仿生輪胎研究發(fā)展現(xiàn)狀及展望

徐 路，周利坤，成 潔

（1.武警后勤學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300300；2.武警后勤學(xué)院 軍交運(yùn)輸系，天津 300300）

自19世紀(jì)40年代“橡膠之父”查爾斯·古德伊爾發(fā)明了橡膠輪胎以來(lái)，輪胎工業(yè)已有180多年的發(fā)展歷史。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)輪胎安全性、美觀、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等的要求越來(lái)越高，仿照生物學(xué)原理制造的仿生輪胎逐漸進(jìn)入人們的生活。

仿生輪胎是在輪胎設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用仿生學(xué)的原理設(shè)計(jì)輪胎結(jié)構(gòu)，目的是通過(guò)仿生學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輪胎在不同路面的安全行駛。目前，針對(duì)仿生輪胎的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)輪胎行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一。

1 仿生設(shè)計(jì)在輪胎中的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，仿生學(xué)設(shè)計(jì)作為一種獨(dú)具特色的設(shè)計(jì)方法，被廣泛運(yùn)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)上。其工業(yè)設(shè)計(jì)主要集中于形態(tài)仿生、肌理仿生、質(zhì)感仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生、色彩仿生和意象仿生7個(gè)方面[1]。輪胎作為汽車(chē)的重要組成部分，其仿生設(shè)計(jì)主要集中于結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生兩個(gè)方面。

1.1 結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生是指在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將某種仿生對(duì)象的整體或局部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)加工和整理，應(yīng)用到設(shè)計(jì)對(duì)象的外觀上，讓人產(chǎn)生某種相關(guān)聯(lián)想的設(shè)計(jì)方法[2]。

結(jié)構(gòu)仿生能夠充分利用生物演化的優(yōu)勢(shì)選擇，具有節(jié)約人力和物力資源的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外很多設(shè)計(jì)工程師和學(xué)者很早便開(kāi)始輪胎結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)研究。美國(guó)固鉑輪胎與美國(guó)威斯康辛州麥弗遜聚合物研究中心充分利用蜂窩六邊形相互支撐的結(jié)構(gòu)及其兼具的減震和高強(qiáng)度兩大特點(diǎn)，研制了一種免充氣新型仿生輪胎——蜂巢輪胎，該輪胎具有質(zhì)量小、防爆、低行駛噪聲和低摩擦生熱等性能[3]。德國(guó)大陸公司利用Shark Skin Technology（鯊魚(yú)皮仿生技術(shù)）設(shè)計(jì)輪胎溝槽中的導(dǎo)槽流，解決輪胎經(jīng)過(guò)涉水路段排水時(shí)發(fā)生湍流的難題，增強(qiáng)輪胎的排水性能[4]。楊洪于等[5]從仿生學(xué)的視角以DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輪胎輪輞，利用雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大、抵抗外部變形能力強(qiáng)的物理特性，借助彈性極強(qiáng)的材料，采用傳感器技術(shù)以及輪胎與輪輞一體化設(shè)計(jì)的思路，設(shè)計(jì)一款DNA雙螺旋輪輞無(wú)充氣輪胎。周海超等[6]在輪胎花紋上設(shè)計(jì)V形仿生非光滑結(jié)構(gòu)，在輪胎表面設(shè)計(jì)水滴形凹坑仿生結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體力學(xué)和正交試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案能夠有效降低水流阻力，提升輪胎的抗水滑性能。樊沙沙等[7]借鑒工程流領(lǐng)域仿生非光滑減阻降噪設(shè)計(jì)理念，比較分析光滑表面的花紋溝輪胎噪聲和凹坑型非光滑花紋溝輪胎噪聲的數(shù)值，結(jié)果表明其非光滑仿生設(shè)計(jì)的輪胎花紋可降低輪胎噪聲。

從目前國(guó)內(nèi)外的研究情況來(lái)看，無(wú)論是國(guó)外的輪胎公司還是國(guó)內(nèi)研究學(xué)者都普遍認(rèn)識(shí)到某些生物結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)輪胎某些特殊功能的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的借鑒性和指導(dǎo)性。結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于輪胎的防爆、降低噪聲和提升抗水滑性能等方面。

但是，關(guān)于結(jié)構(gòu)仿生的研究仍存在一些不足。對(duì)輪胎而言，對(duì)其性能影響較大的是其表面花紋的設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用于輪胎胎面花紋的研究較少，即應(yīng)用于輪胎花紋設(shè)計(jì)上的結(jié)構(gòu)仿生還有巨大的發(fā)展空間。同時(shí)，對(duì)比國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)仿生的研究成果可以看出，國(guó)外結(jié)構(gòu)仿生的水平明顯高于國(guó)內(nèi)，一些知名的國(guó)外輪胎公司已經(jīng)研制出成品并推向市場(chǎng)，而國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)在輪胎設(shè)計(jì)上的運(yùn)用主要采取計(jì)算機(jī)仿真分析驗(yàn)證，缺乏試驗(yàn)研究，這對(duì)結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的成果應(yīng)用推廣缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 功能仿生

功能仿生是在設(shè)計(jì)產(chǎn)品過(guò)程中，模仿仿生對(duì)象的功能并運(yùn)用到產(chǎn)品中的一種方法手段。在輪胎的仿生設(shè)計(jì)中，模仿生物的足部功能成為主要研究方面。

德國(guó)大陸公司利用豹子奔跑中和停止時(shí)爪印接地面積的變化（豹子停止時(shí)的爪印接地面積比奔跑中大1/3）特點(diǎn)研制成功Conti Premium Contact輪胎，該輪胎行駛接地面積較小，制動(dòng)接地面積增大，從而縮短了制動(dòng)距離，提升了汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性[8]。德國(guó)輪胎公司依據(jù)貓跑行中的前爪墊功能和蜘蛛網(wǎng)的柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了一款A(yù)MC墊型輪胎，該輪胎利用后橋載荷向前橋的轉(zhuǎn)移，增大了輪胎的最大接地面積，在干燥或濕滑路面的制動(dòng)距離都比傳統(tǒng)輪胎縮短1/10，加上輪胎表面的柔軟性和硬性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，輪胎具有滾動(dòng)阻力低、抓著力和牽引力高等優(yōu)異性能[9]。韓國(guó)韓泰公司將鋒利的北極熊腳趾形狀與輪胎花紋相結(jié)合，使輪胎宛如北極熊鋒利熊掌一般抓住冰雪路面，為車(chē)主提供安全的冰雪路面駕駛體驗(yàn)[10]。李杰等[11]對(duì)駱駝在沙地的行走特性和駱駝蹄與沙地的應(yīng)力接觸進(jìn)行研究，建立了仿駱駝蹄輪胎原理模型，設(shè)計(jì)了仿駱駝蹄沙漠用輪胎模具，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)得到了沙地通過(guò)性較好的仿駝足蹄沙漠用輪胎設(shè)計(jì)方案。王國(guó)林等[12]提出了一種基于蝗蟲(chóng)腳掌與地面表面的幾何形態(tài)和蝗蟲(chóng)腳掌屈肌腱的功能特征的子午線輪胎胎面弧及帶束層仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并制定了3種仿生設(shè)計(jì)方案，利用有限元進(jìn)行分析，從靜態(tài)接地試驗(yàn)驗(yàn)證、滾動(dòng)接地分析對(duì)比接地面積，確認(rèn)仿蝗蟲(chóng)腳掌的子午線輪胎耐磨性和抓著性能較好，有利于制動(dòng)時(shí)輪胎的穩(wěn)定附著。周利坤等[13]利用章魚(yú)吸盤(pán)吸附性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出仿章魚(yú)吸盤(pán)式冰面防滑輪胎設(shè)計(jì)思路，在輪胎表面布局吸盤(pán)花紋，通過(guò)有限元分析和基于ADAMS仿真試驗(yàn)從微觀和宏觀兩個(gè)角度對(duì)比不同花紋設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明仿生花紋輪胎在冰雪路面具有較好的防滑性。付晶[14]受到袋鼠足具有跳動(dòng)活躍和運(yùn)動(dòng)平緩的啟示，根據(jù)其腳趾柔性結(jié)構(gòu)具有降低驅(qū)動(dòng)力矩、減緩腳趾與地面的沖擊和震動(dòng)的功能特點(diǎn)，利用工程學(xué)的原理，用袋鼠二次拋物線模擬出袋鼠柔性腳花紋溝壁。這種仿生花紋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了花紋的剛度，使花紋具有不同的承載特性，花紋接地壓力分布均勻，與地面相對(duì)摩擦力增大，增強(qiáng)了輪胎的抓著性能。張銳等[15]選取馴鹿足與冰雪路面接觸的部位進(jìn)行分析研究，通過(guò)逆向工程技術(shù)，提取馴鹿足的功能特點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)探析了馴鹿足各部位對(duì)馴鹿在冰面行走運(yùn)動(dòng)的影響，提出了冰雪路面行駛車(chē)輛用輪胎馴鹿仿生設(shè)計(jì)，為冰雪路面輪胎防滑研究提供了新思路。

相對(duì)于結(jié)構(gòu)仿生，功能仿生研究成果較多，擴(kuò)充了仿生輪胎的研究類(lèi)型，主要通過(guò)模仿生物的足部功能來(lái)增強(qiáng)輪胎的摩擦力和抓著性能，增強(qiáng)輪胎安全行駛性，尤其為冰雪路面安全行駛提供了創(chuàng)新方法。

但是，從功能仿生的研究現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)外的研究差異較大。國(guó)外對(duì)輪胎功能仿生方面的研究主要集中于一些大型輪胎企業(yè)，由于其輪胎工業(yè)基礎(chǔ)強(qiáng)，技術(shù)實(shí)力雄厚，已形成成熟的“提出設(shè)想-研發(fā)-生產(chǎn)”體系，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。仿生輪胎投放市場(chǎng)主要針對(duì)惡劣路面的安全行駛，客戶反饋是產(chǎn)品最好的試驗(yàn)。反觀國(guó)內(nèi)在功能仿生輪胎上目前主要集中于理論研究和模擬試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。

2 仿生輪胎的未來(lái)展望

隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，仿生設(shè)計(jì)作為一種重要的設(shè)計(jì)手段，展現(xiàn)了人與自然的和諧統(tǒng)一，更凸顯現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車(chē)消費(fèi)的心理需求。仿生輪胎作為未來(lái)輪胎發(fā)展的一個(gè)重要方向，應(yīng)從以下4個(gè)方面進(jìn)行努力。

2.1 多樣化

輪胎作為汽車(chē)最重要的部件之一，對(duì)汽車(chē)安全行駛起著至關(guān)重要的作用。據(jù)美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年約有26萬(wàn)起交通事故與輪胎事故有關(guān)[16]。而從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外仿生輪胎的發(fā)展情況來(lái)看，其主要是模擬生物的結(jié)構(gòu)和功能開(kāi)發(fā)適應(yīng)不同環(huán)境的新型輪胎，這勢(shì)必會(huì)造成輪胎仿生設(shè)計(jì)的單一性。因此，需要結(jié)合生物的形態(tài)、質(zhì)感、色彩和意象等方面拓寬仿生的范圍，提高仿生輪胎設(shè)計(jì)的多樣性，為進(jìn)一步提升輪胎的安全性能創(chuàng)新更多的思路。

2.2 智能化

隨著互聯(lián)網(wǎng)＋時(shí)代的到來(lái)以及我國(guó)信息化水平的不斷提高，輪胎仿生設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)相結(jié)合必將是重要發(fā)展趨勢(shì)。一方面，可以將輪胎結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)嵌入到依托計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件系統(tǒng)中，對(duì)輪胎結(jié)構(gòu)和胎面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一方面，利用輪胎的智能傳感和智能數(shù)據(jù)處理和決策技術(shù)將輪胎仿生設(shè)計(jì)在路面行駛中所呈現(xiàn)出的特殊性能實(shí)時(shí)展現(xiàn)給使用者，讓用戶真切感受到仿生輪胎所具有的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而增大其核心競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)占有率。

2.3 綠色化

當(dāng)前，國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時(shí)也造成了環(huán)境的惡化。與傳統(tǒng)輪胎相比，仿生輪胎采用仿生設(shè)計(jì)所凸顯出的環(huán)保和節(jié)能綠色理念是必然趨勢(shì)。通過(guò)仿生設(shè)計(jì)來(lái)降低胎面的滾動(dòng)阻力并保持良好的抗?jié)窕阅芸晒?jié)約汽車(chē)總油耗的14.4%。從輪胎的材料選取上，在仿生設(shè)計(jì)制造過(guò)程中采用對(duì)環(huán)境無(wú)污染的溶聚丁苯橡膠，使仿生輪胎在行駛中具有良好的耐久性能和穩(wěn)定性能，達(dá)到環(huán)保要求。

2.4 自主化

縱觀國(guó)內(nèi)外輪胎行業(yè)的發(fā)展，國(guó)外具有全球影響力的輪胎企業(yè)對(duì)仿生輪胎的研究比國(guó)內(nèi)起步早、工業(yè)技術(shù)相對(duì)成熟。我國(guó)仿生輪胎行業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)比較薄弱，其研究多集中于科研院所。因此，在未來(lái)的發(fā)展中，抓住轉(zhuǎn)型發(fā)展升級(jí)的機(jī)遇，變被動(dòng)為主動(dòng)，以仿生輪胎設(shè)計(jì)為突破口，尋找中國(guó)傳統(tǒng)文化中人與自然和諧的元素，增強(qiáng)中國(guó)設(shè)計(jì)文化的感染力，創(chuàng)立具備中國(guó)仿生輪胎個(gè)性化和自主化設(shè)計(jì)的有效手段，形成中國(guó)特色仿生輪胎自主品牌。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著世界汽車(chē)工業(yè)和仿生技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外仿生輪胎在結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生方面不斷創(chuàng)新思維、革新技術(shù)、開(kāi)發(fā)出很多安全可靠、節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品，最大限度地滿足用戶日益增長(zhǎng)的需求。未來(lái)仿生輪胎需要聚焦于多樣化、智能化、綠色化等方面，為生產(chǎn)出更多高性能的仿生輪胎奠定基礎(chǔ)。