基于CATIA/CAA的轮胎花纹设计及自动节距排列

李 华，张 敏，程丽娜，吴东霞

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

伴随着经济的不断发展，汽车的需求量日益增大，而轮胎在汽车行驶的舒适性和安全性方面起着重要作用。因此，轮胎的设计变得日益重要，复杂程度也逐渐上升，胎面花纹形状千变万化，结构复杂，常需要耗费大量设计时间。二维图形设计已经无法满足轮胎设计要求，众多轮胎企业纷纷采用CATIA，UG和SolidWorks等三维软件进行轮胎设计开发，显著缩短了轮胎的开发周期，同时伴随着设计自动化程度的提高，轮胎的设计质量也得到了明显提升[1]。

胎面花纹对噪声、滚动阻力和滑水等轮胎性能有重要影响[2-5]，是轮胎产品设计的重要组成部分。改进胎面花纹的设计方法、优化设计系统是提高轮胎质量的重要途径[6]。国外研究者积累了丰富的轮胎花纹设计经验和技术。S.Fujiwara等[7]通过研究轮胎花纹沟槽产生谐振频率的原理，提出了可以降低花纹沟噪声的稳态花纹设计方法。W.Strache等[8]将虚拟开发技术应用到轮胎花纹设计过程中，可缩短开发周期和降低开发成本。C.H.Chu等[9]在分析轮胎及其花纹特点的基础上，借助CATIA提供的CAA-RADE开发工具，实现了轮胎三维花纹的快速化设计。国内的轮胎企业和院校也在研究轮胎花纹设计的开发技术，主要有基于语义的轮胎3D花纹设计、轮胎模具花纹块系统、基于CAA-RADE的轮胎三维花纹参数化设计等[10-14]。

为了满足轮胎花纹设计的精细复杂程度，本工作在CATIA V5R22版本下根据花纹块最小单元——节距设计，在GSD（Generative Shape Design，创成式曲面设计）模块进行轮胎参数化的节距花纹2D线框和3D曲面设计，然后在PDG（Part Design，零件设计）模块下转化为3D实体。通过三维设计中常用的扫略、拉伸、旋转、曲面特征、布尔运算等命令，完成轮胎花纹的三维造型[15]。在设计过程中，利用参数驱动及CATIA知识工程的特性，先完成一个节距花纹实体的模板创建，并以“节距代号”为主要发布参数进行模板封装。通过参数变化即可实现不同节距花纹实体的自动生成。然后在ASD（Assembly Design，装配设计）模块利用CAA二次开发自动调用单节距花纹模板，根据花纹节距排列顺序的设计要求，通过程序自动完成轮胎花纹整周的装配。

1 CATIA参数化模板设计在花纹设计中的应用

轮胎花纹一般有3—5个不同节距组成。以RP18花纹5个节距设计为例，轮胎整周由A，B，C，D，E五个节距根据一定的顺序环形排列组成，这5个节距形状相似而尺寸不同（一般A为最大，E为最小）。为了直观展示节距之间的异同，将5个节距花纹展开在同一个平面内，如图1所示。

每个节距花纹设计只有参数不同而形状一致，利用CATIA参数驱动及知识工程工具，通过更改模板中发布的“节距代号”参数即可实现由1个节距变参数而生成其他4个节距的操作，由此轮胎的花纹设计就集中到可用参数化的单节距模板设计上。

2 节距花纹的设计

2.1 2D线框设计

在GSD模块下，根据花纹特点划分出最小设计单元——节距，首先进行2D线框设计。根据实际需要，如果花纹为对称设计，则只需要画出单侧图形，通过相应的对称、平移操作即可得到另一侧图形，如图2所示。

2.2 3D曲面设计

在GSD模块下，根据上级设计节点输出的轮廓曲线，旋转即可得到轮胎胎面和沟底面等3D花纹设计中需要的曲面。将已设计好的2D单节距花纹线框对应依次展开投影到胎面上，如图3所示。然后根据3D设计参数进行角度扫略、桥接、圆角、修剪等操作，实现花纹节距的3D曲面造型的生成，如图4所示。

图4 3D曲面节距花纹示意

2.3 3D实体设计

在PDG模块下，首先将3D曲面节距花纹设计中的沟和钢片进行封闭曲面，转化为3D实体。为了便于节距实体在轮胎整周装配，避免轮胎实体的重复装配，在单节距花纹实体设计中，并不涉及光面轮胎的实体，对节距花纹实体采用布尔减的设计，如图5所示。

图5 3D实体节距花纹设计界面

3 轮胎整周花纹自动装配

在ASD模块中，首先根据轮廓曲线得到光面轮胎实体。利用CAA编程二次开发，对做好的3D节距花纹实体进行调用，并根据节距长度自动进行节距间环形排列角度的计算。在开发工具的对话框中输入节距排列顺序“UDFABC”，装配树结构中选择轮廓“Part”和装配的光面轮胎“Body”，再对装配的节距花纹3D实体文件做路径选择，最后点击“确定”按钮，即可实现自动节距花纹的整周装配，如图6所示。

图6 轮胎整周花纹自动装配界面

4 系列化规格花纹扩展

上述介绍的是单规格轮胎的花纹整周自动装配过程，通过关联设计即可实现多规格、系列化的花纹扩展。在ASD模块中，装配文件采用关联设计，有轮廓和花纹两个装配节点。在轮廓和花纹两个模板的设计中均采用配置表设计，如图7所示。

图7 轮廓及花纹设计参数配置表界面

两个配置表均以“轮胎规格”为扩展关键参数，当规格发生变化时，配置表关联设计就会自动更新轮廓图曲线，并自动选择新规格下的花纹设计参数，点击“更新”按钮，即可实现更新节距花纹及整周花纹装配，如图8所示。

图8 规格驱动的花纹系列扩展界面

5 结语

本工作对轮胎花纹2D和3D设计方法进行探讨，采用花纹设计最小单元—节距设计的方法，对节距花纹进行参数化模板设计，以“节距代号”作为参数驱动进行花纹模板扩展的应用。同时利用CAA二次开发，实现了轮胎花纹快速和准确的整周装配。利用CATIA参数化和知识工程的模板化设计，用配置参数表的关联和规格驱动，达到了简单便捷的花纹系列扩展的目的。

以往花纹图在autoCAD平台上进行2D节距设计及有限节距数量的平面拼合，不仅不能直观展现轮胎整周花纹造型，且每个节距的制图都需要进行重复性设计工作及人工手动节距拼合。以5个节距的花纹设计为例，需要人工设计制图5次，并且手工拼合5个节距后提供模具厂作为拼合图示例。本工作基于CATIA/CAA对轮胎花纹设计及整周拼合装配进行研究，实现了同花纹系列的迅速扩展。以开发24个规格为例，以每个规格耗时8 h计算，24个规格一个人需要24个工作日的时间。采用CATIA/CAA参数化模板设计，利用规格参数驱动图纸自动更新，加以CAA二次开发节距花纹整周自动装配，以每个规格2 min计算，24个规格仅需要48 min，即一个人不到1 h的时间就能将花纹图全部扩展完成。采用CATIA模板设计及CAA开发花纹自动整周装配，不仅大幅度缩短了设计开发人员的工作时间，同时避免在不同节距重复性设计时出现的人为错误，规范设计标准，提高了轮胎花纹图的设计质量。另外，以整周3D造型花纹图交付模具厂，可缩短造型确认的沟通时间，进而缩短轮胎开发周期。