基于三维设计软件CATIA的12R22.5全钢载重子午线轮胎的造型设计

战琪轩，朱柏林，徐 剑，雍占福

（1.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042；2.山东领航轮胎研究院，山东 青岛 266042）

随着交通事业的发展，轮胎工业在不断进步。在轮胎企业中，轮胎造型设计、施工设计和力学分析对计算机技术的需求渐渐增大，二维设计软件逐渐被三维设计软件替代[1]。目前，为了降低生产成本，提高生产效率，利用三维设计软件对轮胎进行设计尤为重要。

近年来，利用三维设计软件CATIA（简称CATIA软件），设计人员对轮胎设计开展了多项研究。席思文[2]基于CATIA软件进行了轮胎包络计算分析，结果准确，方法可靠。王传铸等[3]介绍了CATIA软件在轮胎设计中的具体应用，效果明显。杨洪云等[4]基于CATIA软件进行二次开发，创建出轮胎包络自动形成的方法。孙文学[5]研究了基于UG软件的子午线轮胎及其模具CAD/CAM技术的应用，介绍了三维设计软件的具体使用情况。李廷照[6]对CATIA软件进行二次开发，设计出一套轮胎3D花纹的自动设计系统。胡燕萍[7]研究了CATIA软件在轮胎三维设计中的应用，有效提高了研发者的工作效率。黄荣彬等[8]基于CATIA软件设计了12.00R20变节距花纹全钢载重子午轮胎造型，可完成复杂花纹的施工设计，使材料分布更加符合实际施工尺寸。李华等[9-10]研究了基于CATIA参数化建模及CAA二次开发的轮胎轮廓参数化模板设计方法，进行花纹节距自动排列，实现了轮胎整周花纹快速拼接，可缩短轮胎开发设计周期、降低开发成本。

受上述研究启示，本工作基于CATIA软件研究了12R22.5全钢载重子午线轮胎造型设计的流程优化，提出利用CATIA软件的不同设计功能，可以迅速绘制轮胎花纹，模拟成品轮胎造型，优化设计流程。

1 草图绘制

CATIA软件的草图绘制具有类似二维设计软件（如AutoCAD）常用的设计功能，可以迅速绘制轮胎断面轮廓曲线和花纹展开图（见图1和2）。绘制轮胎断面轮廓曲线时，先在XY面进入草图，在草图中利用轮廓工具先大致描绘外轮廓，再用约束工具实现断面轮廓曲线的绘制。将花纹展开图进行适当修剪，保留一个花纹节距，同时也适当修剪轮胎断面轮廓，减小将花纹向胎面展开的难度。

图1 轮胎断面轮廓示意

2 胎面造型

CATIA软件拥有很强的曲面造型功能，可以直接在轮胎断面轮廓的旋转曲面上绘制花纹。将轮胎断面轮廓以X轴为旋转轴，上下各旋转半个节距，形成轮胎曲面。在胎面处偏移ZX面建立平面，以此平面进入草图，粘贴花纹展开图，调整花纹位置，退出草图后提取胎面，将花纹图展开在提取面上。

图2 花纹展开示意

2.1 开槽法

2.1.1 纵向花纹

创建XY平面，以此平面进入草图，按要求画出纵向花纹沟形状（见图3，可在创建形状时将倒角设计好），再创建好引导线，使用开槽工具开槽。为了使花纹切割得更加彻底，可以使切割线和引导线向外延伸一段距离，或者使用外插延伸工具。

图3 开槽法纵向花纹沟三维造型

2.1.2 横向花纹

创建YZ平面，以此平面进入草图，按要求画出横向花纹沟形状（见图4）。为方便快捷，可以将横向花纹投影后用线连接起来（这一步可以在最初展开花纹时连接好，就可以直接接合展开的花纹），此时引导线并不在轮胎曲面上，使用展开工具将引导线展开到轮胎曲面，再使用接合工具，最后使用开槽工具以接合曲线作为引导线开槽。为了使花纹切割得更加彻底，可以使切割线和引导线向外延伸一段距离，或者使用外插延伸工具。

图4 开槽法横向花纹沟三维造型

2.1.3 胎冠

使用开槽法切割花纹沟时只使用半个轮胎花纹展开图，本次设计花纹为左右对称，可以使用镜像工具。先用分割工具以YZ面将没有展开花纹的一半分割掉，再使用镜像工具得到1个节距轮胎的三维造型。本次设计轮胎节距为4.86 mm，使用圆形阵列工具可以得到完整轮胎的三维造型，如图5所示。

图5 开槽法完整轮胎的三维造型

2.2 扫掠法

2.2.1 纵向花纹

以胎面处平面进入草图，使用镜像工具得到1个节距的花纹图，将纵向花纹和横向花纹的两边各自用线连接起来（在最初展开花纹时连接好，就可以直接提取展开的花纹），退出草图后再将连接起来的纵向花纹展开到胎面提取面上。使用扫掠工具，轮廓类型选择直线，子类型使用参考曲面，引导曲线1用右键选择创建多重提取，然后选出1条纵向花纹，再对角度和长度进行调整，确定后得到1个扫掠面，同理得到其他几条纵向花纹的扫掠面。使用偏移工具，将胎面提取面向下偏移花纹沟深度的距离。为了使花纹切割得更加彻底，可以使用外插延伸工具将扫掠面向外延伸，再使用修剪工具调整修剪元素，然后使用分割工具得到1条花纹沟，最后使用倒圆角工具得到带有圆弧的纵向花纹沟。重复上面的操作，得到其他纵向花纹沟（见图6）。

图6 扫掠法纵向花纹沟三维造型

2.2.2 横向花纹

以胎面平面进入草图，将横向花纹两边都投影后用线连接起来，退出草图后将连接后的横向花纹展开到胎面提取面上。使用扫掠工具，轮廓类型选择直线，子类型使用参考曲面，引导曲线1用右键选择创建多重提取，然后选出1条横向花纹，再对角度和长度进行调整，确定后得到1个扫掠面，再对横向花纹展开的另一条做同样处理，得到第2个扫掠面。将胎面提取面向下偏移横向花纹沟深度的距离得到1个偏移面。使用外插延伸工具将2个扫掠面和1个偏移面向外延伸适当长度，使用修剪工具保留花纹沟部分，分割得到横向花纹沟（见图7）。

图7 扫掠法横向花纹沟三维造型

2.2.3 胎冠

使用圆形阵列工具将1个节距旋转指定角度，得到完整轮胎的三维造型（见图8）。

图8 扫掠法完整轮胎的三维造型

3 结语

基于CATIA软件，本工作使用开槽法和扫掠法简单快捷地完成了轮胎花纹的绘制，得到了完整轮胎的三维造型，该软件设计具有以下优点。

（1）软件设计数据更加精确，材料分布与实际更接近。

（2）随时根据需求对轮胎尺寸进行调整，尺寸更精准，可提高设计效率，缩短生产周期。

（3）提高轮胎设计的合格率和工艺稳定性。

（4）减少试制次数，节约开发成本。