轮胎成型鼓的动力学分析

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【摘 要】 本文介绍了现阶段国内普遍采用的一种轮胎成型鼓的基本结构，引入分析软件ADAMS、ANSYS等到轮胎成型鼓研发中，对轮胎成型鼓进行运动仿真分析，得到机构运动过程中的位移、速度、加速度等变化，消除后续装配环节可能存在的风险；同时对机构的薄弱环节进行模态分析，确定机构的等可靠性。

【关键词】 轮胎 成型鼓 位移 仿真分析

1 前言

现阶段机械行业采用三维软件对机构分析已经非常普遍，国内橡胶机械行业，这种手段却刚刚开始，随着客户对产品的要求越来越高，如果不积极跟进，橡胶行业的设备供应商很难跟上客户的要求；因此引入ADAMS、ANSYS分析软件对所设计产品进行动力学仿真、动力学分析，来解决产品设计过程中时常发生的空间干涉问题、可靠性问题，对产品的全生命周期进行综合管理，缩短产品的研发周期，降低产品的研发投入成本，最终帮助产品研发人员达到客户提出的要求，具有非常重要的现实意义。

2 轮胎成型鼓的运动仿真分析

2.1 典型轮胎成型鼓的基本结构

现阶段轮胎企业普遍采用的一种全钢载重轮胎成型鼓为一次成型轮胎成型鼓（图1），该鼓的结构可分为：主轴组合件、锁紧头、反包缸体三部分。

在SolidWorks中建立成型鼓的零件几何模型，进行虚拟装配后得到机构的三维几何模型（图2）。几何模型读入ADAMS软件，定义构件的材料属性，从而确定其质量特性参数，各构件之间添加运动副，进行机构内部的相互运动约束。

2.2 运动学仿真及分析

当活塞运动遵循特定的运动规律时，观察锁块的运动变化情况，包括其轨迹、位移、速度、加速度分析，以及运动过程中是否存在实体干涉现象。

为了在虚拟样机建模中，尽量准确的模拟机械系统复杂的现实环境，ADAMS提供了多达11中函数供用户使用，充分利用这些函数，将使建模与仿真更加精确和高效。现在对活塞施加一做简谐往复运动的直线驱动，驱动函数驱动为气动时，为非简谐，得到活塞的位移曲线、速度及加速度曲线，驱动函数如下：

step（time，0，0，4，45.15）+step（time，6，0，10，-45.15）+step（time，10，0，14，45.15）+step（time，16，0，20，-45.15）

从图3驱动活塞位移曲线图可知，活塞运动有一个间隔过程，在这个过程中大小锁块的位移如何可通过图4锁块径向位移曲线图明确得出，两者最终达到一个高度，存在干涉区域，但时间历程下的运动过程中并无干涉现象发生；从图5锁块径向速度曲线图可知，锁块的冲击特性不好，冲击变化较大。

从上面的驱动方式的曲线图，我们可以看出双滑块机构简谐运动输入特性，输出运动特性随输入运动状态的变化关系，滑块伸缩运动的两端运动边界处（运动速度为零），推出初始时刻速度变化快，加速度明显比收缩初始时刻相应值大。

短锁块的运动幅度及速度、加速度明显大于长锁块；加速度决定往复运动过程中构件惯性力的大小，双滑块机构在活塞简谐驱动情况下，加速度值，长连杆大于短连杆，近端大于远端。因此合理布置大小块之间的间距，避免碰撞是产品可靠使用的重要基础。另外，两种驱动方式下的惯性冲击都较大，能够表明在此运动过程中锁块运动是有较大冲击的，这就需要我们对机构内的薄弱环节进行强度校验，确保机构运行的稳定性！

3 刚柔耦合动力学仿真分析

3.1 连杆弹性动力学分析

连杆是机构中强度最薄弱部分，不恰当的运动激励可能导致连杆的弹性变形及振动，该现象可能引起相邻锁块之间的运动干涉，还会引起成型鼓晃动，造成最终成品轮胎的均匀性不良，进而影响轮胎产品的工作性能。

模态中性文件（MNF）是实现二者联合仿真的桥梁，在ADAMS软件中，引入MNF文件并对多刚体模型进行柔性体替换，柔性体与刚性体之间通过外部节点进行旋转副连接。在ADAMS或ANSYS环境中均可对连杆的模态信息进行查看。

连杆振型图（图7-图12）：

第一阶振型图（固有频率8625.8Hz），该振幅图可知连杆往侧面内进行弯曲振动；

第二阶振型图（固有频率12280Hz），该振幅图可知连杆正面平面内进行弯曲振动；

第三阶振型图（固有频率15657Hz），该振幅图可知连杆进行扭转弯曲振动；

第四阶振型图（固有频率18605Hz），该振幅图可知连杆侧面内进行二阶弯曲振动；

第五阶振型图（固有频率22623Hz），该振幅图可知连杆销轴孔做不规则的弯曲振动；

第六阶振型图（固有频率27679Hz），该振幅图可知连杆正面平面内进行扭转弯曲振动。

3.2 成型鼓连杆静力分析

连杆在孔端面平面内，受连杆孔与销轴构成的旋转副的两个约束反力，二者为空间固定的单向力，方向分别沿环形活塞的轴向和径向。连杆的应力计算通过lod文件在ANSYS中进行。ADAMS仿真结束后，输出柔性连杆最大受力时刻的载荷文件（Lod文件），文件中包含两个外部节点的载荷信息，打开ANSYS界面并恢复连杆的有限元文件，选择所有节点，通过ANSYS-ADAMS专用接口读入Lod文件，设置读入载荷，自动添加避免刚移的边界约束以及外部载荷力，并开始结构静力计算。

图13、图14分别为矢量合成的变形位移云图和基于第四强度理论的von Mises等效应力分布云图，从图中可以看出，最大变形位置在连杆的中部，变形量从中间向两端逐渐减小，最大变形量达 0.0513mm。最大应力位置在连杆弯曲内侧面的中间部位，向外至中间位置逐渐减小，从中间位置开始至弯曲外侧面应力值小幅度增大。连杆最大应力值0.11MPa，满足材料的强度要求。

4 结语

本文通过虚拟样机技术对轮胎成型鼓在做胎过程中的一些基本动作进行了仿真分析，基本反映出轮胎成型鼓的实际状态，是一种可行的分析手段，它能够让研发人员更加直观的了解到成型鼓结构的可靠性，更加直观的了解到成型鼓锁紧头部分零部件的活动轨迹，所有的这些对后续的生产及使用会有一个很好的指导作用，对成型鼓的研发重大意义！

参考文献：

[1]刘英杰，李彦海，刘明，谭丽丽，闻德生.机械成型鼓及其无缝锁定方法.中国专利.200910017466.1，2011.03.23.

[2]李军，邢俊文，谭文浩 等.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002.

[3]龚曙光主编.ANSYS基础应用及范例解析.机械工业出版社，2003.4.