仿生轮胎研究发展现状及展望

2018-02-16周利坤

橡胶工业 2018年1期

关键词：花纹轮胎路面

徐路，周利坤，成洁

（1.武警后勤学院研究生管理大队，天津 300300；2.武警后勤学院军交运输系，天津 300300）

自19世纪40年代“橡胶之父”查尔斯·古德伊尔发明了橡胶轮胎以来，轮胎工业已有180多年的发展历史。随着社会的发展，人们对轮胎安全性、美观、舒适性和经济性等的要求越来越高，仿照生物学原理制造的仿生轮胎逐渐进入人们的生活。

仿生轮胎是在轮胎设计过程中，采用仿生学的原理设计轮胎结构，目的是通过仿生学的优化设计实现轮胎在不同路面的安全行驶。目前，针对仿生轮胎的研究已经成为国内轮胎行业研究的热点之一。

1 仿生设计在轮胎中的应用现状

当前，仿生学设计作为一种独具特色的设计方法，被广泛运用于汽车设计上。其工业设计主要集中于形态仿生、肌理仿生、质感仿生、结构仿生、功能仿生、色彩仿生和意象仿生7个方面[1]。轮胎作为汽车的重要组成部分，其仿生设计主要集中于结构仿生和功能仿生两个方面。

1.1 结构仿生

结构仿生是指在设计过程中，将某种仿生对象的整体或局部结构经过加工和整理，应用到设计对象的外观上，让人产生某种相关联想的设计方法[2]。

结构仿生能够充分利用生物演化的优势选择，具有节约人力和物力资源的优点。国内外很多设计工程师和学者很早便开始轮胎结构的仿生设计研究。美国固铂轮胎与美国威斯康辛州麦弗逊聚合物研究中心充分利用蜂窝六边形相互支撑的结构及其兼具的减震和高强度两大特点，研制了一种免充气新型仿生轮胎——蜂巢轮胎，该轮胎具有质量小、防爆、低行驶噪声和低摩擦生热等性能[3]。德国大陆公司利用Shark Skin Technology（鲨鱼皮仿生技术）设计轮胎沟槽中的导槽流，解决轮胎经过涉水路段排水时发生湍流的难题，增强轮胎的排水性能[4]。杨洪于等[5]从仿生学的视角以DNA双螺旋结构设计轮胎轮辋，利用双螺旋结构内应力大、抵抗外部变形能力强的物理特性，借助弹性极强的材料，采用传感器技术以及轮胎与轮辋一体化设计的思路，设计一款DNA双螺旋轮辋无充气轮胎。周海超等[6]在轮胎花纹上设计V形仿生非光滑结构，在轮胎表面设计水滴形凹坑仿生结构，采用计算流体力学和正交试验的方法验证了该设计方案能够有效降低水流阻力，提升轮胎的抗水滑性能。樊沙沙等[7]借鉴工程流领域仿生非光滑减阻降噪设计理念，比较分析光滑表面的花纹沟轮胎噪声和凹坑型非光滑花纹沟轮胎噪声的数值，结果表明其非光滑仿生设计的轮胎花纹可降低轮胎噪声。

从目前国内外的研究情况来看，无论是国外的轮胎公司还是国内研究学者都普遍认识到某些生物结构对于实现轮胎某些特殊功能的设计具有很强的借鉴性和指导性。结构仿生设计主要应用于轮胎的防爆、降低噪声和提升抗水滑性能等方面。

但是，关于结构仿生的研究仍存在一些不足。对轮胎而言，对其性能影响较大的是其表面花纹的设计，而结构仿生应用于轮胎胎面花纹的研究较少，即应用于轮胎花纹设计上的结构仿生还有巨大的发展空间。同时，对比国内外结构仿生的研究成果可以看出，国外结构仿生的水平明显高于国内，一些知名的国外轮胎公司已经研制出成品并推向市场，而国内结构仿生技术在轮胎设计上的运用主要采取计算机仿真分析验证，缺乏试验研究，这对结构仿生设计的成果应用推广缺乏竞争力。

1.2 功能仿生

功能仿生是在设计产品过程中，模仿仿生对象的功能并运用到产品中的一种方法手段。在轮胎的仿生设计中，模仿生物的足部功能成为主要研究方面。

德国大陆公司利用豹子奔跑中和停止时爪印接地面积的变化（豹子停止时的爪印接地面积比奔跑中大1/3）特点研制成功Conti Premium Contact轮胎，该轮胎行驶接地面积较小，制动接地面积增大，从而缩短了制动距离，提升了汽车的操纵稳定性[8]。德国轮胎公司依据猫跑行中的前爪垫功能和蜘蛛网的柔顺结构设计出了一款AMC垫型轮胎，该轮胎利用后桥载荷向前桥的转移，增大了轮胎的最大接地面积，在干燥或湿滑路面的制动距离都比传统轮胎缩短1/10，加上轮胎表面的柔软性和硬性网状结构，轮胎具有滚动阻力低、抓着力和牵引力高等优异性能[9]。韩国韩泰公司将锋利的北极熊脚趾形状与轮胎花纹相结合，使轮胎宛如北极熊锋利熊掌一般抓住冰雪路面，为车主提供安全的冰雪路面驾驶体验[10]。李杰等[11]对骆驼在沙地的行走特性和骆驼蹄与沙地的应力接触进行研究，建立了仿骆驼蹄轮胎原理模型，设计了仿骆驼蹄沙漠用轮胎模具，并通过相关试验得到了沙地通过性较好的仿驼足蹄沙漠用轮胎设计方案。王国林等[12]提出了一种基于蝗虫脚掌与地面表面的几何形态和蝗虫脚掌屈肌腱的功能特征的子午线轮胎胎面弧及带束层仿生结构的设计方法，并制定了3种仿生设计方案，利用有限元进行分析，从静态接地试验验证、滚动接地分析对比接地面积，确认仿蝗虫脚掌的子午线轮胎耐磨性和抓着性能较好，有利于制动时轮胎的稳定附着。周利坤等[13]利用章鱼吸盘吸附性强的特点，提出仿章鱼吸盘式冰面防滑轮胎设计思路，在轮胎表面布局吸盘花纹，通过有限元分析和基于ADAMS仿真试验从微观和宏观两个角度对比不同花纹设计方案，结果表明仿生花纹轮胎在冰雪路面具有较好的防滑性。付晶[14]受到袋鼠足具有跳动活跃和运动平缓的启示，根据其脚趾柔性结构具有降低驱动力矩、减缓脚趾与地面的冲击和震动的功能特点，利用工程学的原理，用袋鼠二次抛物线模拟出袋鼠柔性脚花纹沟壁。这种仿生花纹结构增强了花纹的刚度，使花纹具有不同的承载特性，花纹接地压力分布均匀，与地面相对摩擦力增大，增强了轮胎的抓着性能。张锐等[15]选取驯鹿足与冰雪路面接触的部位进行分析研究，通过逆向工程技术，提取驯鹿足的功能特点建立数学模型，重点探析了驯鹿足各部位对驯鹿在冰面行走运动的影响，提出了冰雪路面行驶车辆用轮胎驯鹿仿生设计，为冰雪路面轮胎防滑研究提供了新思路。

相对于结构仿生，功能仿生研究成果较多，扩充了仿生轮胎的研究类型，主要通过模仿生物的足部功能来增强轮胎的摩擦力和抓着性能，增强轮胎安全行驶性，尤其为冰雪路面安全行驶提供了创新方法。

但是，从功能仿生的研究现状来看，国内外的研究差异较大。国外对轮胎功能仿生方面的研究主要集中于一些大型轮胎企业，由于其轮胎工业基础强，技术实力雄厚，已形成成熟的“提出设想-研发-生产”体系，具有较强的竞争力。仿生轮胎投放市场主要针对恶劣路面的安全行驶，客户反馈是产品最好的试验。反观国内在功能仿生轮胎上目前主要集中于理论研究和模拟试验阶段，远远落后于国外。

2 仿生轮胎的未来展望

随着仿生技术的发展，仿生设计作为一种重要的设计手段，展现了人与自然的和谐统一，更凸显现代社会对汽车消费的心理需求。仿生轮胎作为未来轮胎发展的一个重要方向，应从以下4个方面进行努力。

2.1 多样化

轮胎作为汽车最重要的部件之一，对汽车安全行驶起着至关重要的作用。据美国汽车工程师学会的统计，美国每年约有26万起交通事故与轮胎事故有关[16]。而从当前国内外仿生轮胎的发展情况来看，其主要是模拟生物的结构和功能开发适应不同环境的新型轮胎，这势必会造成轮胎仿生设计的单一性。因此，需要结合生物的形态、质感、色彩和意象等方面拓宽仿生的范围，提高仿生轮胎设计的多样性，为进一步提升轮胎的安全性能创新更多的思路。

2.2 智能化

随着互联网＋时代的到来以及我国信息化水平的不断提高，轮胎仿生设计和智能化设计相结合必将是重要发展趋势。一方面，可以将轮胎结构的仿生设计嵌入到依托计算机优化软件系统中，对轮胎结构和胎面进行优化设计；另一方面，利用轮胎的智能传感和智能数据处理和决策技术将轮胎仿生设计在路面行驶中所呈现出的特殊性能实时展现给使用者，让用户真切感受到仿生轮胎所具有的优势，进而增大其核心竞争力和市场占有率。

2.3 绿色化

当前，国民经济不断发展的同时也造成了环境的恶化。与传统轮胎相比，仿生轮胎采用仿生设计所凸显出的环保和节能绿色理念是必然趋势。通过仿生设计来降低胎面的滚动阻力并保持良好的抗湿滑性能可节约汽车总油耗的14.4%。从轮胎的材料选取上，在仿生设计制造过程中采用对环境无污染的溶聚丁苯橡胶，使仿生轮胎在行驶中具有良好的耐久性能和稳定性能，达到环保要求。

2.4 自主化

纵观国内外轮胎行业的发展，国外具有全球影响力的轮胎企业对仿生轮胎的研究比国内起步早、工业技术相对成熟。我国仿生轮胎行业的发展基础比较薄弱，其研究多集中于科研院所。因此，在未来的发展中，抓住转型发展升级的机遇，变被动为主动，以仿生轮胎设计为突破口，寻找中国传统文化中人与自然和谐的元素，增强中国设计文化的感染力，创立具备中国仿生轮胎个性化和自主化设计的有效手段，形成中国特色仿生轮胎自主品牌。