基于三維設計軟件CATIA的12R22.5全鋼載重子午線輪胎的造型設計

戰琪軒，朱柏林，徐 劍，雍占福

（1.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042；2.山東領航輪胎研究院，山東 青島 266042）

隨著交通事業的發展，輪胎工業在不斷進步。在輪胎企業中，輪胎造型設計、施工設計和力學分析對計算機技術的需求漸漸增大，二維設計軟件逐漸被三維設計軟件替代[1]。目前，為了降低生產成本，提高生產效率，利用三維設計軟件對輪胎進行設計尤為重要。

近年來，利用三維設計軟件CATIA（簡稱CATIA軟件），設計人員對輪胎設計開展了多項研究。席思文[2]基于CATIA軟件進行了輪胎包絡計算分析，結果準確，方法可靠。王傳鑄等[3]介紹了CATIA軟件在輪胎設計中的具體應用，效果明顯。楊洪云等[4]基于CATIA軟件進行二次開發，創建出輪胎包絡自動形成的方法。孫文學[5]研究了基于UG軟件的子午線輪胎及其模具CAD/CAM技術的應用，介紹了三維設計軟件的具體使用情況。李廷照[6]對CATIA軟件進行二次開發，設計出一套輪胎3D花紋的自動設計系統。胡燕萍[7]研究了CATIA軟件在輪胎三維設計中的應用，有效提高了研發者的工作效率。黃榮彬等[8]基于CATIA軟件設計了12.00R20變節距花紋全鋼載重子午輪胎造型，可完成復雜花紋的施工設計，使材料分布更加符合實際施工尺寸。李華等[9-10]研究了基于CATIA參數化建模及CAA二次開發的輪胎輪廓參數化模板設計方法，進行花紋節距自動排列，實現了輪胎整周花紋快速拼接，可縮短輪胎開發設計周期、降低開發成本。

受上述研究啟示，本工作基于CATIA軟件研究了12R22.5全鋼載重子午線輪胎造型設計的流程優化，提出利用CATIA軟件的不同設計功能，可以迅速繪制輪胎花紋，模擬成品輪胎造型，優化設計流程。

1 草圖繪制

CATIA軟件的草圖繪制具有類似二維設計軟件（如AutoCAD）常用的設計功能，可以迅速繪制輪胎斷面輪廓曲線和花紋展開圖（見圖1和2）。繪制輪胎斷面輪廓曲線時，先在XY面進入草圖，在草圖中利用輪廓工具先大致描繪外輪廓，再用約束工具實現斷面輪廓曲線的繪制。將花紋展開圖進行適當修剪，保留一個花紋節距，同時也適當修剪輪胎斷面輪廓，減小將花紋向胎面展開的難度。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2 胎面造型

CATIA軟件擁有很強的曲面造型功能，可以直接在輪胎斷面輪廓的旋轉曲面上繪制花紋。將輪胎斷面輪廓以X軸為旋轉軸，上下各旋轉半個節距，形成輪胎曲面。在胎面處偏移ZX面建立平面，以此平面進入草圖，粘貼花紋展開圖，調整花紋位置，退出草圖后提取胎面，將花紋圖展開在提取面上。

圖2 花紋展開示意

2.1 開槽法

2.1.1 縱向花紋

創建XY平面，以此平面進入草圖，按要求畫出縱向花紋溝形狀（見圖3，可在創建形狀時將倒角設計好），再創建好引導線，使用開槽工具開槽。為了使花紋切割得更加徹底，可以使切割線和引導線向外延伸一段距離，或者使用外插延伸工具。

圖3 開槽法縱向花紋溝三維造型

2.1.2 橫向花紋

創建YZ平面，以此平面進入草圖，按要求畫出橫向花紋溝形狀（見圖4）。為方便快捷，可以將橫向花紋投影后用線連接起來（這一步可以在最初展開花紋時連接好，就可以直接接合展開的花紋），此時引導線并不在輪胎曲面上，使用展開工具將引導線展開到輪胎曲面，再使用接合工具，最后使用開槽工具以接合曲線作為引導線開槽。為了使花紋切割得更加徹底，可以使切割線和引導線向外延伸一段距離，或者使用外插延伸工具。

圖4 開槽法橫向花紋溝三維造型

2.1.3 胎冠

使用開槽法切割花紋溝時只使用半個輪胎花紋展開圖，本次設計花紋為左右對稱，可以使用鏡像工具。先用分割工具以YZ面將沒有展開花紋的一半分割掉，再使用鏡像工具得到1個節距輪胎的三維造型。本次設計輪胎節距為4.86 mm，使用圓形陣列工具可以得到完整輪胎的三維造型，如圖5所示。

圖5 開槽法完整輪胎的三維造型

2.2 掃掠法

2.2.1 縱向花紋

以胎面處平面進入草圖，使用鏡像工具得到1個節距的花紋圖，將縱向花紋和橫向花紋的兩邊各自用線連接起來（在最初展開花紋時連接好，就可以直接提取展開的花紋），退出草圖后再將連接起來的縱向花紋展開到胎面提取面上。使用掃掠工具，輪廓類型選擇直線，子類型使用參考曲面，引導曲線1用右鍵選擇創建多重提取，然后選出1條縱向花紋，再對角度和長度進行調整，確定后得到1個掃掠面，同理得到其他幾條縱向花紋的掃掠面。使用偏移工具，將胎面提取面向下偏移花紋溝深度的距離。為了使花紋切割得更加徹底，可以使用外插延伸工具將掃掠面向外延伸，再使用修剪工具調整修剪元素，然后使用分割工具得到1條花紋溝，最后使用倒圓角工具得到帶有圓弧的縱向花紋溝。重復上面的操作，得到其他縱向花紋溝（見圖6）。

圖6 掃掠法縱向花紋溝三維造型

2.2.2 橫向花紋

以胎面平面進入草圖，將橫向花紋兩邊都投影后用線連接起來，退出草圖后將連接后的橫向花紋展開到胎面提取面上。使用掃掠工具，輪廓類型選擇直線，子類型使用參考曲面，引導曲線1用右鍵選擇創建多重提取，然后選出1條橫向花紋，再對角度和長度進行調整，確定后得到1個掃掠面，再對橫向花紋展開的另一條做同樣處理，得到第2個掃掠面。將胎面提取面向下偏移橫向花紋溝深度的距離得到1個偏移面。使用外插延伸工具將2個掃掠面和1個偏移面向外延伸適當長度，使用修剪工具保留花紋溝部分，分割得到橫向花紋溝（見圖7）。

圖7 掃掠法橫向花紋溝三維造型

2.2.3 胎冠

使用圓形陣列工具將1個節距旋轉指定角度，得到完整輪胎的三維造型（見圖8）。

圖8 掃掠法完整輪胎的三維造型

3 結語

基于CATIA軟件，本工作使用開槽法和掃掠法簡單快捷地完成了輪胎花紋的繪制，得到了完整輪胎的三維造型，該軟件設計具有以下優點。

（1）軟件設計數據更加精確，材料分布與實際更接近。

（2）隨時根據需求對輪胎尺寸進行調整，尺寸更精準，可提高設計效率，縮短生產周期。

（3）提高輪胎設計的合格率和工藝穩定性。

（4）減少試制次數，節約開發成本。