輪胎成型鼓的動(dòng)力學(xué)分析

李彥海

(中國(guó)海洋大學(xué),山東青島 266000)

輪胎成型鼓的動(dòng)力學(xué)分析

李彥海

(中國(guó)海洋大學(xué),山東青島 266000)

本文介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)普遍采用的一種輪胎成型鼓的基本結(jié)構(gòu),引入分析軟件ADAMS、ANSYS等到輪胎成型鼓研發(fā)中,對(duì)輪胎成型鼓進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度、加速度等變化,消除后續(xù)裝配環(huán)節(jié)可能存在的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行模態(tài)分析,確定機(jī)構(gòu)的等可靠性。

輪胎 成型鼓 位移 仿真分析

1 前言

現(xiàn)階段機(jī)械行業(yè)采用三維軟件對(duì)機(jī)構(gòu)分析已經(jīng)非常普遍，國(guó)內(nèi)橡膠機(jī)械行業(yè)，這種手段卻剛剛開(kāi)始，隨著客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，如果不積極跟進(jìn)，橡膠行業(yè)的設(shè)備供應(yīng)商很難跟上客戶(hù)的要求；因此引入ADAMS、ANSYS分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真、動(dòng)力學(xué)分析，來(lái)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中時(shí)常發(fā)生的空間干涉問(wèn)題、可靠性問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行綜合管理，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)投入成本，最終幫助產(chǎn)品研發(fā)人員達(dá)到客戶(hù)提出的要求，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 輪胎成型鼓的運(yùn)動(dòng)仿真分析

2.1 典型輪胎成型鼓的基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段輪胎企業(yè)普遍采用的一種全鋼載重輪胎成型鼓為一次成型輪胎成型鼓(圖1)，該鼓的結(jié)構(gòu)可分為：主軸組合件、鎖緊頭、反包缸體三部分。

在SolidWorks中建立成型鼓的零件幾何模型，進(jìn)行虛擬裝配后得到機(jī)構(gòu)的三維幾何模型(圖2)。幾何模型讀入ADAMS軟件，定義構(gòu)件的材料屬性，從而確定其質(zhì)量特性參數(shù)，各構(gòu)件之間添加運(yùn)動(dòng)副，進(jìn)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的相互運(yùn)動(dòng)約束。

圖1 成型鼓機(jī)構(gòu)圖

圖2 成型鼓鎖緊頭三維建模

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及分析

當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)遵循特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，觀察鎖塊的運(yùn)動(dòng)變化情況，包括其軌跡、位移、速度、加速度分析，以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否存在實(shí)體干涉現(xiàn)象。

為了在虛擬樣機(jī)建模中，盡量準(zhǔn)確的模擬機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，ADAMS提供了多達(dá)11中函數(shù)供用戶(hù)使用，充分利用這些函數(shù)，將使建模與仿真更加精確和高效?，F(xiàn)在對(duì)活塞施加一做簡(jiǎn)諧往復(fù)運(yùn)動(dòng)的直線驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)為氣動(dòng)時(shí)，為非簡(jiǎn)諧，得到活塞的位移曲線、速度及加速度曲線，驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：

圖3 驅(qū)動(dòng)活塞位移曲線圖

圖4 鎖塊徑向位移曲線圖

圖5 鎖塊徑向速度曲線圖(沖擊特性)

圖6 鎖塊徑向加速度曲線圖

從圖3驅(qū)動(dòng)活塞位移曲線圖可知，活塞運(yùn)動(dòng)有一個(gè)間隔過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中大小鎖塊的位移如何可通過(guò)圖4鎖塊徑向位移曲線圖明確得出，兩者最終達(dá)到一個(gè)高度，存在干涉區(qū)域，但時(shí)間歷程下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并無(wú)干涉現(xiàn)象發(fā)生；從圖5鎖塊徑向速度曲線圖可知，鎖塊的沖擊特性不好，沖擊變化較大。

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

圖13 連桿變形位移云圖

圖14 連桿von Mises等效應(yīng)力分布云圖

從上面的驅(qū)動(dòng)方式的曲線圖，我們可以看出雙滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)輸入特性，輸出運(yùn)動(dòng)特性隨輸入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化關(guān)系，滑塊伸縮運(yùn)動(dòng)的兩端運(yùn)動(dòng)邊界處(運(yùn)動(dòng)速度為零)，推出初始時(shí)刻速度變化快，加速度明顯比收縮初始時(shí)刻相應(yīng)值大。

短鎖塊的運(yùn)動(dòng)幅度及速度、加速度明顯大于長(zhǎng)鎖塊；加速度決定往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中構(gòu)件慣性力的大小，雙滑塊機(jī)構(gòu)在活塞簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)情況下，加速度值，長(zhǎng)連桿大于短連桿，近端大于遠(yuǎn)端。因此合理布置大小塊之間的間距，避免碰撞是產(chǎn)品可靠使用的重要基礎(chǔ)。另外，兩種驅(qū)動(dòng)方式下的慣性沖擊都較大，能夠表明在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鎖塊運(yùn)動(dòng)是有較大沖擊的，這就需要我們對(duì)機(jī)構(gòu)內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)，確保機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性！

3 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 連桿彈性動(dòng)力學(xué)分析

連桿是機(jī)構(gòu)中強(qiáng)度最薄弱部分，不恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)激勵(lì)可能導(dǎo)致連桿的彈性變形及振動(dòng)，該現(xiàn)象可能引起相鄰鎖塊之間的運(yùn)動(dòng)干涉，還會(huì)引起成型鼓晃動(dòng)，造成最終成品輪胎的均勻性不良，進(jìn)而影響輪胎產(chǎn)品的工作性能。

模態(tài)中性文件(MNF)是實(shí)現(xiàn)二者聯(lián)合仿真的橋梁，在ADAMS軟件中，引入MNF文件并對(duì)多剛體模型進(jìn)行柔性體替換，柔性體與剛性體之間通過(guò)外部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)副連接。在ADAMS或ANSYS環(huán)境中均可對(duì)連桿的模態(tài)信息進(jìn)行查看。

連桿振型圖(圖7-圖12）：

第一階振型圖(固有頻率8625.8Hz)，該振幅圖可知連桿往側(cè)面內(nèi)進(jìn)行彎曲振動(dòng)；

第二階振型圖(固有頻率12280Hz)，該振幅圖可知連桿正面平面內(nèi)進(jìn)行彎曲振動(dòng)；

第三階振型圖(固有頻率15657Hz)，該振幅圖可知連桿進(jìn)行扭轉(zhuǎn)彎曲振動(dòng)；

第四階振型圖(固有頻率18605Hz)，該振幅圖可知連桿側(cè)面內(nèi)進(jìn)行二階彎曲振動(dòng)；

第五階振型圖(固有頻率22623Hz)，該振幅圖可知連桿銷(xiāo)軸孔做不規(guī)則的彎曲振動(dòng)；

第六階振型圖(固有頻率27679Hz)，該振幅圖可知連桿正面平面內(nèi)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)彎曲振動(dòng)。

3.2 成型鼓連桿靜力分析

連桿在孔端面平面內(nèi)，受連桿孔與銷(xiāo)軸構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)副的兩個(gè)約束反力，二者為空間固定的單向力，方向分別沿環(huán)形活塞的軸向和徑向。連桿的應(yīng)力計(jì)算通過(guò)lod文件在ANSYS中進(jìn)行。ADAMS仿真結(jié)束后，輸出柔性連桿最大受力時(shí)刻的載荷文件(Lod文件)，文件中包含兩個(gè)外部節(jié)點(diǎn)的載荷信息，打開(kāi)ANSYS界面并恢復(fù)連桿的有限元文件，選擇所有節(jié)點(diǎn)，通過(guò)ANSYS-ADAMS專(zhuān)用接口讀入Lod文件，設(shè)置讀入載荷，自動(dòng)添加避免剛體位移的邊界約束以及外部載荷力，并開(kāi)始結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算。

圖13、圖14分別為矢量合成的變形位移云圖和基于第四強(qiáng)度理論的von Mises等效應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，最大變形位置在連桿的中部，變形量從中間向兩端逐漸減小，最大變形量達(dá)0.0513mm。最大應(yīng)力位置在連桿彎曲內(nèi)側(cè)面的中間部位，向外至中間位置逐漸減小，從中間位置開(kāi)始至彎曲外側(cè)面應(yīng)力值小幅度增大。連桿最大應(yīng)力值0.11MPa，滿(mǎn)足材料的強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)輪胎成型鼓在做胎過(guò)程中的一些基本動(dòng)作進(jìn)行了仿真分析，基本反映出輪胎成型鼓的實(shí)際狀態(tài)，是一種可行的分析手段，它能夠讓研發(fā)人員更加直觀的了解到成型鼓結(jié)構(gòu)的可靠性，更加直觀的了解到成型鼓鎖緊頭部分零部件的活動(dòng)軌跡，所有的這些對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)及使用會(huì)有一個(gè)很好的指導(dǎo)作用，對(duì)成型鼓的研發(fā)重大意義!

[1]劉英杰,李彥海,劉明,譚麗麗,聞德生.機(jī)械成型鼓及其無(wú)縫鎖定方法.中國(guó)專(zhuān)利.200910017466.1,2011.03.23.

[2]李軍,邢俊文,譚文浩 等.ADAMS實(shí)例教程.北京:北京理工大學(xué)出版社,2002.

[3]龔曙光主編.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析.機(jī)械工業(yè)出版社,2003.4.