仿生防滑轮胎花纹的设计

张琳 徐伟 王君 刘杰 张晨曦

摘要：现代科技的腾飞也促使仿生学飞速发展，仿生学技术也被广泛应用到汽车工程中，仿生轮胎也就应运而生。橡胶轮胎与道路接触面的摩擦作用由胎面花纹的形状、布局和结构方式决定的。通过对国内外的研究发现，目前轮胎的防滑抓地性能虽然被广泛研究，但是仿生设计方面的研究并不多见，因此，研究一种基于仿生学设计的防滑轮胎对于目前汽车领域和橡胶轮胎的研发具有重要意义。本文基于猫爪掌纹的结构特征进行观察测量，设计了仿生防滑轮胎的花纹结构，并通过3D打印技术进行仿生花纹样本制作，并针对本文所设计的花纹结构进行防滑性能的测试。试验数据表明，猫掌的趾垫和掌垫之间间隔的仿生设计防滑花纹的最大静摩擦力提升26.1%以上，此仿生防滑花纹对轮胎的防滑性能将会有很大的提升。

关键词：橡胶轮胎，仿生轮胎，防滑性能，3D打印，仿生花纹样本

1. 引言

橡胶轮胎是承载整重量与路面相互作用的部件，对于车辆来说橡胶轮胎是一种消耗品。随着车辆行业及其他行业的迅猛的发展，我国面临着日益严峻的资源环境和碳排放约束的困境。橡胶轮胎在未来也应该顺应全球低碳经济时代发展的需要。当车辆在雨天或者有积雪的路面上行驶时，会使得轮胎与路面的摩擦力与正常情况下急剧减小，导致刹车距离过长，容易发生车辆失控、追尾等交通事故。所以，对于增强轮胎与路面的作用力对车辆安全来说非常重要。事实上，轮胎外胎胎面上的花纹块的结构、形状、大小和排列方式对轮胎与路面的作用力大小起决定性作用。因此研究新型轮胎花纹对于轮胎的防滑性能作用是十分重要的。

现代科技的腾飞也促使仿生学飞速发展，仿生学技术也被广泛应用到汽车工程中，仿生轮胎也就应运而生。橡胶轮胎与道路接触面的摩擦作用由胎面花纹的形状、布局和结构方式决定的。通过对国内外的研究发现，目前轮胎的防滑抓地性能虽然被广泛研究，但是仿生设计方面的研究并不多见，因此，研究一种基于仿生学设计的防滑轮胎对于目前汽车领域和橡胶轮胎的研发具有重要意义。

2. 轮胎花纹对轮胎性能的影响

当车辆行驶时，轮胎往往会在其胎面花纹中夹住石头，这可能会由于胎面部分的胎面磨损不均匀而影响轮胎平衡。不同的轮胎胎面花纹和道路条件下的碎石性能，值得被深入研究[1]。Sabri M[2]开发了轮胎模型和路面状况，用于分析轮胎花纹的几何形状。结果表明，汽车质量越大，抓地力系数越大。通过轮胎印迹接触的路面上的抓地力系数在一定速度下强烈影响动摩擦系数。Purboputro P I[3]研究了箭头花纹轮胎胶料在干湿条件下对硬度、耐磨性和抓地力系数的影响。轮胎胶料的硬度和拉伸强度随着炭黑成分的增加而增加，而轮胎胶料的磨损随着炭黑成分的增加而降低。He H[4]开发了一个可靠的三维 （3D） 轮胎-路面相互作用模型来模拟静态和各种滚动条件（自由滚动、加速和制动）下的界面接触应力。在相同的车辆载荷和充气压力下，自由滚动条件下的轮胎-路面接触应力总是远大于静载荷条件下的接触应力。为探究充气轮胎与路面接触区域的轮胎性能与定义变形参数之间的关系，Wang G[5]提出了一种基于变形参数的轮胎性能评价方法。结果表明，轮胎噪声与接触区径向变形呈显着负相关，滚动阻力系数与干制动距离在接触区XY平面上的等效应变呈显着正相关。Wu J[6]對不同脱模角和齿根半径、不同界面、不同侧偏角的胎面花纹块进行了磨损试验。在考虑胎面花纹沟结构和滑移角的影响时，滑动面的疲劳磨损和磨粒磨损是主导因素。

轮胎的胎面花纹需要有吸引力的设计和先进的功能。此外，为了在功能方面表现出高抓地力性能，重要的是阐明表面应变、摩擦系数和实际接触面积之间的适当关系[7]。Zhang Z[8]基于袋鼠下肢结构特点，建立了仿生轮胎模型，研究了轮胎在不同载荷下的径向刚度、横向刚度、纵向刚度、扭转刚度和地面压力。这一结论为非充气轮胎的研究提供了新的理论和方法论思路。轮胎胎面花纹是防止打滑的关键参数。Zhou H[9]通过实验和计算研究了三种不同花纹的轮胎在负载下的空气动力学特性，分析了压力和流动特性。该研究为低气动阻力轮胎的设计提供了指导，并有助于说明未来轮胎空气动力学对车身的影响。该研究证明了使用数值建模解决轮胎胎面花纹和优化问题的复杂设计的有效性和适用性[10]。Cho S[11]介绍了一种基本的测试方法，以通过使用实验室制备的均匀冰进行摩擦测试来评估汽车轮胎的制动性能。此外，还根据行驶速度、垂直载荷、轮胎与路面接触面积、环境温度和摩擦制动次数的变化，测量和分析了各种摩擦系数。为了高效、有效地将轮胎点云转换为3D CAD模型，Dong Y[12]在提取的花纹设计特征参数的基础上，构建了一种面向3D胎面花纹模型的语义特征建模方法。测试实例展示了该系统在轮胎花纹逆向建模中的实用性。

3. 基于猫爪的仿生结构确定

3.1 猫的骨骼结构与脚掌外观

图1所示为猫的右上肢骨骼图，从图中可以看到第一掌骨非常短，这使得猫的第一脚趾几乎不会接触到地面。而第二至第五脚趾的趾骨则较为平整的排列在一起，是猫脚掌与地面接触的主要受力点。图2所示为猫的前脚掌的外观图，由图中可以看到猫的脚掌中间有一块凸起的掌垫，而猫掌的前端也分别有四个趾垫。猫脚掌上的掌垫正好是其第二至第五脚趾的趾骨的近节趾骨与掌骨交界处，而趾垫则分别为四个趾骨的中节趾骨于末节趾骨交界处，而轮胎花纹也是轮胎与路面接触的受力处，这两者的功能作用非常一致。

3.2 仿生结构的确定

猫的前脚掌脚印图如图3所示，图中位置1、2、3、5、6分别为猫脚掌的趾垫和掌垫与地面接触的印痕。本文结合块状花纹轮胎的特点，设计出了如图4所示的仿生防滑花纹的平面图。仿生防滑花纹中1花纹块为猫掌印的2和3趾垫印痕合并而来，仿生花纹中2、3仿生防滑花纹块分别为猫掌印的1和5印痕对应。仿生防滑花纹块4处，对应猫掌趾垫与掌垫间隙处，因此把花纹块4的高度降低。为平衡轮胎花纹受力在左侧的花纹块5也降低相同高度，降低高度的花纹块在轮胎两侧交叉存在，以此样式循环排列。

4. 仿生防滑花纹设计结果及测试

4.1 仿生防滑花纹三维建模及3D打印

本文根据图6所示的花纹平面图进行三维建模，使用聚乳酸（PLA）进行模型的3D打印。根据猫掌趾垫和掌垫的形状及排列设计的仿生防滑花纹，编号为“仿生花纹1”如图5（a）、（b）所示;根据猫掌趾垫和掌垫的形状及排列和猫掌印中趾垫和掌垫之间的间隔设计的仿生防滑花纹，编号为“仿生花纹2”如图5（c）、（d）所示;同时为了对比仿生防滑花纹的防滑性能，根据越野车胎的花纹形状及其排列建模的轮胎花纹，编号为“越野花纹”，如图5（e）、（f）所示;在越野花纹1的花纹形状及其排列的基础上，按猫掌趾垫与掌垫之间的间隔设计的仿生防滑花纹，编号为“仿生花纹3”，如图5（g）、（h）所示。

4.2 仿生防滑花纹的防滑性能测试

为了研究仿生防滑花纹的防滑效果，进行防滑性性能的测试。用3D打印的花纹样件与泥土测试两者之间的最大静摩擦力。在花纹样件正上方分别施加25N的重力和50N的重力，分别测出上述4种花纹与泥土的最大静摩擦力，每组测5次取均值，用来测试其防滑性。其中测试使用的土壤绝对湿度为32.7%，土壤坚实度如表4所示。

5. 结论

本文基于仿生学技术，观察并测量了猫爪的脚趾和掌垫的结构、布局和排列方式，设计了仿生防滑轮胎的花纹布局，并且利用3D打印技术成功只做了仿生防滑轮胎胎面的花纹样件。通过将不同排列方式的仿生轮胎花纹样本进行测试和分析，本文发现猫爪脚趾和掌垫的形状和排列方式对仿生防滑轮胎的防滑性能影响不大，而空间结构能够对仿生防滑轮胎的防滑性能起到积极作用，最大静摩擦力的提升幅度达到了26.1%以上。实验结果表明，本文所设计的仿生防滑轮胎的防滑性能比普通的轮胎具有更好的防滑性能。

参考文献

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[2]Sabri M ，  Abda S . Grip Analysis of Road Surface and Tire Footprint Using FEM[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2018， 308（1）：012018.

[3]Purboputro P I ，  Darmawan A S ，  Febriantoko B W . Effect of Black Carbon Composition on Hardness， Strength， Wear Resistance and Grip Coefficient of Tire Compound[J]. Journal of Physics： Conference Series， 2021， 1858（1）：012090.

[4]He H ，  Li R ，  Yang Q ， et al. Analysis of the Tire-Pavement Contact Stress Characteristics during Vehicle Maneuvering[J]. KSCE Journal of Civil Engineering， 2021：1-13.

[5]Wang G ，  Yu K ，  Liang C ， et al. Influence of Contact Area Deformation Distribution of Tire on Tire Noise， Rolling Resistance and Dry Grip Performance[J]. International Journal of Automotive Technology， 2021， 22（1）：231-242.

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[11]Cho S ，  Oh E . New Method for Braking Performance Evaluation of Automobile Tires in Icy Roads Using a Simple Specimen[J]. Transactions of Korean Society of Automotive Engineers， 2019， 27（5）：345-351.

[12]Dong Y ，  Su F ，  Sun G ， et al. A feature-based method for tire pattern reverse modeling[J]. Advances in Engineering Software， 2018， 124（OCT.）：73-89.

作者簡介：张琳，1987年11月，性别：女，民族：汉，籍贯（省市）：山东德州，职务/职称：中级工程师，学历：硕士研究生，单位：青岛双星轮胎工业有限公司，研究方向; PCR轮胎结构研发 ，单位所在的省、市和邮编 ：山东青岛266000