基于平板硫化机的摩托车胎活络模具设计

武凯迪，胡海明

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

0 引 言

目前摩托车车胎多为斜交胎，通过模具硫化成型。随着越来越多高端摩托车的出现，对摩托车车胎的性能要求也越来越高。而子午线轮胎具有行驶稳定性好、噪音小、牵引力和刹车性能好等优势，配备子午线轮胎的摩托车胎操控性能好。以下设计的活络模具可以避免开模时对轮胎帘线角度以及间距的破坏，保证轮胎的质量性能。由于摩托车车胎具有断面窄、硫化定型压力小及所用的模具尺寸小等特点，设计的模具使用平板硫化机硫化成型。

1 模具结构设计

1.1 模具总体设计

设计的摩托车车胎模具为顺序开模，导向形式为圆锥面导向。模具结构由楔紧块、导向条、花纹块、T形块、上侧板、上盖、上盖板、顺序拉杆限位装置、顺序拉杆、底座、定距拉杆组成，其中上盖与上侧板由螺钉连接，楔紧块为单块结构并嵌入到上盖板中定位，楔紧块数量与花纹块相同，两者通过导向条配合完成模具的开合模动作。顺序拉杆固定在底座上，顺序拉杆限位装置中的弹簧在顺序拉杆的半圆槽中压紧弹簧销。定距拉杆穿过上盖固定在上盖板上，T形块在上盖的T形块槽内并通过螺钉连接安装在花纹块的上方。模具总体结构如图1所示。

图1 模具总体结构

1.2 模具工作过程

硫化机的上加热板与模具的上盖板连接，下加热板与模具的底座连接。开模时，硫化机下加热板向下移动，此时由于顺序拉杆及顺序拉杆限位装置的作用，上盖、上侧板、花纹块和底座均向下移动，当运动到上盖底面与定距拉杆的台阶面接触位置时，由于定距拉杆固定在上盖板上，定距拉杆对上盖起限位作用。在上盖、上侧板、花纹块和底座运动的过程中，花纹块沿着导向条斜向移动并产生径向位移，使花纹块脱离摩托车车胎，此时完成一次开模动作。上述过程中，花纹块的径向位移、花纹块在导向条上的斜向移动距离及上盖向下移动的距离，三者之间呈三角函数关系。之后硫化机下热板继续向下运动，顺序拉杆强制顺序拉杆限位装置中的弹簧销向外移动并脱离顺序拉杆，完成二次开模。

合模时，硫化机下加热板带动底座向上移动，当底座上耐磨板表面与花纹块表面接触时，推动花纹块向上移动，此时在花纹块与楔紧块之间导向条的作用下，花纹块、上盖及上侧板协同向上运动，同时花纹块也向里收紧，当上盖的上表面接触到上盖板下表面时，顺序拉杆限位装置中的弹簧销回到顺序拉杆的半圆槽中，此时模具恢复到初始状态。

1.3 模具径向开模行程

模具径向开模行程根据花纹块的径向开模行程确定，模具在开模时花纹块首先径向移动，使花纹块里的花纹筋完全抽出轮胎胎面并保持一定的距离，以保证轮胎脱模时花纹块与轮胎不干涉。目前，轮胎模具径向开模行程由经验公式确定[1]，花纹块径向移动行程如图2所示。

图2 花纹块径向移动行程

模具径向开模行程经验公式：

式中：r1——轮胎胎顶半径，mm；r2——花纹块与上侧板接触处半径，mm；L——模具径向开模行程，mm；D——花纹块与上侧板接触处距离轮胎胎顶的距离；mm。

当花纹块里的花纹筋完全抽出轮胎胎面时，此距离为花纹块恰好脱离摩托车胎的最小距离N。最小径向开模行程如图3所示。

图3 模具最小径向开模行程

经计算可得模具最小径向开模行程：

式中：n——花纹块个数；N——模具最小径向开模行程，mm。

设计的摩托车胎活络模具花纹块个数n=6，根据公式（2）计算，可得模具开模时的径向移动距离N=34.1 mm，设计时可取N=35 mm。

1.4 上盖开模行程

在模具开模行程中，模具最小径向开模行程、花纹块在导向条上的斜向移动距离、上盖向下移动的距离，三者之间呈三角函数关系，如图4所示，其中，N为模具最小径向开模行程，mm；M为上盖开模行程，mm；Z为花纹块在导向条上的斜向移动距离，mm；θ为楔紧块导向角度数，（°）。

图4 三者关系

由公式（2）计算得到花纹块最小径向移动距离N=35mm，楔紧块导向角取15°，由正切函数可得上盖开模行程M=127.3 mm，设计时可取M=128 mm。

2 楔紧块设计

目前常用的子午线活络模具按导向方式分为斜平面活络模具和圆锥面活络模具，此处采用圆锥面导向形式。楔紧块内锥面的角度一般为10°～30°，与其配合的花纹块后背面的外锥面与楔紧块内锥面角度一致，能够相互配合实现花纹块的径向移动，完成模具的开模与合模。为使模具工作状态保持成型轮胎的温度要求，楔紧块工作时需要通电，因此楔紧块的背面应设有电加热通道。

在设计楔紧块时，可将其设计成组合形式，如图5所示，组合式的楔紧块为单块，一共分为6块，每块48°，其中外径为φ1 054 mm，上端面厚为143 mm，下端面厚为95 mm，导向角为15°，通过螺钉与上盖板连接。

图5 楔紧块模型

3 楔紧块受力分析及计算

3.1 楔紧块受力分析

轮胎硫化过程中楔紧块主要承受硫化机经上盖板传递的合模力F合模力、楔紧块内表面所受的正压力F1、楔紧块与花纹块接触面的摩擦力Ff及上盖对楔紧块的约束力F2。楔紧块受力模型如图6所示。

图6 楔紧块受力模型

3.2 硫化机额定合模力计算

合模力是指在硫化时硫化机施加于模具上的最大夹紧力，在此力作用下，克服成型胶囊的压力，使模具不被顶开，是一个重要参数。在实际生产加工工况下，由于设备控制能力有限，在合模力加载的过程中不能实现自动控制，通常在模具工作开始就施加满足成型的最大合模力[2]。合模力计算公式为[3]：

式中：Fn——硫化机合模力，kN；d——花纹块内表面最大直径，mm；hd——花纹块内表面高度差，mm；p——胶囊内部压力，MPa。

由式（3）计算可得硫化机的合模力为342 kN，考虑硫化过程中要充分保证模具闭合，合模力Fn的取值应大于理论计算数值，通常情况下，合模力Fn取1.05～1.15倍的理论计算数值，此处所取合模力Fn为1.15倍的理论计算数值，Fn=393 kN，可取整为400 kN。

3.3 楔紧块刚度计算

为保证模具的正常使用，模具中的每个部件都应有足够能力承受规定的载荷，模具在工作时，楔紧块不允许出现超过极限限度的弹性变形，所以在设计时楔紧块的刚度要满足需求，楔紧块刚度计算公式为[4]：

式中：c——楔紧块受力中心点处的厚度，mm；p——楔紧块内表面正压力，MPa；l——楔紧块内表面承受正压力处高度，mm；E——弹性模量，MPa；B——楔紧块宽度，mm；[δ]——楔紧块弹性变形量，取0.02 mm。

由公式（4）计算可得，c≥85 mm，设计的楔紧块中心点处的厚度为118 mm，满足楔紧块刚度计算公式。

4 结束语

设计了用于平板硫化机摩托车车胎的活络模具，解决了当前两半模具在开模时对子午胎钢丝帘线角度及间距破坏的问题，提高了车胎的使用性能，延长了车胎的使用寿命，使配备子午线轮胎的摩托车使用性能更好。所设计的活络模具与现有的平板硫化机开模顺序相匹配，采用顺序拉杆及顺序拉杆限位装置，使模具开合模动作顺畅、安全可靠，并且装置弹簧更换方便。采用定距拉杆可以保证上盖开合过程中的运动精度，避免花纹块与楔紧块之间产生卡死或运动不顺畅的现象发生。