宽基轮胎成型中胎体帘线弯曲问题的分析与改进

2016-07-27朱茂桃魏新龙王国林王庆念

橡胶工业 2016年9期

朱茂桃，魏新龙，王国林，梁晨，王庆念

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013；2.风神轮胎股份有限公司，河南焦作 454000）

汽车运输业的飞速发展对轮胎的安全、环保、降耗以及生产技术方面提出了更高的要求，载重子午线轮胎的宽基化、高性能化成为轮胎技术的主要发展趋势。宽基载重轮胎是指断面高宽比为0.65及以下的轮胎。宽基轮胎单胎替代普通轮胎并装双胎，具有轮胎和轮辋总成质量小、承载能力大、安装空间小等优点[1]。

国内宽基轮胎的生产还处于起步阶段，生产技术也主要依赖传统的生产经验，胎体帘线弯曲（如图1所示）是宽基轮胎制造过程中出现的主要问题之一。胎体帘线弯曲涉及到轮胎结构设计、施工设计和成型等多个环节，特别是施工设计和成型过程对宽基轮胎胎体帘线弯曲与否起决定性的作用。轮胎仿真技术的发展为解决轮胎在施工设计和成型过程中出现的问题提供了一个可行的方法。李慧波[2]利用计算机仿真技术，改变传统设计中厚度成品断面图中均匀分布的假设，分段计算胎体层和内衬层厚度，使施工设计精度得到提高，但该方法没有对三角胶、胎肩垫胶等重要部件进行研究。M.J.Luneau[3]对胎面胶成型过程进行了有限元仿真，并进行了相应的试验验证。颜超[4]采用ANSYS FLOTRAN CFD软件对内衬层挤出成型进行了有限元仿真，研究了机头流道内流体的流动规律和物料的幂律指数。王国林等[5]采用Marlow橡胶本构模型模拟混炼胶的力学性能、Rebar单元模拟钢丝帘线对橡胶的增强作用，利用Abaqus软件对12.00R20全钢载重子午线轮胎的成型过程进行了有限元模拟，仿真结构与实际轮胎结构具有良好的一致性；采用广义Maxwell模型描述混炼胶的力学行为、Rebar模型模拟橡胶帘线复合材料，利用Abaqus软件对385/55R22.5全钢载重子午线轮胎的成型过程和硫化机内定型进行了有限元模拟，仿真结构与实际结构具有很好的一致性[6]；利用POLY FLOW软件对轮胎胎面胶共挤出成型进行了有限元仿真研究，分析了流道长度对共挤出质量的影响[7]。

图1 胎体帘线弯曲

本工作基于Abaqus软件，对435/50R19.5宽基载重子午线轮胎的成型过程进行有限元仿真，分析胎体帘线弯曲的成因，并提出解决方案。

1 混炼胶本构模型和单元类型的选取

1.1 混炼胶本构模型

混炼胶是一种流变体，目前描述材料粘弹性流变行为的力学模型主要有Kelvin固体模型、Maxwell流体模型、Burgers模型和广义Maxwell模型等。A.Paul等[8]采用非线性Maxwell模型描述了炭黑填充橡胶部件的力-位移模型，并证明了广义Maxwell模型可以较好地描述混炼胶的松弛特性。因此，本研究采用广义Maxwell模型来模拟混炼胶的力学行为，微分型方程如下[9]：

式中，σ为应力，ε为应变，pk和qk为决定于材料性质的常数，一般q0=1。

在Abaqus有限元软件中，广义Prony模型与广义Maxwell模型有相同的数学描述。因此，本研究采用广义Prony模型进行混炼胶粘弹性的数值模拟。该模型采用如下积分型本构关系：

式中，τ和p为应力偏张量和球张量，G0和K0为瞬时剪切模量和体积模量，gR和kR为归一化的剪切和体积松弛模量，γ和ε为偏应变张量和体应变张量，t为当前时间，s为过去时间。gR和kR可写为

1.2 本构模型参数的试验确定

1.2.1 松弛试验及广义Prony模型的参数拟合

采用美国阿尔法科技公司的RPA2000橡胶加工分析仪测定轮胎各部件胶料的剪切松弛模量，并对试验数据进行归一化处理，拟合得到Prony级数的各项参数。

试验时，剪应变给定3.58°，松弛时间设为180 s，由于半成品成型过程在恒温下进行，且在硫化模具中，胶料流动进入花纹沟的时间非常短暂，因此，试验温度设为25 ℃，得到归一化剪切松弛模量曲线如图2所示。

图2 广义Prony模型松弛模量拟合

1.2.2 超弹性模型参数拟合

在Abaqus软件中，必须定义材料行为的率无关部分，在小变形和大变形的情况下，可分别选用线弹性和超弹性模型。由于轮胎成型属于大变形行为，因此，选用Marlow超弹性本构模型来定义材料的率无关部分。Marlow模型本构方程为

式中，U为应变能密度,UD表示偏量部分,UV表示体积部分，I1¯ 表示应变张量的第一不变量，Je表示弹性体积系数。

超弹性模型和粘弹性模型联合定义的本构方程为

利用Abaqus中的Marlow本构模型拟合混炼胶单轴拉伸试验得到的数据曲线如图3所示。通常在成型过程中胶料的应变值小于200%，由图3可知，在该应变范围内试验结果与Marlow本构模型拟合曲线具有良好的一致性。

图3 Marlow本构模型拟合

1.3 单元类型的选择

在成型模拟过程中，将轮胎简化为二维轴对称模型。橡胶部分采用四边形轴对称单元（CGAX4H）和三角形轴对称单元（CGAX3H）[10]。利用Rebar Layer模型模拟钢丝帘线，帘线-橡胶复合材料的定义方法是将Rebar单元定义在面单元上，再将面单元嵌入实体单元中。

2 轮胎成型过程的模拟

轮胎成型过程的模拟参照三鼓式一次成型法工艺，其成型过程主要包括成型机主鼓部件贴合、辅助鼓部件贴合、半成品成型和轮胎花纹成型4个工艺过程[11]。因轮胎的花纹成型对所要研究的问题影响较小，且考虑计算效率，故忽略，即采用光面轮胎进行硫化机内定型。以某轮胎公司的435/50R19.5宽基全钢载重子午线轮胎为研究对象，对上述4个工艺过程进行有限元模拟。

2.1 成型机主鼓部件贴合

在成型机主鼓上分别对以下部件进行依次贴合：胎侧、耐磨胶、胶片、内衬层、下内衬层、加强层、胎体层和带束层下垫胶。该过程利用混炼胶的粘合性使不同胶料紧密粘合在一起并消除胶料端部结合处的间隙。分别建立部件的有限元分析模型，采用施加均布压力的方法模拟贴合过程。主鼓部件贴合前后如图4所示。

图4 主鼓部件贴合

2.2 成型机辅助鼓部件贴合

在成型机辅助鼓上分别对以下部件进行依次贴合：1#带束层、2#带束层、3#带束层、4#带束层和胎面胶。分别建立部件的有限元分析模型，采用施加两段均布压力的方法模拟贴合过程，胎肩处压力略大于胎冠中心处压力。辅助鼓部件贴合前后如图5所示。

图5 辅助鼓部件贴合

2.3 半成品成型和硫化机内定型

半成品的成型过程主要包括充气和胎侧反包两个步骤。模拟充气过程时，在轮胎内表面施加均匀压力载荷；胎侧反包仿真时，根据施工参数将钢丝圈、贴合后的带束层、胎面和胎体部分定位。轮胎硫化机内成型过程通常是在胶囊式定型硫化机内进行，首先将胶囊内抽真空，再将胎坯套在胶囊外面，胶囊内部压强增大至0.9 MPa，对胎坯进行定位，最后进行合模，胶囊内部压强增大至2.6 MPa，完成机内硫化定型。具体模拟过程如图6和7所示。

图6 半成品成型过程模拟

2.4 仿真断面与实测断面对比

为了验证仿真的可靠性，将仿真得出的断面结构与实测轮胎断面进行了对比，如图8所示。由于实测断面各胶料的分界面不清晰，导致某些厚度较小的胶料难以准确测绘。因此，本研究只对主要胶料进行对比。

图8 仿真断面结构与实际断面结构对比

此外，为了分析轮胎胶料厚度仿真结果的精度，选取B-B，D-D，E-E3个位置（如图9所示）的胶料厚度进行对比分析，结果见表1。

图9 胶料厚度对比位置

由表1可以看出，仿真得出的胶料形状与实际胶料形状具有良好的一致性，且与实际轮胎胶料厚度的相对误差都在10%以内，说明了轮胎成型仿真结果的可靠性。

表1 3个位置厚度比较

3 胎体帘线弯曲成因及改进

导致轮胎胎体帘线弯曲的原因很多，弯曲形式也多种多样，胎冠中心处弯曲在宽基轮胎的生产中较为常见。宽基轮胎断面较宽，半成品成型过程中，在胎面胶及带束层的重力、胎面滚压和带束层对胎体箍紧作用的影响下，胎冠处胎体帘线下凹现象比较严重。硫化机内定型过程中，胎肩处胶料较厚，首先接触到模具，在G-G和H-H处形成支点（如图10所示）。在两支点之间，胎体帘线实际长度大于理论长度，随着硫化胶囊内部过热水压力的逐渐增大，胎冠中心处的胎体帘线逐渐受到压缩，出现弯曲现象。

图7 机内硫化定型过程模拟

图10 硫化机内定型前后胎体帘线实际位置和理论位置

成型过程中钢丝帘线受拉时，内应力为正，不会弯曲；反之，受压时内应力为负，则会弯曲。因此，在成型仿真过程中，用硫化机内定型后胎体帘线应力判断胎体帘线是否弯曲。图11所示为硫化机内定型后胎体帘线应力从胎冠中心到胎肩处的变化趋势。由图11可知，从胎冠中心到胎肩，胎体帘线应力逐渐增大，且在胎冠中心处出现受压现象。

图11 硫化机内定型后F-F到C-C处胎体帘线应力

改善胎冠中心处胎体帘线的受压状态有以下几种方法。

（1）改变硫化胶囊的结构，使胶囊先将胎冠中心处撑起，然后撑起胎肩和胎侧。

（2）通过减弱带束层对胎体的箍紧作用，可以减小胎体下凹的程度。

（3）减小胎圈平宽，从而降低胎体帘线在胎肩处的位置。

为此，本研究提出4种方案减小胎冠中心处胎体帘线受压，并分别进行轮胎成型有限元模拟仿真。方案1：改变压力载荷施加顺序，先对胎冠中心附近施加压力载荷，然后对整个内轮廓施加压力载荷；方案2：辅助鼓半径（R）增大2和4 mm；方案3：胎圈平宽（L）减小4和8 mm；方案4：R增大2 mm，且L减小4 mm。

4个方案机内硫化定型后胎体帘线应力分布如图12所示。由图12可知，4个方案均达到了胎体帘线应力为正值的目的。方案1虽然能够直接解决胎体帘线弯曲的问题，但需要对硫化胶囊的结构形式进行修改，而且难以控制其充气变形状态。方案2中带束层和胎面胶的裁断长度分别增加约12.6和25.2 mm，不仅增加了轮胎加工成本，而且对轮胎的某些性能和车辆的燃油经济性也有不利影响。方案3中，L减小4 mm后，胎体帘线受力很不均匀，胎肩和胎冠中心处胎体帘线力差距较大，而L减小8 mm后，在硫化机内定型过程中容易出现胎圈露线的现象。因此，采用方案4进行轮胎试制。试制轮胎切割断面胎体帘线状态如图13所示。由图13可知，本研究提出的方法可以较好地解决了胎冠中心处胎体帘线弯曲现象。