（机械制造及其自动化专业论文）具有间隙补偿功能的子午线轮胎成型鼓研究.pdf

摘要 子午线轮胎成型鼓的创新设计技术，一直是轮胎成型装备研究的关键和重 点。根据全钢工程子午线轮胎的生产和结构特点，本文提出一种伸缩比五= 2 5 且 具有间隙补偿功能的新型径向伸缩式成型鼓，采取设置间隙瓦的措施来补偿内外 瓦在膨胀极限位置时产生的间隙，在突破仅靠内、外两层鼓瓦叠合形式所能达到 的成型鼓伸缩比限制( 允 2 ) 的同时，还有利于提高胎胚成型的质量和精度， 在机械式成型鼓实现大伸缩比方面取得了新进展。该成型鼓采用外瓦带动内瓦和 间隙瓦的结构方式，对内瓦带动外瓦的成型鼓承载性能较差的缺陷有所改善。本 文主要研究工作如下： 根据轮胎的成型工艺要求和子午线轮胎的生产和结构特点，提出一种大伸缩 比且具有间隙补偿功能的成型鼓的整体设计方案，构建了主要部分的具体结构， 详细阐述了成型鼓的运动原理。 概括了成型鼓的运动学要求，按照要求对成型鼓各组成机构进行了干涉条件 分析和运动学设计，包括成型鼓基本参数的设定及各机构主要参数的设计等。综 合考虑机构满足不干涉条件、运动学要求以及结构简单紧凑等因素，用m a t l a b 进行了机构参数优选，确定最终机构设计方案。 建立成型鼓各组成机构的运动学模型，运用矢量分析法对成型鼓进行运动学 分析，包括位移、速度和加速度分析，给出具体算例进行验证。结果表明，所提 出的机构方案及结构参数满足成型鼓的不干涉条件和运动学要求。 用s o l i d w b r l 岱进行成型鼓虚拟样机设计，并对其进行运动仿真、干涉检查 和应力与变形分析，检验了其运动可行性，结果符合预期的设计要求。 关键词：子午胎成型鼓设计运动学干涉 a b s t r a c t t h ei n n o v a t i v ed e s i g no fr a d i a lt i r eb u i l d i n gd r u mi st h ek e yo ft i r cb u i l d i n g e q u i p m e n tr e s e a r c h a c c o r d i n gt 0 t h ep r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 卸ds t m c t u r a l f e a ：t u r e s0 fa 1 1 s _ t e e lr a d i a lt i r e ，w ep r o p o s e dan e wd e s i g l lo f r a d i a lt i r eb u i l d i n gd 1 1 l m w i 廿1t h et e l e s c o p i cr a t i o 五= 2 5 柚dt h e 允n c t i o no fg a pc o m p e n s a t i o n a c c o r d i n gt o t h en e wd e s i g n ，g a ps l a bw a si n 们d u c e dt 0c o m p e n s a t et h eg a pb e 觚e e nt h ei n t e m a l 锄de x t e m a ls l a b sa tt h el i m i tp o s i t i o no ft h ee x p 锄s i o n ，锄d 廿1 et e l e s c o p i cr a ：t i ol i m i t ( a 2 ) o fs l a b s s t a c k e dt i r eb u i l d i n gd r u mw 觞e x c e c d ，a t 证l es a m et i m e ，t h eq u a l i t y 锄da c c u r a c yo ft h et hf 0 咖i n gp r o c e s sw a si m p r o v e d a nt h e s em a d ean e w p r o g r e s si nt h ea c q u i r e m e n to fb i ga x i a l 锄d r a d i a lt e l e s c o p i cr a t i oo ft h em e c h a n i c a l t i r eb u i l d i n gd r u m b e s i d e s ，b e c a u s eo ft h ee x t e m a ls l a bd r i v i n gi n t e m a la n dg a ps l a b 蛐m c t u r e ，t h el o wb e a r m gp r o p e r 哆w a si m p r 0 v e di nt h e0 r i g i n a ls t n l c t i l r eo f i n t e m a l s l a b 嘶v i n ge x t c m a ls l a b n ef o l l o w i n g a r et h em a i nc o n t e n t s t 1 l ed e s i 星田p l a no ft h er a d i a lt e l e s c o p i ct i i eb u i l d i n gd r u mw i t hb i gt e l e s c o p i c r a t i o 锄dt h em n c t i o no fg 印c o m p e n s a t i o n 、v a sp r o p o s e d 1 n h es p e c i f i cs t r u c t u 陀o f t h e m a i l lp a r t 、v a sb u i l t 1 1 1 em o v e m e n tp r i n c i p l ew a ss y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d k i n e m a t i c sr e q u i r e m e n t s o ft h eb u i l d i n gi l m mw e r es u m m a r i z e d ，t l l e nt h e i n t e r f e r e n c ea n a l y s i s 粕dl 【i n e m a t i c sd e s i g nw e r es t u d i e d ，种dt h eb a s i cp a 姗e t e r so f b u i l d i n gd m m 明dt h em a i np a 豫m e t e r so fo t h e rs 仉l c t u r c sw e r es e t c o n s i d e r i n gt h e f i a c t o 倦o fn o n i n t e r f e r e n c ec o n d i t i o n s ， 1 ( i n e m a t i c r c q u i r e m e n t s 锄dt h es 蚰p l e s t m c n l r e ，t h e 鲫c t u r a lp 张吼e t e r sw e 佗c a l c u l a t e du s i n g m a t l a b t 1 1 ek i n e m a t i c sm o d e lo fb u i l d i n gd m mw a sb u i l t ，锄dt l l eb n e m a t i c 锄a l y s i s ， i n c l u d i n gd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y 锄da c c e l e r a t i o n 觚a l y s i s ，w e r c c o m p l i s h e du s i n g v e c t o r 柚a i y s i sm e t h o d s p e c i f i ce x 锄p l e sw e r eg i v e nt 0v e r i 匆t h er e s u l t ss h o w e d t h a t 也ep r o p o s e dd e s i g n 锄ds 眦c 觚a ip 褫姗e t i ：r sm e tt h en o n - n e m r e n c e c o n d i t i o n s 跏db n e m a t i cr c q u i r c m e n t s t i l ev i 咖a lp r o t o t y p ed e s i 印w 酗a c c o m p l i s h e du s i n gs o l i d w 6 r k s t h em o t i o n s i m u l a t i o n t h ei n t c i r f e r c n c ec h e c l 【，锄dt l l es t a t i cs t i f i h e s sa n a l y s i sw a ss t u d i e d t 0t e s t t h ef e a s i b i l t 哆o fi t sm o v e m e n t t h er e s u l t sm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 1 ( e yw o r d s ：r a d i a lt h ，b u i l d i n gd n i i i l d 鹳i 驴，k i n 锄a t i c s ，i 嘲雁咖c e 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着我国经济的飞速发展，在能源开采、矿山开发、交通施工、码 头建设等工程中，对于各种工程机械特别是超大型工程机械的需求量快速增加， 与之配套的工程子午线轮胎的需求量也日益增长。 据统计，我国仅“十一五”期间重点建设的1 3 个大型煤炭基地中，就有1 0 个 为千万吨级现代化露天煤矿。在露天采矿过程中，需使用大量载重能达9 0 2 0 0 多吨的巨型自卸载重车。这类巨型工程车辆，尤其是载重量在2 0 0 吨以上的均需 装备特巨型( 5 7 6 3 英寸) 工程子午线轮胎【l 】，如图1 1 所示。据行业预测，每 年全球特巨型( 5 7 6 3 英寸) 工程子午线轮胎需求量2 0 余万条，按每条1 0 万美 元计算，市场规模在2 0 0 亿美元左右，仅我国每年的市场需求量就达几十亿美元 2 1 。 图1 1 巨型自卸载重车及所用特巨型轮胎 ( b ) 这类特巨型工程子午线轮胎，直径达4 米左右，重量约5 吨。其成型装备是 一种集机、电、气、液综合传动技术的多工位大型生产与作业装备，集生产工艺 和极限制造等高新技术于一体。一直以来，国际上只有普利司通、米其林、固特 异、横滨等4 家公司能自制自用该种超大型成型装备，形成了世界范围的垄吲3 1 。 由于知识产权因素，很难找到公开发表的技术资料。 第一章绪论 1 1 2 研究意义 本课题作为国家“8 6 3 ”课题“特巨型全钢工程子午线轮胎一次法成型装备研 制”的一个子课题，针对工程子午胎大尺寸、大重量和大载荷，以及轮胎成型工 艺中对成型装备的大承载、大空间和极限制造等要求，研究全钢工程子午轮胎一 次法成型装备中成型鼓的创新与设计技术。 成型鼓的创新与设计技术，一直是轮胎成型装备研究的关键和重点。但考虑 到市场垄断和知识产权等因素，轮胎制造企业对这方面的技术资料和信息保密性 很高，公开发表的文献资料有限且多以专利的形式发表。据调查统计，目前轮胎 成型鼓的主要形式有胶囊式和机械式两种，机械式又包括折叠式和径向伸缩式 等，如图1 2 所示。 ( a ) 胶囊式 翔翮 鼍翻 4 毒蓁耋著善羲鬟喾 。“ ( c ) 径向伸缩式 胶囊式轮胎成型鼓，如图1 2 ( a ) 所示，主要依靠往胶囊里充、放气来实现成型 鼓的伸缩，通过胶囊充气后的形状来决定轮胎胎胚的外形。胶囊式成型鼓有着易 于操作、结构简单、制造成本低等特点，最大特点是适用范围广，从一般的轿车 轮胎到特巨型工程轮胎的生产都适用。天津赛象科技股份有限公司研制出的特巨 型轮胎的成型鼓就是采用的胶囊式。但胶囊式成型鼓不但存在胶囊的橡胶易老 化，需定期更换胶囊的问题，同时还存在易出现成型鼓侧鼓密封失效和反包不到 位或者过包等问题【4 j 。 机械式轮胎成型鼓，根据成型鼓在工作过程中瓦板运动形式的不同，主要分 为折叠式和径向伸缩式，如图1 2 ( b ) 和图1 2 ( c ) 所示。机械式轮胎成型鼓将成型鼓 的外周划分成若干瓦板，依靠连杆机构进行运动传递，带动瓦板协调运动来实现 成型鼓的伸缩。机械式成型鼓效率高、结构紧凑，而且瓦板刚性较大，使得轮胎 的带束层和胎面胶能精确地贴合在胎体上，生产出来的轮胎的质量和性能均优于 胶囊式成型鼓生产出来的轮胎。但机械式成型鼓存在设计较为复杂、实际应用范 围较小等缺点【4 】。从长远来看，研制机械式全钢工程子午线轮胎成型鼓，对提高 2 第一章绪论 工程轮胎的质量和性能有很大帮助，实际应用参考价值比较可观。 本课题致力于提出并设计一种机械式新型全钢工程子午线轮胎成型鼓，并对 其进行一定的分析。这样不仅可以为我国自主研制轮胎成型装备提供有价值的设 计、理论分析和实际应用参考，同时能为打破巨型轮胎研制被国际公司垄断的局 面进一步作出积极的尝试和探索，为解决我国相关轮胎产品长期依赖进口的问题 提供新的解决办法，以期将来满足国内市场对巨型轮胎不断增长的需求。另外， 自主研制巨型轮胎成型核心装备，对增强我国相关企业的国际竞争能力，以期进 入国际轮胎制造高端装备市场，实现高新技术装备的出口，均具有重大的战略意 义和社会意义。 。 1 2 国内外研究现状和趋势 1 9 4 6 年，法国米其林发明了子午线轮胎生产技术，很快得到了应用。1 9 5 9 年，世界上第一条工程机械子午胎问世。工程机械子午胎拥有一系列优良性能， 很快就在世界范围内被广泛应用，对促进子午胎成型技术及装备的迅速发展发挥 了重要作用。 行业里，钢丝圈直径在3 3 英寸以下的轮胎定为“巨型”，直径在3 3 英寸及 以上的定为“特巨型”。从生产轮胎的用途上，子午线轮胎成型机一般有半钢和 全钢成型机两种【5 】。半钢成型机大多用于生产轿车轮胎，有一次法和二次法成型 等。全钢成型机主要用于生产巨型载重车量、大型工程机械轮胎，同样有一次法、 二次法成型等。 目前，国内外关于巨型子午胎的成型技术与装备已基本成熟，在国外巨型子 午胎的成型装备与工艺正逐步向全自动化生产方向发展【6 】。近年来，根据子午胎 成型工艺的特点，国际著名轮胎制造商分别研制出了一些新制造技术和装备。法 国米其林公司提出了指令+ 控制+ 通讯与制造一体化系统( 简称c 3 m 系统) 【飞 如美国固特异公司提出了集成加工精密成型单元技术( 简称i m p a c t ) ；意大利 倍耐力公司提出了积木式集成自动化系统( 简称m l r s ) 【明；我国提出了积木式 成型法( 简称m m p ) ，日本普利司通公司提出了全自动连续成型系统等( 简称 a c t a s ) 【9 】。相关轮胎制造商同时也在不断改进传统轮胎成型技术与工艺。如 m a t a d o r 公司在1 r 3 一次法成型机的基础上研制出p c 2 轮胎成型机，该机采 用无胶囊的机械式反包成型鼓和压辊运动控制技术【1 0 】；2 0 0 4 年，德国1 n h y s 锄 l 汛p p 公司推出了1 人操作的p l t 3 型三鼓式轮胎成型机】。 目前，国产全钢载重子午胎成型机主要是在意大利倍耐力公司和美国费尔斯 通公司所研究出的轮胎成型技术的基础上发展起来的两鼓式一次法成型机【1 2 】，以 第一章绪论 及在荷兰v m i 公司产品基础上发展起来的三鼓式一次法成型机【1 3 】。 目前，国际上能够生产的最大特巨型全钢工程子午胎钢丝圈直径达6 3 英寸， 轮胎外径达4 米左右，重量约5 吨。这类特巨型工程子午胎( 5 7 英寸及以上) ， 与常用工程子午胎相比较，在尺寸、重量、轮胎成型所需空间以及施加载荷等方 面均有显著不同，其成型装备体现出了大空间、大承载、极限制造技术的特点。 一直以来，世界上只有米其林、固特异、普利司通、横滨4 家公司拥有此项技术， 其制造工艺均采用二次法成型，这些公司自制自用这种特巨型工程子午胎成型装 备，形成世界范围的垄断。 我国关于这类特巨型工程子午胎成型技术与装备的研究刚刚起步。目前，天 津赛象科技股份有限公司和桂林橡胶机械厂分别已成功研制出了5 l 英寸特巨型 全钢工程子午胎成型装备，天津赛象采用一次法成型工艺，桂林橡机采用两次法 成型工艺。为研制更大规格的特巨型全钢工程子午线轮胎( 5 7 6 3 英寸) 成型 装备，2 0 0 8 年，天津赛象科技有限公司联合天津大学机械工程学院申请了一项 国家“8 6 3 计划”课题特巨型全钢工程子午线轮胎一次法成型装备研制，2 0 l o 年下半年，成功研制出了能生产6 3 英寸特巨型全钢工程轮胎的成型装备，成为 国内首家成功研制出这种特巨型轮胎生产技术与装备的企业。 1 3 成型鼓主要形式 1 3 1 胶囊式成型鼓 胶囊式成型鼓有着易于操作、结构简单、制造成本低、适用范围广等特点。 但它不但存在胶囊的橡胶易老化，需定期更换胶囊的问题，同时还存在易出现成 型鼓侧鼓密封失效和反包不到位或者过包等问题。因此，针对胶囊式成型鼓的研 究主要集中在反包控制、钢丝圈卡紧装置以及胶囊充、排气口布置等方面。在反 包控制中，荷兰v m i 集团首先研制出了适用于子午线轮胎的机械反包臂，替换 了传统的推盘加胶囊式结构【1 4 】。但在特巨胎的制造中，因其特殊的工况要求，仍 采用传统反包结构。赵洪金在小规格轮胎胶囊膨胀结构成型鼓的研制及应用 中讲述了四种小规格轮胎胶囊式成型鼓的构造、工作原理及其重要技术参数的确 定，同时包括主要零部件的设计制造及轮胎成型的主要施工标准的确定等内容 u 5 。王丽英在子午线成型机成型鼓的设计和研究一文中，从成型鼓的机械结 构、气路系统等方面，介绍了成型鼓的结构、成型过程中成型鼓的状态等内容【1 6 】。 b e m a r db o s s e a u 】【介绍了通过将轮胎帘布层被钢丝圈紧固在成型鼓上，使轮胎帘 布层和成型鼓之间形成一气密空间，然后输入高压空气使帘布层膨胀成型的原理 4 第一章绪论 【1 7 】。j o s e p hf s t a l t e r 在专利中，介绍了可以通过在胎体内腔设置辅助反包胶囊来 配合反包胶囊完成胎体最终定型的反包装型1 8 】。张芝泉在专利中讲述了钢丝圈紧 固装置通过采用带有凹槽和密封橡胶垫的扇形块机构，在气缸驱动下均匀同步上 升，使胎胚牢固，从而保证胎胚的密封性能【1 9 】。d r 维弗在专利中介绍了一种三 路编码装置，以便对成型鼓运动过程中轴线宽度、径向膨胀和角位移量进行精确 定位，同时通过采用设有递增螺旋凸轮盘的转动来带动成型鼓径向膨胀，从而实 现钢丝圈的紧固1 2 0 j 。t 0 s h i y u k it e 随z o n o 在专利中讲述了将钢丝圈紧固装置与机 械反包臂进行一体化设计【2 l 】，通过气缸驱动，提高成型效率和精度。 1 3 2 折叠式成型鼓 折叠式成型鼓是机械式轮胎成型鼓的一种，多应用于斜交轮胎的生产。其主 要特点是在成型鼓的圆周方向上布置若干组同尺寸参数的连杆机构，连杆机构分 别与相对应的鼓瓦铰接。在轮胎成型过程中，通过连杆机构组的周向运动来带动 鼓瓦实现自身的弯折和鼓瓦之间的相互叠加【2 2 1 。折叠式成型鼓多采用惯性折鼓形 式，存在惯性冲击力大，易造成铰接轴销和连杆机构的损伤等问题。虽然该类成 型鼓在不断改进，但该类成型鼓依然存在伸缩比小、卸胎较困难、次品率高等问 题。 蒙仁泽在六瓦全折叠轮胎成型机头设计中介绍了如何运用解析法设计运 算折叠式轮胎成型鼓节点的坐标值【2 3 1 ，简明分析了节点的数学关系，用列表方式 排列出节点的计算公式，并举实例进行计算。冯克奇在折叠式轮胎成型机头最 优化设计中分析了轮胎成型鼓的运动及动力特性，给出了稳定性的概念及其评 价指标，同时介绍了如何通过采用等式约束和不等式约束的惩罚函数对平面多杆 机构进行尺度最优综合，提出了一种折叠式轮胎成型鼓设计的最优化方法【2 4 】。王 玉新在轮胎成型鼓机构型综合i - 平面多杆机构中对成型鼓机构进行了平面 多杆机构的型综合，分析了成型鼓机构的拓扑特性，讨论了成型鼓机构型综合和 尺度综合所涉及的几个问题【2 5 1 。王超群在工程机械轮胎成型机常用折鼓方式 一文中，从工程应用的角度出发，介绍了巨型工程机械斜交轮胎成型机、工程机 械轮胎胶囊反包成型机、工程机械斜交轮胎压辊包边成型机、工程机械子午线轮 胎成型机副机折鼓机构的折鼓方式、折鼓机构以及常见的故障处理方法等【2 6 1 。 针对折叠式成型鼓折叠后，由于收缩形状为三角形或椭圆形，只有将轮胎压 扁后才能将成型鼓卸下且卸胎比较困难、易划伤胎胚等问题，d o u 鲥a sl w i n s l o w 发明了一种无连杆轮胎成型划2 刀，如图1 3 所示，瓦板直接连在主、副转盘上， 中间无任何过度连杆，这种结构能减少磨损点，结构简单，且折叠后仍然为圆形， 能满足卸胎要求。 第一章绪论 ( a ) 最大膨胀状态( b ) 最小折叠状态 图1 3 折叠式成型鼓 郑伍昌在连杆式径向伸缩成型机头中讲述了可通过增设导向驱动装置， 保证各鼓瓦同轨迹运动，通过设置瓦板活动鼓肩，增大成型鼓轴向伸缩比，保证 卸胎性【2 8 1 。d 布罗迪轮胎成型鼓中提出了一种十二瓦式的新型成型机头，成 型鼓的内、外瓦可相对旋转【2 9 1 ，这种成型鼓有折叠圆直径小、卸胎性强、受力均 匀、运动平稳、使用寿命长、胎体成型质量高等优点。 1 3 3 径向伸缩式成型鼓 径向伸缩式成型鼓，多适用于子午胎的生产。其导引机构一般由两组沿成型 鼓轴向交替对称布置的不同尺度参数的平面连杆机构构成，两组连杆机构分别与 对应的鼓瓦铰接。当同一动力同时驱动两组连杆机构沿轴向运动时，两组连杆机 构分别带动各鼓瓦沿径向伸缩。通过采用不同的尺度参数，使相邻鼓瓦在伸缩过 程中产生位移和速度差，从而实现成型鼓的伸缩要求。径向伸缩式成型鼓结构简 单、设计灵活、成型质量好、伸缩范围大，适用于不同规格轮胎的生产，是当前 成型鼓研究的重点对象。就目前已公开的成型鼓的专利和文献来看，径向伸缩式 成型鼓的结构形式主要有以下三类：双滑块式、连杆机构式和变胞运动副式。 ( 1 ) 双滑块式 双滑块式成型鼓以双滑块或曲柄滑块连杆机构作为导引机构，带动瓦板实现 径向的伸缩，动力输入常采用丝杠或齿轮齿条传动。通过对成型鼓导引机构设计 不同的参数来实现内、外瓦的顺序膨胀和收缩。该类成型鼓通过安装瓦板导向装 置，保证瓦板在运动过程中，沿成型鼓的周向或轴向均具有良好的稳定性和较高 的定位精度。该类成型鼓结构简单、成型精度高、刚度大，但能实现的伸缩比不 大，成型范围有限，一般适用于巨型子午胎的生产。 郑伍昌在专利连杆式径向伸缩成型机头中采用气缸驱动来控制连杆传动， 从而实现成型鼓伸缩【2 引，如图1 4 所示。这种成型鼓由于两连杆平行布置，将导 致两瓦板导向装置受力不均匀，一般适用于1 2 ”一1 6 。半钢子午胎的生产。 第一章绪论 a ) 主视图 图l - 4 双滑块式成型鼓 针对连杆平行布置将导致瓦板导向装置受力不均匀的不足，w d 库里在专利 中将两连杆交叉布置【3 0 】，有效的解决了这个问题，但该机构周向布置的双滑块组 过多，导致成型鼓整体结构复杂，制造、维护成本都较高。钟路强在全钢子午 巨胎成型机成型鼓中发明了一种适用于生产全钢子午巨胎的成型鼓【3 1 】，采用两 单连杆对称布置的结构，使瓦板导向装置的受力较均匀，但成型鼓的伸缩比减小。 耿玉涛、徐吉亮等人，针对目前全钢巨胎成型鼓的不足，发明了一种旋转式径向 折叠全钢巨胎成型鼓，通过主轴的转动带动沿成型鼓周向均匀布置若干曲柄滑块 组运动，从而带动瓦板径向伸缩，同样通过设置瓦板导向装置，保证瓦板径向伸 缩和整体机构的稳定性【3 2 】。 成型鼓收缩时，工程实际中常通过将其中一块瓦板去除一部分材料造成缺口 来避免相邻两瓦板发生干涉，但如果缺口太大，轮胎成型时还需人工填补缺口， 不但工作效率低，而且影响轮胎成型质量，为此，戴造成对发明了另一种径向收 缩成型鼓【33 1 ，内、外瓦板分别由独立的两个油缸驱动。成型鼓收缩时，内瓦先收 缩、外瓦后收缩；膨胀时，外瓦先膨胀、内瓦后膨胀，可有效地避免瓦板干涉。 但由此将造成成型精度不高、控制较为复杂等问题。 ( 2 ) 连杆式 连杆式成型鼓以连杆机构作为导引机构，实现瓦板径向的伸缩运动。该类成 型鼓机构形式灵活，伸缩比范围大，适用较宽参数范围轮胎的成型。驱动装置也 通常采用丝杠或齿轮齿条副。另外，为满足成型鼓能轴向伸缩从而便于卸胎的工 艺要求，往往在瓦板两端设有活动鼓肩。与双滑块形式相比，为保证成型过程中 瓦板在轴径向的稳定性，多连杆式成型鼓一般采用连杆机构对称布置而不设置 瓦板导向装置，但其运动稳定性比双滑块形式差一些，多适用于中小规格轮胎的 成型。 c l i 肋r da l a n d s n e s s 在专利中提出了一种新型连杆式的成型鼓【3 4 】，其中一个 构型如图1 5 所示，结构简单，伸缩比较大，但强度低。 第一章绪论 ( a ) 主视图 图1 5 连杆式成型鼓 ( b ) 机构简图 j e a nl e b l o n d 在专利中采用了将瓦板与活动鼓肩由不同机构控制的方式，可 实现同时改变成型鼓轴径向尺寸的功能【3 5 1 ，但杆件较多，成型鼓结构复杂。为 保证成型鼓的伸缩强度，v l a d i m i r a k i m 在专利中将两伸缩杆通过齿轮副配合， 通过连杆单独控制瓦板活动鼓肩p6 i ，但这样造成了运动副多、维护费用高等问题。 s i n i ik a w a i d a 在专利中介绍了通过在带动瓦板径向伸缩连杆的上串联一i i 级杆 副来带动瓦板活动鼓肩伸缩，并且可通过调节铰点的位置，来调节活动鼓肩的伸 缩速度旧。j u 巧i s a m o l ( h v a l o r 在专利中介绍的成型鼓采用的径向伸缩机构是图 1 5 中所用类型，瓦板活动鼓肩通过齿轮齿条和凸轮机构控制【3 8 】，成型质量好， 但伸缩范围有限，运动副种类多且铰接点受力性差。黄伟强在专利中介绍的成型 鼓，连杆对称布置，这样成型鼓整体刚度大、稳定性强，采用气动方式独立控制 瓦板活动鼓肩的运动【39 1 ，该成型鼓适用于较大规格轮胎的生产。 ( 3 ) 变胞运动副式 d a ij s 于1 9 9 9 年首次提出了变胞机构，该机构是一种可变构件数和可变自 由度的新型机构【4 0 1 。依据其原理，变胞机构有三种结构设计方法：变约束运动副 法、限位运动件法和模块组合法。在轮胎成型鼓设计中，常运用的是变约束运动 副法中的槽销副和组合运动副。该类成型鼓的主要特点是：通过在连杆式成型鼓 的构件上设置变胞运动副，使得当成型鼓运动到某一位置时，成型鼓的结构参数 突然发生改变，进而引起瓦板间的相对运动形式的改变，并且能在满足成型工艺 的前提下，实现更大范围的伸缩。 c l a r k a r o b e r t s 在专利中提出了一种由一组连杆机构同时驱动内、外瓦伸缩 运动的结构形式 4 ，如图1 6 所示。为满足内、外瓦板不同步伸缩的要求，内瓦 带动外瓦的机构根据组合变胞运动副的原理进行设计，但该结构较为复杂且伸缩 不够灵活。 囤 第一章绪论 fa ) 主视 刳 m j 机构篱罔 图1 6 变胞运动副式成型鼓 谢义忠在轮胎成型机成型鼓中介绍的成型鼓，在成型鼓的内、外瓦连杆 机构上均设置了组合变胞运动副【4 2 】，成型鼓能达到更大的伸缩比。但由于内、外 瓦采用不同的驱动装置，成型鼓的运动控制变得复杂。同时由于引入槽副，使得 成型鼓在轴向的稳定性降低。为此，s a t o s h ii y a i l a g i 在专利中介绍的成型鼓，在 瓦板上设计了一个沿瓦板径向的滑槽【4 3 1 ，在保证成型鼓轴向稳定性的前提下，提 高了瓦板的伸缩效率，但其采用的梳齿状的瓦板结构，将降低轮胎的成型质量。 b r i a np a i m e r 在此基础上改进了瓦板形状【州，通过调节成型鼓结构参数，使其实 现更大的伸缩比。 此外，n a m h i r o a l ( i y 锄a 在专利中提出了一种胶囊与机械相结合的成型鼓形 式，既能保证胎面贴合的均匀性，又可以避免由胶囊老化引起的不足【4 5 1 。李秀闰 在专利将成型鼓外形进行整体设计，通过瓦板自身的螺旋实现成型鼓的伸缩【4 6 1 ， 这样充分保证了轮胎成型的均匀性，但结构较为复杂。 近年来，国内外轮胎制造企业或橡机制造商围绕轮胎成型装备分别开展了大 量的研发工作，纷纷投入巨资研发各种不同的新型成型装备，伴随新型装备的研 制成功，也产生了一批发明专利文献。其中一大部分集中在轮胎成型鼓上。荷兰 m 公司马丁德赫拉夫发明了一种用于未硫化轮胎成型的具有翻边机构的轮胎 成型鼓【47 】；美国固特异轮胎和橡胶公司d r 维弗等发明了可径向膨胀的轮胎成 型鼓及相应的轮胎成行工艺【4 s 】；法国米其林技术公司d 布罗迪发明了一种可使 成型鼓伸展位置上相邻瓦板重叠的轮胎成型鼓 4 9 】；日本普利斯通公司成平秋山发 明了一种可在径向迅速扩张收缩的胎体支撑装置的胎体成型鼓【5 0 】。 美国火石轮胎与橡胶公司m 卡尔邦蒂发明了一种含有两个套叠筒状层的一 段法子午线轮胎成型方法；美国伊利诺斯工具制造公司弗兰克r 杰里森发明了 9 第一章绪论 一种具有彼此相对转动转轴和同轴套筒的轮胎成型鼓，使成型鼓可以充分地收 缩，从而很容易地卸胎1 5 。国内各橡机科研机构和生产制造企业也发明了多种不 同的新型装备，如天津赛象科技股份有限公司张芝泉发明了一种机械成型鼓，降 低了制造成本i l9 】。 天津赛象科技股份有限公司张建浩发明了一种工程胎成型机自动正反包装 置，提高了工程轮胎的内在质引5 2 】。发明的三鼓式全钢载重子午胎一次法成型机 和两鼓式子午线巨型工程轮胎一次法成型机【5 3 】，突破了成型机国外知识产权的封 锁，为企业打入国际市场奠定了基础。 1 4 研究内容 从上述国内外专利文献看，折叠式成型鼓存在成型鼓冲击力大，铰接轴销以 及连杆极易损伤、胎胚卸下较困难、效率低、次品率高等问题，而径向伸缩式成 型鼓，大部分内、外瓦是相互独立的，存在不易于控制、结构复杂、制造成本高 等问题。目前，能查到的关于成型鼓内、外瓦相关联的专利文献很少，有也是依 靠内瓦带动外瓦的形式。由于在轮胎胎胚成型过程中，外瓦一直与胎胚内表面接 触，为直接承载构件，而在内瓦带动外瓦的成型鼓里，外瓦承载性能不如内瓦， 导致成型鼓承载性差。在工程轮胎的成型过程中，成型鼓承载很大，内瓦带动外 瓦的成型鼓承载性差的不足将体现得更加明显。为满足成型鼓能承受大载荷的要 求，应该考虑研制外瓦带动内瓦的成型鼓。考虑到全钢工程子午线轮胎成型鼓为 多自由度空间机构，且具有胎坯轴向与径向尺寸均很大的的特点，本文重点研究 外瓦受直接驱动，通过外瓦带动内瓦实现成型鼓伸缩的新型成型鼓，该成型鼓满 足以下设计要求： l 动力输入装置少，运动传递简单，瓦板协调运动； 2 通过传动件轴向运动的控制，实现成型鼓在两极限位置的准确定位； 3 通过机构径向的伸缩，保证轮胎成型所需的伸缩比； 4 在成型鼓径向膨胀或收缩过程中，各构件之间不发生干涉； 5轮胎成型过程中，保证外瓦板外表面与帘布层的紧密接触； 6 确保成型鼓构件的强度满足要求； 7 保证成型鼓顺利卸胎； 8在满足以上要求的基础上，优选结构简单，操作方便的机构。 为满足以上要求，根据实际的工程子午线轮胎的尺寸和特点，本文主要研究 内容包括： l 提出并设计一种新的轮胎成型鼓，说明其结构组成和运动原理： l o 第一章绪论 2 对机构进行运动学设计，设定成型鼓基本参数，分析成型鼓不发生干涉 的条件，得出合理的参数范围，利用m a t l a b 进行机构优化设计： 3 建立数学模型，用矢量分析法对机构进行运动学分析，并通过具体算例 验证成型鼓是否满足设计要求： 4 用s o l i d w b r l ( s 构建成型鼓虚拟样机，对虚拟样机进行运动仿真、干涉检 查和应力与变形分析等。 第二章一种新型径向伸缩式成型鼓 2 1 引言 第二章一种新型径向伸缩式成型鼓 轮胎成型鼓的设计应该满足一定的轮胎成型工艺要求，比如成型鼓能顺利卸 胎、稳定性好等。对于本文研究的全钢工程子午线轮胎的成型鼓，由于轮胎的特 殊性，其设计必须在满足轮胎成型工艺要求的基础上，进而满足一些特定的设计 要求。本章在探讨全钢工程子午线轮胎成型鼓设计应满足的设计要求的基础上， 提出一种具有间隙补偿功能的径向伸缩式成型鼓设计方案，对其主要结构组成和 运动原理进行了详细讨论。 2 2 设计方案 根据子午线轮胎的生产工艺，成型鼓在设计过程中，无论是折叠式还是径向 伸缩式，都必须满足以下轮胎成型工艺要求【2 4 】： l 顺利卸胎 轮胎成型工序结束后，成型鼓开始收缩，为保证胎胚能被顺利卸下，成 型鼓最小收缩状态的直径要小于轮胎胎圈口直径。 2 稳定性好 轮胎成型过程中，鼓瓦外表面与气密层接触，承受轴向或径向的压力， 若成型鼓稳定性差，就可能发生成型鼓轴向移动或周向摆动，影响成型精度 和胎胚质量。 3 构件不干涉 成型鼓在伸缩运动过程中，尤其是在运动的起始和终了阶段，构件之间 易发生干涉，所以合理选择机构参数，保证成型鼓各构件之间不发生干涉显 得尤为重要。 4结构合理 成型鼓在最大膨胀状态时，所有鼓瓦共同形成所需生产的轮胎胎胚的外 形；在最小收缩状态时，所有鼓瓦以一定方式相互叠合在一有限空间内，各 构件的尺寸参数将被限制在一定范围内，必须在此限定条件下，设计各零部 件结构。 1 2 第二章一种新型径向伸缩式成型鼓 根据子午线轮胎的生产特点，相应的成型鼓要实现较大的伸缩比，即( 图 2 1 ) 五：墨：! 竺q 塑竺：2 5 ( 2 1 ) = 一= 一2 z ) t z l ， ，7 6 0 坍聊 、 式中： 尺成型鼓处于最大膨胀状态时鼓瓦的外接圆半径； ，成型鼓处于最小收缩状态时外瓦的外接圆半径。 2 图2 1 内、外瓦伸缩示意图 l 一外瓦 2 一内瓦 伸缩比五= 2 5 意味着两个问题，一是该成型鼓需采用能实现大伸缩比的机 构；二是若该成型鼓只采用内、外瓦两层鼓瓦叠合的形式，要实现伸缩比五= 2 5 ， 则当成型鼓处于最大膨胀位置时，内、外瓦之间必然存在较大的间隙( 因为要使 内、外瓦之间不产生间隙，名 p 所以 9 2 口 由式( 3 4 ) 可得成型鼓能实现的伸缩比 a ：墨旦望兰祟 ( 矽2 ) ( 口2 ) o ，而且瓦板数z 越小，内该间隙越大，不利于胎胚成型时的稳 定性和一致性，因此应在实现较大伸缩比的同时使内、外瓦之间的间隙尽可能小， 选z = 3 0 ，则 缈= 4 州z = 2 4 0 口= 2 a r c s m 唼矧n ( 伊2 ) ) = 9 5 0 为使成型鼓结构紧凑，设内、外瓦板厚度丸。= 3 0 m m ，外瓦导引板厚度 k = 2 0 m m ，成型鼓处于最小收缩位置时，内瓦所对应的外接圆半径为 ，= 7 l o m m ，则当成型鼓处于最大膨胀位置时，由图3 3 可知，内瓦对应的圆心 角 脚删n ( 丢墒( 型笋) = 8 ， l 一外瓦 2 一内瓦 3 一间隙瓦 图3 3 参数求解示意图 所有内、外瓦对应的圆心角的总和为 詈( 口+ ) = 1 5 ( 9 5 4 。+ 8 3 2 。) = 2 6 7 。 内、外瓦之间的所有间隙对应的圆心角总和为 3 6 0 0 一2 6 7 9 0 = 9 3 0 由于间隙个数与内、外瓦板总数z 相等，由此可得每块间隙瓦所对应的圆心角 万：墅：3 1 。万= 二二= 3 1 0 第三章运动学设计 3 4 主要参数设计 成型鼓的膨胀、收缩两个过程可逆，若成型鼓机构的各个参数能满足其中一 个过程的要求，必定能满足其逆过程的要求。因此，下面只对成型鼓收缩过程中 的参数进行研究。为统一参数定义，规定：成型鼓处于最大膨胀位置时的参数加 下标“s t ”表示，成型鼓处于最小收缩位置时的参数加下标“f i n ”表示。 l外瓦连杆机构 如图3 - 4 所示，设，。c 、o 分别为连杆么c f 的彳c 段和c f 段的长度，为 主轴滑动环彳在x 轴方向上的位移，d 为外瓦导引板c ，d 在y 轴上的位移，s n f 为外瓦滑块f 在x 轴方向上的位移，口为连杆彳c f 弯折处的夹角，为常量，仍为 连杆彳c fx 轴正方向的夹角，仍为连杆彳c f 的c f 段与x 轴正方向的夹角。 图3 4 外瓦连杆机构 要实现成型鼓内、外瓦在两极限位置的准确定位，则 cs i n 仍“+ ks i n 仍鲋= 鲫 cs i n 仍伽+ ，c fs i i l 鲠伽= 锄 = r 一，；一k ( 3 - 9 ) ( 3 - l o ) ( 3 1 1 ) = ，一。一k ( 3 - 1 2 ) 式中，o 为主轴滑动环半径：k 为外瓦滑块f 至外瓦板外表面的径向距离，如 图3 5 所示。 第三章运动学设计 二。0 二 一 图3 5 成型鼓单元图3 6 主轴滑动环 为保证成型鼓在最小收缩位置时，外瓦滑块e 、f 不脱离外瓦导引板的轴向 导引槽，则 b c o s 仍伽一k c o s 仍盯k ( 3 - 1 3 ) 式中，k 为外瓦导引板轴向导引槽的长度，如图3 7 所示。 图3 7 外瓦导引板 2 内外瓦连接机构 如图3 8 所示，设为x d 夕平面内，内瓦导引杆g 相对于图3 4 中外瓦 导引板c ，d 在轴方向上的位移， 为内瓦导引滑块日7 在z 7 轴方向上的位移， ，为外瓦滑块f 在，轴方向上的位移，9 为内外瓦连杆f 何7 与z 轴正方向之 问的夹角，脚，为内外瓦连杆的长度。 当成型鼓处于最大膨胀位置时，为确保在成型鼓收缩过程中，内瓦导引滑块 在外瓦滑块，的推动下沿轴正向运动，则 ( 3 一1 4 ) ( 3 - 1 5 ) ( 3 一1 6 ) j 巩 蛐 槲 黼 一 黼 慨锄 ； 枷 刚 幅 躺 可必 第三章运动学设计 内外瓦之间应具有较好的传力特性，岛应远离9 0 。，取以7 0 。而越小 越好，但当成型鼓处于最小收缩位置时，内瓦导引滑块不能脱离内瓦导引杆 g ，设内瓦导引杆g 的长度与瓦板轴向宽度相等( 瓦板轴向宽度为b ) ，则 聊+ k c o s 詈 ( 3 一1 7 ) 由此可得 综合式( 3 - l6 ) 、( 3 - 18 ) 可得 心， ( 3 1 8 ) a r c c o s ( 丝拿堕) 目7 0 。 ( 3 1 9 ) f 谨 ， i g i 量 图3 8 内外瓦连接机构 3 内瓦导引机构 如图3 9 所示，设为内瓦导引板k 在y 。方向上的位移，为内瓦滑块膨 在，g 矿平面内的位移，榭为与内瓦导引滑块日固连的内瓦连杆的长度，为常 量，为内瓦导引滑块日在，轴方向上的位移，= 哳( w ，为图3 - 8 中内 瓦导引滑块日在，轴方向上的位移) ，矿为内瓦导引板k 上的导向滑槽与，轴 正向之间的夹角，为常量。 图3 9 内瓦导引机构 第三章运动学设计 当成型鼓处于最大膨胀位置时，有 + = k ( 3 - 2 0 ) 式中，玩为内瓦导引板两条对称导向滑槽的中心线交点k 至内瓦外圆弧表面的 距离，如图3 1 0 所示。 图3 1 0 内瓦导引板 4间隙瓦导引机构 如图3 - 1 1 所示，设哳为间隙瓦r 在y 轴方向上的位移，跏r 为间隙瓦丁的 在z 方向上的位移，为间隙瓦r 上的导向滑槽与x 轴正方向之间的夹角，为 常量，p r 为间隙瓦连杆上袱段的长度，即为外瓦滑块尸与内外瓦连杆f ，尸铰 接处f 7 点到间隙瓦连杆袱与内外瓦连杆铰接处p 点的长度，口为内外瓦连杆 f p 与x 轴正方向之间的夹角，由图3 8 可知 p = a r c s i n ( 点0 拶) ( 3 - 2 1 ) o 。 y ?尸 图3 1 l 间隙瓦导引机构 当成型鼓处于最大膨胀位置时，有 盼行，+ k = k ( 3 2 2 ) 式中，为间隙瓦两条对称导向滑槽的中心线交点丁至间隙瓦外表面的距离， 如图3 - 1 2 所示；k 为外瓦滑块f 至外瓦板外表面的径向距离，见图3 5 。 r 图3 1 2 间隙瓦 2 8 第三章运动学设计 3 5 不干涉条件分析 l瓦板不干涉条件 在成型鼓的工作过程中，内瓦、外瓦和间隙瓦之间不能发生干涉，否则机构 将不能按预期轨迹运动。由于瓦板发生干涉时，首先是瓦板外表面圆弧对应的弦 线相交，因此，在分析瓦板不发生干涉的条件时，可通过研究瓦板外表面圆弧对 应的弦线之间的位置关系来确定。如图3 1 3 所示，虚线表示成型鼓的两极限位 置，粗实线表示成型鼓工作过程中的f 时刻，内瓦、外瓦和间隙瓦所处的相对位 置。在该任意位置，尸、q 为内瓦弦线的两端点，m 、为间隙瓦弦线的两端点， 尸，为直线卯与外瓦弦线的交点，屈为内瓦弦线所对应的圆心角，为直线d 与内瓦弦线尸q 的交点，谚间隙瓦弦线所对应的圆心角。 o 图3 1 3 成型鼓瓦板伸缩示意图 l 一外瓦 2 一内瓦 3 一间隙瓦 在成型鼓工作过程中，要使内瓦和外瓦之间不发生干涉，则 屈 o ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 )