基于CATIA的輪胎輪廓參數(shù)化模板設(shè)計(jì)

李 華，張 敏，吳東霞，程麗娜

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎設(shè)計(jì)形式選擇多樣，同花紋系列的輪胎規(guī)格數(shù)量常達(dá)幾十個，經(jīng)常需要耗費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。隨著輪胎行業(yè)的迅速發(fā)展，輪胎產(chǎn)品不論在產(chǎn)品規(guī)格線還是在花紋設(shè)計(jì)上的更新速度都越來越快，如何有效提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高企業(yè)的市場快速響應(yīng)能力，從而提高企業(yè)的盈利能力，已成為輪胎企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。在全球制造業(yè)為爭奪數(shù)字化創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者地位展開如火如荼的競爭大環(huán)境下，全球三分之二的工業(yè)企業(yè)表示，生產(chǎn)價(jià)值鏈的數(shù)字化是其首要任務(wù)之一[1]。現(xiàn)階段的輪胎設(shè)計(jì)，眾多輪胎企業(yè)已從以往的AutoCAD平臺上的2D圖形設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)到Computer Aided Three-Dimensional Interface Application（CATIA），UG，Pro/Engineer，SolidWorks等三維設(shè)計(jì)平臺上來。

CATIA軟件采用全新的、基于組件的開放式體系結(jié)構(gòu)，利用其參數(shù)化驅(qū)動模板設(shè)計(jì)配合Component Application Architecture（CAA）二次開發(fā)，能夠有效縮短輪胎開發(fā)周期，將系列化產(chǎn)品快速投入市場，提高企業(yè)競爭力并提升企業(yè)形象[2-4]。目前參數(shù)化設(shè)計(jì)在國內(nèi)眾多輪胎企業(yè)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。郝泳濤等[5]提出了自動化智能輪胎設(shè)計(jì)的概念，建立了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維輪胎數(shù)字化模型開發(fā)設(shè)計(jì)平臺。丁海峰等[6]利用CATIA軟件對輪胎進(jìn)行實(shí)體建模研究。張金巨[7]利用CATIA軟件對輪胎花紋進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究。

輪胎設(shè)計(jì)可分為模型設(shè)計(jì)、輪廓設(shè)計(jì)和配方設(shè)計(jì)3個方面。其中輪廓設(shè)計(jì)對輪胎的性能有重大影響，直接影響到輪胎的受力、操縱性能和滾動阻力等，因此輪胎的輪廓設(shè)計(jì)十分重要[8-10]。本工作利用CATIA軟件（V5R22版本）平臺，在創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊下進(jìn)行輪胎輪廓的參數(shù)化模板設(shè)計(jì)。利用參數(shù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)同規(guī)則下不同規(guī)格輪胎產(chǎn)品輪廓圖的快速擴(kuò)展，提高了輪胎設(shè)計(jì)的效率；同時(shí)利用參數(shù)化及規(guī)則化設(shè)計(jì)，把設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行黑盒封裝，通過對模板的應(yīng)用提高設(shè)計(jì)的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)性，在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)降低因工程師不同可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)失誤。

1 輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)

輪胎輪廓設(shè)計(jì)是指滿足技術(shù)指標(biāo)要求的充氣輪胎外輪廓尺寸的成品輪胎模具內(nèi)輪廓形狀尺寸的確定過程，即指硫化模具內(nèi)緣輪廓尺寸的確定。輪胎的輪廓尺寸是外胎斷面圖的基本框架尺寸，包括外直徑（D）、斷面寬（B）、斷面高（H）、下胎側(cè)高度（H1）、上胎側(cè)高度（H2）、胎圈著合直徑（Dr）、胎圈著合寬度（C）、胎圈寬度（W）、行駛面寬度（b）、行駛面高度（h）、花紋深度（dT）等，如圖1所示。

圖1 輪胎部分輪廓尺寸

輪胎輪廓的設(shè)計(jì)參數(shù)非常多，設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。因此輪胎輪廓的模板設(shè)計(jì)需要進(jìn)行大量的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化設(shè)計(jì)。按照設(shè)計(jì)規(guī)則的不同，輪胎可分為9種類型，分別為:PCR（普通轎車子午線）輪胎、SUV（運(yùn)動型實(shí)用汽車）輪胎、UHP（高性能轎車）輪胎、CVT（C型輕型載重）輪胎、LTR-M（LT型輕型載重）輪胎、LTR（英制輕型載重）輪胎、T-PCR（備用轎車子午線）輪胎、ST（ST型輕型載重）輪胎和HFLR（高通過性）輪胎。

本工作以155/70R13 75T PCR輪胎為例對其輪廓進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。

（1）D，B，C，b，h參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)及市場屬性，由對應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊查得標(biāo)準(zhǔn)外直徑（Ds）、標(biāo)準(zhǔn)斷面寬（Bs）及標(biāo)準(zhǔn)胎圈著合寬度（Cs），也可通過設(shè)計(jì)手冊標(biāo)準(zhǔn)公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下:

式中，B，C，b值均取整，k1為胎圈寬度放大系數(shù)，k2為斷面寬增量，k3為行駛面比例系數(shù)，k4為總弧深系數(shù)。在模板規(guī)則中，k2由k1和輪胎名義高寬比（A）共同確定，k3由設(shè)計(jì)類型和速度級別共同確定。通過式（1）—（5），可依次求得設(shè)計(jì)參數(shù)D，B，C，b，h。

（2）H，H1，H2和dT參數(shù)設(shè)計(jì)。Dr根據(jù)輪胎輪輞名義直徑確定，由設(shè)計(jì)公式H＝（D－Dr）/2，可求得H。根據(jù)H＝H1＋H2，H2/H1由k1和A共同確定，可求得H1和H2。dT由輪胎名義斷面寬（Bn）和A共同確定。

（3）W參數(shù)的設(shè)計(jì)。W由胎圈處簾布結(jié)構(gòu)層數(shù)（BS）確定，其中單層時(shí)BS為1，雙層時(shí)BS為2。

（4）下輪廓有無護(hù)圈（RP）設(shè)計(jì)。針對有RP設(shè)計(jì)的情況，對應(yīng)增加該部分位置的參數(shù)設(shè)計(jì)，參數(shù)取值由輪輞名義直徑（Dn）和BS確定。

（5）根據(jù)以上主要輪廓尺寸參數(shù)值、輪胎設(shè)計(jì)常規(guī)參數(shù)定值及在設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的中垂線定理、相切關(guān)系等，求解出輪廓圖中相關(guān)位置的半徑、高度、厚度等，將輪廓圖繪制出來。

2 輪廓圖模板制作

針對PCR輪胎，不同規(guī)格輪胎輪廓圖的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)集中在Bn，A，Dn，DT（設(shè)計(jì)類型），BS，RP，SI（速度級別）和k1上。輪胎輪廓圖模板制作過程中，首先創(chuàng)建輪廓圖繪制所需要的所有參數(shù):關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)建立，為后續(xù)知識工程模板封裝做準(zhǔn)備；常規(guī)定值參數(shù)建立，繪圖時(shí)直接應(yīng)用；通過計(jì)算及設(shè)計(jì)關(guān)系確定數(shù)值的參數(shù)，直接將公式及規(guī)則寫入?yún)?shù)值內(nèi)，以驅(qū)動圖紙?jiān)诟淖儏?shù)時(shí)的自動更新。本工作建立Bn，A，Dn，DT，BS，RP，SI和k1八個參數(shù)，對D，B，C，b，h等參數(shù)進(jìn)行公式計(jì)算，ki（i＝1—4）等參數(shù)采用規(guī)定常數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 輪廓圖設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)建立的參數(shù)進(jìn)行輪胎輪廓圖的繪制。不同類型的輪廓參數(shù)化設(shè)計(jì)在對輪廓圖分區(qū)時(shí)應(yīng)遵循相同的規(guī)則:為了方便輪廓圖為花紋、胎側(cè)及令模（胎側(cè)下分型面到胎圈位置）三部分特征點(diǎn)、特征線等的使用，統(tǒng)一將輪廓的特征拆分為胎面部分、胎側(cè)部分和胎圈部分，如圖3所示。由于在輪廓圖的繪制中調(diào)用了寫入公式和規(guī)則的參數(shù)，因此通過參數(shù)驅(qū)動，就可以實(shí)現(xiàn)輪廓圖的自動更新，即實(shí)現(xiàn)輪廓圖的模板化。

圖3 輪廓模板示意

結(jié)合CATIA知識工程模塊對輪廓圖模板進(jìn)行封裝。在此過程中，對公式和規(guī)則進(jìn)行黑盒封裝，其在后續(xù)擴(kuò)展過程中不可見且不可編輯，可實(shí)現(xiàn)模板的良好保密性。同時(shí)將8個關(guān)鍵參數(shù)及花紋、胎側(cè)、令模設(shè)計(jì)的必要輸入（參數(shù)、曲線、點(diǎn)等）發(fā)布出來供后續(xù)輪胎圖整裝數(shù)模使用，達(dá)到輪廓驅(qū)動花紋/胎側(cè)/令模的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)，可起到統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的目的，如圖4所示。

圖4 輪廓模板關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)輸出示意

3 系列化規(guī)格擴(kuò)展

對PCR輪胎，通過關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的替換，利用輪廓模板即可實(shí)現(xiàn)輪廓圖的自動更新。因此，在PCR輪胎輪廓模板擴(kuò)展的過程中，首先需要在其輪廓參數(shù)Excel設(shè)計(jì)表中，按8個關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)類別填寫相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 輪廓參數(shù)設(shè)計(jì)表

利用CAA二次開發(fā)程序自動讀取輪廓參數(shù)Excel設(shè)計(jì)表中的參數(shù)項(xiàng)，并將讀到的參數(shù)輸入到模板文件中。通過設(shè)計(jì)表上不同型號（列）的選擇，自動將關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行替換，同時(shí)自動更新輪廓圖紙，實(shí)現(xiàn)輪廓圖不同尺寸規(guī)格的迅速系列化擴(kuò)展。選中已正確填寫參數(shù)的設(shè)計(jì)表后，點(diǎn)擊“OK”按鈕即可運(yùn)行程序，得到參數(shù)設(shè)計(jì)表中各列規(guī)格輪廓圖，并自動保存。程序的二次開發(fā)進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)的自動化程度，提升了自動化系列擴(kuò)展的出圖效率。

4 實(shí)際應(yīng)用

以往輪廓圖在AutoCAD平臺上進(jìn)行單規(guī)格設(shè)計(jì)時(shí)，雖然設(shè)計(jì)規(guī)則統(tǒng)一，但仍然需要進(jìn)行重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，人工進(jìn)行逐個規(guī)格的繪制。以同花紋系列開發(fā)24個規(guī)格為例，按每個規(guī)格耗時(shí)2 h計(jì)算，24個規(guī)格一個人需要6個工作日的時(shí)間。

采用CATIA模板設(shè)計(jì)，利用參數(shù)驅(qū)動圖紙自動更新，加以程序二次開發(fā)自動系列擴(kuò)展和保存，按每個規(guī)格計(jì)算耗時(shí)2 min，24個規(guī)格僅需要48 min，就能將輪廓圖全部擴(kuò)展完成。

因此，采用參數(shù)化模板設(shè)計(jì)，不僅可以大幅度縮短設(shè)計(jì)開發(fā)人員的工作時(shí)間和輪胎開發(fā)周期，在規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)提高了輪胎輪廓圖的設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少因個人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣的不同而造成的設(shè)計(jì)差異化。

5 結(jié)語

本工作探討了輪胎輪廓圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，通過對輪胎輪廓參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)，采用設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的方式，利用知識工程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則的封裝，利用程序二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了快速系列化規(guī)格輪胎輪廓設(shè)計(jì)擴(kuò)展的目的。