仿生防滑輪胎花紋的設(shè)計

張琳 徐偉 王君 劉杰 張晨曦

摘要：現(xiàn)代科技的騰飛也促使仿生學(xué)飛速發(fā)展，仿生學(xué)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到汽車工程中，仿生輪胎也就應(yīng)運而生。橡膠輪胎與道路接觸面的摩擦作用由胎面花紋的形狀、布局和結(jié)構(gòu)方式?jīng)Q定的。通過對國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，目前輪胎的防滑抓地性能雖然被廣泛研究，但是仿生設(shè)計方面的研究并不多見，因此，研究一種基于仿生學(xué)設(shè)計的防滑輪胎對于目前汽車領(lǐng)域和橡膠輪胎的研發(fā)具有重要意義。本文基于貓爪掌紋的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察測量，設(shè)計了仿生防滑輪胎的花紋結(jié)構(gòu)，并通過3D打印技術(shù)進(jìn)行仿生花紋樣本制作，并針對本文所設(shè)計的花紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行防滑性能的測試。試驗數(shù)據(jù)表明，貓掌的趾墊和掌墊之間間隔的仿生設(shè)計防滑花紋的最大靜摩擦力提升26.1%以上，此仿生防滑花紋對輪胎的防滑性能將會有很大的提升。

關(guān)鍵詞：橡膠輪胎，仿生輪胎，防滑性能，3D打印，仿生花紋樣本

1.引言

橡膠輪胎是承載整重量與路面相互作用的部件，對于車輛來說橡膠輪胎是一種消耗品。隨著車輛行業(yè)及其他行業(yè)的迅猛的發(fā)展，我國面臨著日益嚴(yán)峻的資源環(huán)境和碳排放約束的困境。橡膠輪胎在未來也應(yīng)該順應(yīng)全球低碳經(jīng)濟(jì)時代發(fā)展的需要。當(dāng)車輛在雨天或者有積雪的路面上行駛時，會使得輪胎與路面的摩擦力與正常情況下急劇減小，導(dǎo)致剎車距離過長，容易發(fā)生車輛失控、追尾等交通事故。所以，對于增強(qiáng)輪胎與路面的作用力對車輛安全來說非常重要。事實上，輪胎外胎胎面上的花紋塊的結(jié)構(gòu)、形狀、大小和排列方式對輪胎與路面的作用力大小起決定性作用。因此研究新型輪胎花紋對于輪胎的防滑性能作用是十分重要的。

現(xiàn)代科技的騰飛也促使仿生學(xué)飛速發(fā)展，仿生學(xué)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到汽車工程中，仿生輪胎也就應(yīng)運而生。橡膠輪胎與道路接觸面的摩擦作用由胎面花紋的形狀、布局和結(jié)構(gòu)方式?jīng)Q定的。通過對國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，目前輪胎的防滑抓地性能雖然被廣泛研究，但是仿生設(shè)計方面的研究并不多見，因此，研究一種基于仿生學(xué)設(shè)計的防滑輪胎對于目前汽車領(lǐng)域和橡膠輪胎的研發(fā)具有重要意義。

2.輪胎花紋對輪胎性能的影響

當(dāng)車輛行駛時，輪胎往往會在其胎面花紋中夾住石頭，這可能會由于胎面部分的胎面磨損不均勻而影響輪胎平衡。不同的輪胎胎面花紋和道路條件下的碎石性能，值得被深入研究[1]。Sabri M[2]開發(fā)了輪胎模型和路面狀況，用于分析輪胎花紋的幾何形狀。結(jié)果表明，汽車質(zhì)量越大，抓地力系數(shù)越大。通過輪胎印跡接觸的路面上的抓地力系數(shù)在一定速度下強(qiáng)烈影響動摩擦系數(shù)。Purboputro P I[3]研究了箭頭花紋輪胎膠料在干濕條件下對硬度、耐磨性和抓地力系數(shù)的影響。輪胎膠料的硬度和拉伸強(qiáng)度隨著炭黑成分的增加而增加，而輪胎膠料的磨損隨著炭黑成分的增加而降低。He H[4]開發(fā)了一個可靠的三維 （3D） 輪胎-路面相互作用模型來模擬靜態(tài)和各種滾動條件（自由滾動、加速和制動）下的界面接觸應(yīng)力。在相同的車輛載荷和充氣壓力下，自由滾動條件下的輪胎-路面接觸應(yīng)力總是遠(yuǎn)大于靜載荷條件下的接觸應(yīng)力。為探究充氣輪胎與路面接觸區(qū)域的輪胎性能與定義變形參數(shù)之間的關(guān)系，Wang G[5]提出了一種基于變形參數(shù)的輪胎性能評價方法。結(jié)果表明，輪胎噪聲與接觸區(qū)徑向變形呈顯著負(fù)相關(guān)，滾動阻力系數(shù)與干制動距離在接觸區(qū)XY平面上的等效應(yīng)變呈顯著正相關(guān)。Wu J[6]對不同脫模角和齒根半徑、不同界面、不同側(cè)偏角的胎面花紋塊進(jìn)行了磨損試驗。在考慮胎面花紋溝結(jié)構(gòu)和滑移角的影響時，滑動面的疲勞磨損和磨粒磨損是主導(dǎo)因素。

輪胎的胎面花紋需要有吸引力的設(shè)計和先進(jìn)的功能。此外，為了在功能方面表現(xiàn)出高抓地力性能，重要的是闡明表面應(yīng)變、摩擦系數(shù)和實際接觸面積之間的適當(dāng)關(guān)系[7]。Zhang Z[8]基于袋鼠下肢結(jié)構(gòu)特點，建立了仿生輪胎模型，研究了輪胎在不同載荷下的徑向剛度、橫向剛度、縱向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和地面壓力。這一結(jié)論為非充氣輪胎的研究提供了新的理論和方法論思路。輪胎胎面花紋是防止打滑的關(guān)鍵參數(shù)。Zhou H[9]通過實驗和計算研究了三種不同花紋的輪胎在負(fù)載下的空氣動力學(xué)特性，分析了壓力和流動特性。該研究為低氣動阻力輪胎的設(shè)計提供了指導(dǎo)，并有助于說明未來輪胎空氣動力學(xué)對車身的影響。該研究證明了使用數(shù)值建模解決輪胎胎面花紋和優(yōu)化問題的復(fù)雜設(shè)計的有效性和適用性[10]。Cho S[11]介紹了一種基本的測試方法，以通過使用實驗室制備的均勻冰進(jìn)行摩擦測試來評估汽車輪胎的制動性能。此外，還根據(jù)行駛速度、垂直載荷、輪胎與路面接觸面積、環(huán)境溫度和摩擦制動次數(shù)的變化，測量和分析了各種摩擦系數(shù)。為了高效、有效地將輪胎點云轉(zhuǎn)換為3D CAD模型，Dong Y[12]在提取的花紋設(shè)計特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種面向3D胎面花紋模型的語義特征建模方法。測試實例展示了該系統(tǒng)在輪胎花紋逆向建模中的實用性。

3.基于貓爪的仿生結(jié)構(gòu)確定

3.1 貓的骨骼結(jié)構(gòu)與腳掌外觀

圖1所示為貓的右上肢骨骼圖，從圖中可以看到第一掌骨非常短，這使得貓的第一腳趾幾乎不會接觸到地面。而第二至第五腳趾的趾骨則較為平整的排列在一起，是貓腳掌與地面接觸的主要受力點。圖2所示為貓的前腳掌的外觀圖，由圖中可以看到貓的腳掌中間有一塊凸起的掌墊，而貓掌的前端也分別有四個趾墊。貓腳掌上的掌墊正好是其第二至第五腳趾的趾骨的近節(jié)趾骨與掌骨交界處，而趾墊則分別為四個趾骨的中節(jié)趾骨于末節(jié)趾骨交界處，而輪胎花紋也是輪胎與路面接觸的受力處，這兩者的功能作用非常一致。

3.2 仿生結(jié)構(gòu)的確定

貓的前腳掌腳印圖如圖3所示，圖中位置1、2、3、5、6分別為貓腳掌的趾墊和掌墊與地面接觸的印痕。本文結(jié)合塊狀花紋輪胎的特點，設(shè)計出了如圖4所示的仿生防滑花紋的平面圖。仿生防滑花紋中1花紋塊為貓掌印的2和3趾墊印痕合并而來，仿生花紋中2、3仿生防滑花紋塊分別為貓掌印的1和5印痕對應(yīng)。仿生防滑花紋塊4處，對應(yīng)貓掌趾墊與掌墊間隙處，因此把花紋塊4的高度降低。為平衡輪胎花紋受力在左側(cè)的花紋塊5也降低相同高度，降低高度的花紋塊在輪胎兩側(cè)交叉存在，以此樣式循環(huán)排列。

4.仿生防滑花紋設(shè)計結(jié)果及測試

4.1 仿生防滑花紋三維建模及3D打印

本文根據(jù)圖6所示的花紋平面圖進(jìn)行三維建模，使用聚乳酸（PLA）進(jìn)行模型的3D打印。根據(jù)貓掌趾墊和掌墊的形狀及排列設(shè)計的仿生防滑花紋，編號為“仿生花紋1”如圖5（a）、（b）所示;根據(jù)貓掌趾墊和掌墊的形狀及排列和貓掌印中趾墊和掌墊之間的間隔設(shè)計的仿生防滑花紋，編號為“仿生花紋2”如圖5（c）、（d）所示;同時為了對比仿生防滑花紋的防滑性能，根據(jù)越野車胎的花紋形狀及其排列建模的輪胎花紋，編號為“越野花紋”，如圖5（e）、（f）所示;在越野花紋1的花紋形狀及其排列的基礎(chǔ)上，按貓掌趾墊與掌墊之間的間隔設(shè)計的仿生防滑花紋，編號為“仿生花紋3”，如圖5（g）、（h）所示。

4.2 仿生防滑花紋的防滑性能測試

為了研究仿生防滑花紋的防滑效果，進(jìn)行防滑性性能的測試。用3D打印的花紋樣件與泥土測試兩者之間的最大靜摩擦力。在花紋樣件正上方分別施加25N的重力和50N的重力，分別測出上述4種花紋與泥土的最大靜摩擦力，每組測5次取均值，用來測試其防滑性。其中測試使用的土壤絕對濕度為32.7%，土壤堅實度如表4所示。

處理獲得的試驗數(shù)據(jù)，并繪制為柱狀圖，如圖6所示。仿生花紋2的最大靜摩擦力明顯比仿生花紋1的最大靜摩擦力大，在正壓力為25N時最大靜摩擦力大36.4%，在正壓力為50N時最大靜摩擦力大26.1%;仿生花紋3與越野花紋的最大靜摩擦力對比，在正壓力為25N和50N時，仿生花紋3的最大靜摩擦力均比越野花紋的大35.7%。由此說明，本文通過仿生設(shè)計的防滑花紋具有優(yōu)異的防滑性能，能提升26.1%以上的最大靜摩擦力。

5.結(jié)論

本文基于仿生學(xué)技術(shù)，觀察并測量了貓爪的腳趾和掌墊的結(jié)構(gòu)、布局和排列方式，設(shè)計了仿生防滑輪胎的花紋布局，并且利用3D打印技術(shù)成功只做了仿生防滑輪胎胎面的花紋樣件。通過將不同排列方式的仿生輪胎花紋樣本進(jìn)行測試和分析，本文發(fā)現(xiàn)貓爪腳趾和掌墊的形狀和排列方式對仿生防滑輪胎的防滑性能影響不大，而空間結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ψ律阑喬サ姆阑阅芷鸬椒e極作用，最大靜摩擦力的提升幅度達(dá)到了26.1%以上。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的仿生防滑輪胎的防滑性能比普通的輪胎具有更好的防滑性能。

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作者簡介：張琳，1987年11月，性別：女，民族：漢，籍貫（省市）：山東德州，職務(wù)/職稱：中級工程師，學(xué)歷：碩士研究生，單位：青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，研究方向;PCR輪胎結(jié)構(gòu)研發(fā)，單位所在的省、市和郵編：山東青島266000