传统法翻胎硫化内模设计理念和方法

TBR砖家

1  内模设计的趋势

" Q! f( g, L) J, B" b2 @4 w# r内模设计、配方设计和工艺设计构成翻胎三大技术支柱，缺一不可。近年，轮胎轮廓结构某些尺寸有变化，功能有新的要求，翻胎轮廓尺寸相应要作调整，因此旧的内模模式应加以改造。当前，翻胎商品化的趋向已越来越明显，商品讲究美观，产品注重功能，企业要降耗增收。内模设计与上者的关系已被越来越多的人意识到，显然翻胎厂家应根据市场发展趋向来设计内模，或向模具厂提供所须尺寸，自主开发翻胎新产品。
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" z" @+ {+ ?5 L6 D4 h& T( [2  内模设计的要领
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翻胎企业技术人员可以绘制内模的内轮廓图和花纹展开图及花纹沟剖面图，通过对轮胎力学的了解和设计计算，初步掌握其中的奥秘。

3  轮胎结构与功能
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翻胎内模设计者必须对轮胎结构设计有所了解，但翻胎的对象是已经硫化的胎体，尤其是经过使用后变形的胎体，有它许多特殊性，许多方面与新胎轮廓结构设计理论不同，因而不能照搬新胎轮廓结构尺寸。为了提高翻胎的耐久性、经济性和安全性，适应当前状况，诸如轮胎使用保养不当、高额超载、气压不足、车型换代、高速行驶等。这方面除轮廓结构和工艺技术改进外，翻胎轮廓结构设计基础概念应借鉴国外轮胎性能力学理论。
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3.1  轮胎耐久性
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    轮胎耐久性是指轮胎的全部或局部因损坏而失去使用价值之前的使用寿命。轮胎的损坏可能是由帘线损坏、橡胶损坏、或帘线与橡胶之间粘合损坏引起的。大量研究和开发的焦点是测定轮胎在负荷下应力、应变和疲劳生热，从而采取避免损坏或延缓损坏进程的设计方法，有效地保护了胎体。提高轮胎耐久性的意义不仅仅是提高原胎里程，并由此提高轮胎翻新率和可翻次数，进而提高综合里程。

3.2  胎面磨耗

+ X0 \. [3 R# I4 ~胎面磨耗是影响轮胎寿命的关键特性。轮胎结构和胎面形状以及磨面大小等对磨耗均有影响。胎面磨耗是轮胎与路面接触区产生的磨擦能引起的，在给定界面磨擦能下，磨耗率受地面印痕上各种力、胎面材料特性、路面质地和环境气候因素的影响。胎面磨耗与转向力、轮胎刚度、花纹形式和胎面弧高等都有关系。轮胎力学通过研究导致胎面磨耗的有效能量，以及在印痕区的分布情况，进而采取提高胎面耐磨的方法。通常横向花纹较耐磨。

3.3  轮胎噪声
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    轮胎噪声除了在轮胎行驶和转动时形成空气湍流，使声压产生变化外，还有两种滚动噪声，一是与轮胎空腔有关的低频结构噪声，二是由胎面花纹变形和空气在花纹沟内泵吸引起的高频噪声。每个胎面花纹单元通过印痕区时，都向轮胎生成的总声场提供一个具有声能的脉冲。理想的花纹产生宽频谱声音。通常纵向花纹声学性能好。

3.4  轮胎滚动阻力

轮胎使用过程中，轮胎接地部分因加压产生一定变形，离地后恢复。由于材料的滞后特性，这种变形并未完全恢复便进入下一个周期，损失的能量是材料和应变周期的函数，把各部件的能量损耗相加，得到的轮胎能耗即滚动阻力。采用低滞后材料制造轮胎可以降低滚动阻力，改进轮胎结构设计而使轮胎部件应变周期变小，也会达到同样的目的。在胎面花纹设计中，减少花纹沟深度意味着减轻橡胶承受的周期应变，因此就尽量减少花纹沟深度，以降低滚动阻力。如果减小花纹块 / 沟比，则意味着只有更少的橡胶承受按比例增高的应变，由此导致更高的滚动阻力，因为滚动阻力随着应变的平方改变。减少滚动阻力可减少汽车燃油消耗，相应减少了二氧化碳排放，这方面轮胎轻量化所起作用也不可忽视。

3.5  轮胎震动
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$ r( c/ S+ R) G: h    轮胎震动对车辆的乘坐舒适性起着关键的作用。轮胎吸收来自路面凹坑的外部力输入，有些输入是由于轮胎不均匀性、重量不平衡性，以及胎面花纹接地过程或花纹沟过大致使胎体刚柔悬殊引起的。轮胎震动也与轮辋圆度、钢板弹簧减震性能有关。减少轮胎震动可减少汽车部件的磨损和因此引发的交通事故。轮胎震动成为轮胎速度性能优劣的评价内容之一。
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3.6  牵引力和操纵性

  n$ R- {. u5 A5 g  W6 q6 H轮胎操纵性是由轮胎与路面间产生的力所决定的。轮胎转向性能的定义是印痕区产生的力和力矩与偏离角的函数关系。在小偏离角下，转向性能由轮胎的弹性所决定，在大偏离角下，轮胎与路面的牵引力成为决定因素。轮胎印痕区在不同操纵条件下生成的力和力矩是作为轮胎操纵性能的一个量度。

轮胎牵引性能是由防止轮胎滑移的力和失去牵引力的速度来确定的。在干燥路面上，磨面愈大牵引力愈大，在潮湿路面上，当胎面花纹块穿透水膜时，水通过花纹沟迅速排泄到印痕区外，从而保持了与路面的接触，随着速度增大，快速排水成为关键。加大花纹沟容积和改变花纹沟方向，使水气混合物能顺利流向外部，因此应尽量减少花纹块/沟比，通常磨面占胎面75%左右为妥。由于水滑大多发生在高速行驶和急拐弯时，花纹走向角度也至关重要，可以拦阻轮胎侧向滑移。
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% x5 K$ W* A: q4 M0 u, z# u2 y- L4  轮胎功能的协调与侧重

  {" }' e8 Y1 m& v% R    轮胎结构设计同时满足所有功能是不实际的，不难发现在功能与功能之间表现在结构方面是有矛盾的，多数情况下与耐磨性之间发生矛盾。如果在耐磨与安全行车之间论轻重，后者更不容忽视。所以设计者应结合当地实际情况，权衡利弊有所侧重某些功能。轮胎耐久性能不单表现在胎面胶磨面单位磨耗里程，影响到耐磨可以通过别的途径获得补偿。

9 p4 \, V  {5 q# x0 W& d5  内模设计与质量、功能、胶耗、外观的关系
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8 o- S7 A! i6 _3 s7 C6 h9 l5.1  关系质量

9 s3 {6 g+ h* p% W$ q  V7 d内模内轮廓某些部位尺寸选取不当，显而易见的外观缺陷：如轮辋宽度偏大时胎圈部位贴胶压合不到，如果子口直径也偏小还会出现胎圈弯曲和子口修补不平整，或由于进模中心定位不正硫化后造成轮胎偏心失圆或局部胎段花纹露锉印；顶翻胎面宽度过小时胎冠会内拱，过宽时胎面会“戴帽”；胎侧断面宽度过大时不易启模，纵向花纹沟易开裂，或充气使用胎面伸长大不耐磨；断面水平轴过低时肩下切线过长生热大散热差，易发生肩空肩裂等。都会对翻胎耐久性和安全性产生不利的影响。

1 O9 y5 }9 A1 V" C4 f5 m0 H5.2  关系功能

; B+ j4 `7 n% S/ E2 ?- J: u内模胎面弧高取值过大，花纹走向角度等设计不当，充气后胎冠高拱磨冠或冠内磨面小肩部磨面大都会冠磨快，又影响到车辆牵引力，胎面也不耐磨不经扎；花纹选型不当，花纹沟宽窄沟壁斜度大小等的取值，对抓着力、自洁、抗侧滑水滑、轮胎震动和噪声等，都有一定的关系。也会对翻胎耐久性和安全性产生不利的影响。

5.3  关系胶耗
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内模内径取值过大，胎面过宽或弧高偏小，胎面花纹过深或只是胎肩花纹过深，肩翻肩下花纹过长过深，支撑筋过粗副花纹过小过浅过短，以及肩下采取斜直切线，胎面边沿花纹走向角度过小等，都会增加胶耗。也会对翻胎耐久性和安全性产生不利的影响。

/ U% M3 }  F* S+ t6 C9 D4 \  h5.4  关系外观

翻胎作为商品同样讲究美观，才能提高产品档次和价位。胎面花纹设计是很费神费工的工作，它涉及美学中图案。花纹体现实用与美感的结合，有个性和内涵。在保证所需功能前提下，实现形式多样化。花纹线条或表现刚劲有力（无弧线），或表现柔软流畅（无棱角），或刚柔相济（棱弧相间）。花纹还可以搞框边来装饰。通过不断推陈出新，不时让用户耳目一新，以促进销售。

6  内轮廓主要尺寸的选取

6.1  内轮廓基本尺寸

& v. s$ o  K& v  _内轮廓基本尺寸是轮廓框架的主骨，由断面宽、胎面宽、轮辋宽、轮辋（胎踵处）直径、内模内径，五项数据组成。只须向模具厂提供以上尺寸和花纹形式，就可以加工出比较满意的内模。

6.2  构成内轮廓其他尺寸

以下尺寸构成内轮廓整体框架,是绘制内模内轮廓不可缺少的数据群:断面水平轴高度；胎面圆弧高度；轮缘垂直面高度；肩翻胎肩下花纹支撑筋高度或顶翻胎肩下切线高度；肩翻胎胎侧装饰线高度、厚度和斜度；胎圈子口斜面宽度和斜度；水胎牙子部位的斜度。
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! i/ c. L# Z, T" }3 H0 p6.3  内轮廓贴面形状弧线的圆弧半径

, Z% f0 S4 V% D- g" B内轮廓形状主要由以下部位圆弧半径（R）的弧线和上述直线或斜直线连接构成：胎面R、肩角R、胎侧R、下胎侧R、轮缘反弧R、胎踵R。

2 i4 W( M+ f2 e; W以上必须到位的圆心：胎面R在模口线、胎侧R在断面水平轴线、轮缘反R在轮缘垂直面高度线。

7  花纹展开图和花纹沟剖面图的设计要求
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7.1  花纹展开图设计
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胎面横向花纹沟分布要兼顾对应面情况，胎面接地印痕区前后都能柔顺过渡，避免花纹走向角度与对应面成直线，从而径向分割了胎面“板块”，而出现节段刚柔悬殊的情况，所以必须采取调剂方法达到平顺过渡的目的。再者，要从耐磨耗考虑，冠内磨面要比肩部大，并尽量地扩大，因此，肩部花纹走向夹角小、冠内花纹走向夹角大。横向花纹最多采用的是“错位法”主花足与对应面副花纹看齐。其次是“正位法”主花足与对应面主花足看齐。再者是“偏位法”花纹互不相对，但错开的距离要在模口线上标出尺寸。

横向花纹不论采取何种对位法，花纹末端走向角度要与斜对面的花纹末端形成对峙状态，基本处在一条斜直线上。

7.2  胎面花纹沟设计

+ a  _& Q; m$ k3 Y+ L( D    胎面花纹沟从有利耐磨抗扎、排水防滑、自洁抛石、节能节胶等考虑，参照河床原理：上游窄而浅，下游宽而深。原则上按各部位花纹沟深度尺寸确定该处花纹沟面宽度。也可以只在花纹测量点（模口至胎肩1/2处）按上述要求，另将末端改窄胎肩改宽些，以增加功能效果。对于抗严重超载的设计，提高胎面弧高后，胎面花纹沟深度齐平，甚至花纹末端比胎肩深，但花纹沟宽度依然不变，或参照上述后者设计。绘制花纹展开图和花纹沟剖面图时，至少胎面要标出3处，肩翻肩下要标出2处花纹沟面宽度和深度：花纹末端、测量点、胎肩，肩翻肩角与花纹足之间及花纹足，从花纹末端开始至花纹足，横过花纹标示线头部用拉丁字母顺序编码，好与花纹沟剖面图对照。
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9 |3 h* t7 M) H" l- V; |) `7.3  胎面花纹块节数
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3 Q$ Y  m" U  R, N. e! f: J1 {0 s胎面花纹块节数（圆周分数），以及花纹形式和走向角度应因地而异，或因品种适用性而定，处理好耐磨性、安全性和舒适性三者之间的关系，以求矛盾的统一。
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花纹设计系数或数值。

' O) t5 V+ n4 S  P6 o& d+ l' D5 @8  绘图程序与注意事项
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绘图前先按表1求出内轮廓各部位尺寸，或参照表2和表3的尺寸在图纸上铅笔标点划线，确定后由绘图笔描线，轮廓为粗线，尺寸标注为细线。比例1︰1，力求尺寸准确。
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文字部分要标明翻胎品种规格、图样尺寸比例、内模材料、加工数量、内轮廓及花纹的光洁度、设计单位和个人、设计完工日期。
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9  其他要求
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4 G/ ?+ H) N; H5 ]为避免内模与外模配合面出错，如不十分了解配合面几何形状尺寸的，可以不画内模外轮廓，留给模具厂确定，图纸上注明与某种型号硫化机配合。如自已画外轮廓的，要留有内模外径与外模内径之间的间隙量，因为铝合金内模热胀率比铸钢外模大，故内模外径要适当减少。以防热胀后侧部伸张冠部拱曲，剪切应力引起肩部整周开裂。如间隙过大加热后内径仍有间隙，除导热不良外，内压下容易引起径向断裂。新内模安装进外模时，模背平面的贴面要到底，与外模紧貼无间隙。直径平台和两个斜面与外模配合面的间隙量要用塞尺测量，合适才能开机加热，硫化数条后卸下检查，如有明显的黑色压痕，应将压痕锉去。
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- V/ y# X# s1 l10  花纹形式的演化

10.1  花纹用途三大类

内模设计者应了解花纹演化的过程，从而捂出花纹发展的趋向，有助于开发新品时找到一条捷径。大家知道，轮胎花纹以用途分类有“普通、越野、混合”三大类，其适用性和功能如下：

8 f+ m& |: u, u1 d普通花纹为公路型花纹，横向花纹适用一般公路，或作驱动轮使用，其耐磨耗抗剌扎，抓着力和自洁性好。纵向花纹适用高速公路，或作转向轮和拖挂轮使用，其防侧滑抗噪声，散热性和舒适性好。

越野花纹为山地和雪泥地花纹，适用野外和简易路面，其跨越障碍物和雪泥地段通过性好。
( B* g" D; r5 ]8 Q, C# B
! a4 m) ]$ Y6 _! k# D* D混合花纹为折中型花纹，基本能适应以上两类型的综合需要。

10.2  花纹演变三阶段

上世纪50年代以前，花纹型式比较简单，载重胎常见3种花纹：马牙花纹见于二战美式吉普车和牵引火炮军车的轮胎。原苏联由于地理和气候的关系采用人字花纹，见于朝鲜战争苏制军车的轮胎。至于民用卡货车，则采用胎面覆盖网状沟槽的菱形群岛花纹块，美苏大同小异。只有轿车胎才用纵向四道锯齿形花纹。上世纪50年代期间，花纹形状有：马牙、人字、之字、菱形、鱼叉、弓字、锯齿。此时肩下有了副花纹。

" j- {, p0 r( g% A$ w3 ]( e# h# H0 A上世纪60～80年代，轮胎基本国产化，由于路况差、车速慢、多载重，以及注重耐磨耗抗剌扎，俄罗斯引进的烟斗花纹倍受欢迎，一直沿用了30年。老烟斗三支叉靠拢，新烟斗三支叉分开，也有两叉烟斗，以后又推出连烟斗。

上世纪90年代以后，随着道路改善和车速提高，烟斗占比重逐年减少，并演变为：八脚（蜘蛛脚）、羊角、弯指(螃蟹脚)、曲臂、闪电、行蛇、之字等多种式样。纵向花纹继锯齿之后又推出：水波、曲波、山峦、冲浪、海鸥、直沟等式样。这期间胎面出现了“刀槽”(内模胎面模腔嵌入钢片)，就有了以横向为主体纵向为副，或纵向为主体横向为副的花纹形式。尤其是子午胎带束层使胎冠坚挺，冠内不易高拱，磨面压强较均衡，行驶如履带，花纹块胎面胶蠕动少，磨面不易损伤，因此子午胎胎面花纹可以“变化多端花样百出，纵横交错星罗棋布”。斜交胎肩下内模内轮廓采用斜直切线在减少，先是三道梯形，而后多采取反弧形单弧或双弧，形态顺其自然，通过扩大表露面积加快散热，并提高部位压力，有利粘合及改善缓冲效果。
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10.3  花纹设计三步骤
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, Q5 I! m. x- `5 E# D) [) v创作一个被广泛认可的花纹，并非是一件容易的事情，它饱含了设计者丰富的轮胎知识和大量的实践经验。稳妥的步骤是:“先模仿、再变化、后创新”。要循序渐进。
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5 A4 ~1 t! l  X% K% U结合翻胎特性，结合我国国情，大批具有中国特色花纹形式的翻胎将驰骋在神州大地上。

otrtireS

真是太精辟了 这位很多新手指明了前景的方向

姜平辉

资料很不错,以前做过轮胎翻新,现在不做了