設計，包括外輪廓設計、花紋設計、內輪廓設計，輸出輪胎花紋總圖和內外輪廓圖等。郝泳濤等[16]研究了輪胎產品設計專業平臺，開發出自動化智能輪胎設計系統。張安強等[17]采用ObjectARX對AutoCAD進行二次開發，研發出具有尺寸驅動功能的輪胎設計系統，其中，修改輪胎結構中的某一參數，系統會自動對其他參數進行相應修改并重新生成。唐文靜等[18]采用VB語言對SolidWorks進行二次開發，并加入數據庫技術，研究輪胎胎面花紋的參數化建模。黃文龍等[19]采用數字化輪廓方法，研究子午線輪胎CAD系統，實現了參數化繪圖功能。劉連云等[20]采用VB語言研究出全鋼載重子午線輪胎的集成化設計，實現了輪胎結構設計效率的提高。孫海燕等[21]在UG中基于自然平衡輪廓理論研究了越野輪胎結構與抓著性能。王國林等[22]通過有限元分析法研究低滾動阻力輪胎結構的設計。劉大眾[23]研究了輪胎CAD系統設計，包括輪胎常規設計、計算和繪圖全過程。Y.D.DONG等[24]實現了輪胎花紋設計的逆向建模。

子午線輪胎結構復雜，設計人員可能因為某一細小缺陷需要反復重建三維模型，容易出錯且效率較低。本工作以CATIA和Microsoft Visual Studio 9.0為開發平臺，CAA為基礎庫函數，C++為基礎語言，完成了子午線輪胎結構參數化系統的設計，以提高子午線輪胎結構的設計效率。

1 子午線輪胎結構參數化系統

為實現三維輪胎結構的快速創新設計，在延續并運用傳統設計方法的基礎上，提出基于自定義特征下參數化的子午線輪胎結構建模方法，基于該方法開發出子午線輪胎結構參數化設計系統。該系統包括負荷確定和輪胎輪廓、胎圈、胎體、帶束層、冠帶層設計模塊，各模塊間相互獨立，可單獨進行設計和修改，系統主界面如圖1所示。

圖1 系統主界面Fig.1 Main interface of system

1.1 負荷確定

輪胎結構設計前應先進行負荷計算，確定負荷是否達到要求，達到要求后方可進行下一步設計。輪胎充氣外緣尺寸確定后，通過計算得到的輪胎負荷稱為理論負荷，其必須大于標準負荷（大于3%～5%為佳）。負荷確定模塊有載重子午線輪胎和轎車子午線輪胎負荷驗算功能，其中轎車子午線輪胎系列包括50，60，70，78和82等。本研究采用海爾公式，分別確定載重子午線輪胎和轎車子午線輪胎理論負荷。

（1）載重子午線輪胎理論負荷計算公式如下：

式中：W為輪胎理論負荷，kN；K為負荷因數，單胎K＝1.4，雙胎K＝1.1；P為輪胎充氣壓力，kPa；Bm為W1/B′為62.5%的理想輪輞上輪胎充氣斷面寬度，cm；DR為輪輞名義直徑，cm；W1為設計輪輞寬度，cm；B′為輪胎充氣斷面寬度，cm。

（2）轎車子午線輪胎理論負荷計算公式如下：

式中：Bd為扁平輪胎在理想輪輞上的斷面寬度，cm；d為圓形輪胎設計斷面高度與扁平輪胎最大斷面高度之差，cm；B0.7為計算參數；H為輪胎最大斷面高度，cm。

在系統主界面點擊“負荷確定”按鈕，彈出“負荷確定”界面，如圖2所示。通過交互式界面，輸入參數，選擇負荷類型，輪胎結構參數化系統中將自動計算理論負荷并與同等型號輪胎的標準負荷進行比較，如滿足要求，則彈出“負荷滿足”消息框，繼續進行下一步輪廓設計；如不滿足要求，則彈出“負荷不滿足”消息框，需重新設計輪胎的充氣外直徑和充氣斷面寬，重新驗算負荷能力。

圖2 輪胎負荷確定界面Fig.2 Interface of tire load determination

1.2 輪廓模塊

本研究采用模型驅動法，輪胎輪廓各個點精確位置、線和圓弧等由程序繪制，修剪、倒角、相切等操作相應封裝在程序中。子午線輪胎輪廓參數化設計采用以經典薄膜-網絡理論為基礎的自然平衡輪廓曲線設計方法。

子午線曲率半徑（ρ1）計算公式如下：

式中：rk為胎冠點半徑，mm；rm為斷面最寬點半徑，mm；r為斷面輪廓上任意點半徑，mm。

將自然平衡輪廓曲線設計方法封裝在程序中。點擊系統主界面“輪廓”按鈕，即進入輪胎輪廓設計界面（見圖3），輸入輪廓各參數（如輪胎斷面寬度和外直徑、輪輞寬度等），并且可以選擇胎肩種類，如切線形胎肩、反弧形胎肩和圓形胎肩，點擊“確定”按鈕，生成輪胎輪廓，如圖4所示。

圖3 輪胎輪廓設計界面Fig.3 Interface of tire profile design

圖4 輪胎輪廓Fig.4 Tire profile

1.3 胎圈模塊

胎圈是使輪胎牢固地固定在輪輞上的部件。點擊系統主界面“胎圈”按鈕，即進入胎圈設計界面（如圖5所示）。輸入參數（在胎圈設計界面可查看參數意義），選擇胎圈顯示顏色和斷面形狀。鋼絲圈斷面形狀主要包括矩形、圓形、U形、六角形和扁六角形等，本研究主要針對矩形和圓形斷面，其中圓形斷面包括六邊圓形和圓形2種斷面。通過改變胎圈設計界面中的參數，可相應改變鋼絲圈的形狀、直徑和數目等，點擊“確定”按鈕，生成鋼絲圈，如圖6所示。

圖5 胎圈設計界面Fig.5 Interface of bead design

圖6 鋼絲圈Fig.6 Steel rings

1.4 胎體模塊

子午線輪胎胎體起緩沖作用，可顯著改善車輛行駛中的舒適性和操控性。點擊系統主界面“胎體層”按鈕，即進入胎體設計界面，如圖7所示。在對話框中輸入胎體各層參數，選擇胎體顯示顏色，點擊“確定”按鈕，自動生成胎體，如圖8所示。胎體簾布層一般為3層，故本研究選擇3層胎體簾布層進行自動設計。

圖7 胎體設計界面Fig.7 Interface of carcass design

圖8 胎體Fig.8 Carcass

1.5 帶束層模塊

帶束層起束縛并防止胎體周向變形的作用，可改善胎冠性能。帶束層設計模塊包括2層帶束層、3層帶束層和4層帶束層設計模塊3部分，根據需要選擇帶束層層數。帶束層結構形式如圖9所示。

圖9 帶束層結構形式Fig.9 Structure forms of belt

以3層帶束層為例，點擊系統主界面“帶束層3層”按鈕，即進入“帶束層3層”設計界面（如圖10所示），界面右側為參數意義。輸入設計參數，選擇帶束層顯示顏色，點擊“確定”按鈕，自動生成3層帶束層。3層帶束層結構如圖11所示。

圖10 帶束層3層設計界面Fig.10 Interface of three layer belt design

圖11 3層帶束層結構Fig.11 Structure of three layer belt

1.6 冠帶層模塊

冠帶層可防止帶束層擴張，降低帶束層溫度和輪胎滾動阻力。點擊系統主界面“冠帶層”按鈕，即進入冠帶層設計界面，如圖12所示。在設計冠帶層之前必須生成帶束層，選擇生成冠帶層的面，輸入冠帶層參數，點擊“確定”按鈕，生成整體性冠帶層或分離性冠帶層，如圖13所示。

圖12 冠帶層設計界面Fig.12 Interface of cap ply design

圖13 冠帶層結構Fig.13 Structure of cap ply

輪胎結構參數化系統最后生成完整的輪胎結構，如圖14所示。

圖14 輪胎結構示意Fig.14 Diagram of tire structure

2 子午線輪胎結構的參數化設計

2.1 結構構造及主要算法

以輪胎輪廓設計為例，對基于自定義特征的參數化子午線輪胎輪廓生成程序進行介紹，其他輪胎結構設計方法類似。

2.1.1 自定義輪胎輪廓特征的主要步驟

輪胎輪廓有很多屬性值，在程序中通過接口設置和獲取這些屬性值，并定義其特征的功能屬性，對其實例化后可得到定義的新特性。自定義輪胎輪廓特征的主要步驟如下。

（1）通過CreateCatalog函數創建一個能儲存輪胎輪廓的StartUp庫。

（2）創建新的擴展接口，聲明定義并獲取輪胎輪廓特征的屬性值。

（3）利用CATOsmSUFactory函數，得到一個新的只有輪胎輪廓屬性的Factory，生成CATfact文件和CATSpecs文件。

（4）通過AccessCatalog函數訪問Catalog，設置新的生成輪胎輪廓的Factory。

（5）應用CATIBuild方法，獲取輪胎輪廓交互式設計界面新的輸入數據，定義程序上的結果，生成輪胎輪廓。

2.1.2 輪廓曲線設計的主要步驟

輪胎輪廓特征屬性被封裝在自定義接口中，調用該接口下的實例化函數即可生成輪胎輪廓，輪廓曲線采用自然平衡輪廓曲線設計方法設計，主要步驟如下。

（1）通過CreateSketch函數打開草圖界面，用OpenEdition函數對草圖進行編輯，獲取輪胎輪廓設計界面輸入參數。

（2）建立參數關系。

rk和rm的計算公式如下：

式中：R為輪胎外半徑，mm；m為胎面與胎體間中線厚度，為1 mm；rt為胎圈著合半徑，mm。

斷面最寬點胎側曲率半徑（ρ2）計算公式如下：

胎肩曲率半徑（ρ3）計算公式如下：

程序中默認胎側與胎體間厚度為1 mm。

（3）創建點、線和圓弧，將CATISpecObject類型轉化為CATI2DCurve類型，創建約束，生成外輪廓曲線和內輪廓曲線。

（4）將草圖顯示在視圖中，通過CloseEdition退出編輯界面，通過CreateShaft為草圖創建軸線。

（5）通過輪胎輪廓自定義接口下的實例化函數CreateTireBody實例化輪胎輪廓。

2.2 數據庫設計

綜合考慮系統的安全性和穩定性，本研究程序采用Microsoft SQL Server作為臨時數據和模型信息的存儲工具，其主要功能是將輪胎結構建模過程中的模型數據導入數據庫，便于后期管理與查詢，其中包括每個部件結構數據信息，以利于構建輪胎結構數據信息庫。

數據庫設計在Microsoft Visual Studio 9.0中進行，主要包括獲取輪胎結構模型參數數據（參數），將CATIA與數據庫連接，最后通過交互式界面將該模型數據導入數據庫。只有正確完成輪胎結構模型構建，才可將輪胎結構數據信息導入數據庫。本研究設計的數據庫包含5個參數表，分別是輪胎輪廓、胎圈、胎體、帶束層、冠帶層的參數表。在導入數據時，各部件結構數據會自動存入相應的表中，表之間是并列關系，ID相同時，即屬于同一輪胎結構模型下數據表；構建特征失敗時，相應結構數據導入數據庫將失敗。

點擊“數據查詢”按鈕，即進入數據查詢模塊，該系統設置5個查詢表，分別為構建模型時與輪胎各部件結構對應的數據。輸入查詢條件，即在相同ID下點擊“Query”按鈕，將查詢到構建完整輪胎結構的相關數據表，ID為1時查詢得到的數據如圖15所示。

圖15 查詢數據界面示意Fig.15 Interface of query data

將數據導入數據庫，方便對輪胎結構數據的查詢與管理及后期有限元分析后的查詢與修改，從而優化輪胎結構。

2.3 參數化設計

子午線輪胎結構參數化設計方法的具體步驟如下。

（1）確定輪胎輪廓理論及參數化關系表達式。只有確定了輪胎輪廓理論才能確定參數間的數學關系表達式。只有數學關系表達式正確，才能保證子午線輪胎結構參數化系統生成的模型以及確定的胎圈、胎體、帶束層等結構間參數的數學關系具有實用價值。

（2）建立人機交互界面。人機交互界面即結構模型設計界面，用戶可在設計界面輸入參數得到所需模型以及修改模型。

（3）構建模型。確定滿足要求的各參數，將其輸入設計界面，選擇每個結構的類型，逐一完成輪胎輪廓、胎圈、胎體和帶束層等結構的模型構建。

（4）導入數據庫。將構建成功的輪胎結構模型數據全部導入數據庫，方便后續管理與查詢。

（5）有限元分析。對得到的子午線輪胎結構進行充氣過程及接地分析，驗證設計參數的正確性，進而優化輪胎結構，以滿足需求特性。

在構建模型過程中，為避免在修改核心尺寸后建模失敗，程序中編寫草圖功能時需要設置全約束，各參數間需要建立數學關系表達式，并且相關部件之間建立絕對坐標系關聯，否則部件參數改變而坐標位置未變動導致建模失敗。應用參數化方法可使子午線輪胎結構模型設計更快、更高效，減少設計人員重復繁瑣的工作，提高輪胎結構設計效率。子午線輪胎結構參數化設計整體思路如圖16所示。

圖16 子午線輪胎結構參數化設計的整體思路Fig.16 Overall thinking of parametric design for radial tire structure

3 結語

本工作基于自定義特征設計了子午線輪胎結構參數化系統，運用了CATIA開放接口和自定義接口來設置和輸入輪胎結構數據，使得輪胎結構設計簡單、高效和準確。

本研究胎圈部分未涉及鋼絲包布加強層、胎圈護膠和上下三角膠等的強度，這將在以后彌補，同時應進一步增強負荷確定與數據庫之間的關聯，以提高驗算負荷的效率。