輪胎花紋設計及其對相關性能影響研究現(xiàn)狀

董玉德，徐丹丹，呂 倫

（合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，而輪胎是構成汽車的重要組成部分，提高輪胎的設計與制造水平具有重要意義。輪胎花紋塊與路面之間的摩擦力是車輛行駛的動力源。輪胎性能優(yōu)化不僅與其內部結構設計相關，還與胎面花紋有直接聯(lián)系[1]。此外，輪胎數(shù)字化建模越來越受到研究機構和輪胎企業(yè)的重視，而三維花紋設計又是輪胎設計的關鍵，主要原因為：（1）輪胎花紋溝槽的三維結構及花紋剖面非常復雜，常用的三維計算機輔助設計（CAD）建模技術難以滿足設計要求；（2）不同類型的輪胎花紋結構有很大不同，花紋與輪胎的抓著力、噪聲、滑水特性等有緊密關系。相關企業(yè)已做過大量試驗研究，但對如何利用設計知識對已定型的花紋進行評價方面的研究稍顯不足。

進入20世紀90年代后，人們開始研究復雜花紋結構對輪胎多種特性的影響，采用統(tǒng)計分析法分析輪胎花紋參數(shù)和結構參數(shù)與輪胎性能之間的關聯(lián)，并竭力尋找一種可以協(xié)同增強輪胎多種性能的輪胎花紋結構。本文系統(tǒng)分析花紋設計對輪胎多種特性提升的影響，并簡述國內外輪胎花紋設計方法的特點及應用現(xiàn)狀。

1 輪胎花紋設計發(fā)展歷程

輪胎花紋設計方法劃分為正向設計、逆向設計和3D打印3種方法。

1.1 正向設計

1.1.1 二維花紋

20世紀70年代，CAD技術開始被國外設計人員應用于輪胎設計，80年代中后期國內相關學者陸續(xù)利用計算機輔助軟件進行輪胎的設計工作。早期的花紋設計主要采用CAD工具，如黃文龍等[2]研究開發(fā)了可以生成輪胎斷面輪廓圖和花紋圖等的子午線輪胎CAD系統(tǒng)。

劉大眾[3]利用VB語言成功開發(fā)了AutoCAD二維輪胎CAD系統(tǒng)，包括輪胎常規(guī)設計、計算和繪圖等功能。其中更多的研究還是集中在對輪胎輪廓結構設計上，對花紋的設計知識有所欠缺。

在車輛操縱動力學研究中，Magic Formula和UniTire模型[4]都已被廣泛應用。在理論基礎方面，UniTire輪胎模型更強，其全局辨識精度略高于Magic Formula模型，并且具有更高的預測能力。

1.1.2 三維花紋

國內的輪胎三維設計利用三維CAD軟件對已經(jīng)設計好的二維花紋圖進行展開，然后經(jīng)過投影、拉伸、切割和裝配等步驟在胎體上生成花紋溝。輪胎花紋溝的建模流程較為繁瑣，操作復雜、重復性強是制約建模效率的主要因素，因此不適于輪胎的大批量設計。

通過參數(shù)化設計可以準確、快速地對花紋塊進行設計，因此國內外學者都致力于花紋設計系統(tǒng)的研究。陳作炳等[5]研究構建了輪胎花紋參數(shù)化圖元庫，并開發(fā)出輪胎花紋設計專家系統(tǒng)。張萍等[6]通過對UG進行二次開發(fā)成功實現(xiàn)了輪胎花紋塊的快速造型。孫根基等[7]利用點云數(shù)據(jù)反求輪胎花紋縱溝參數(shù)，重構出花紋縱溝模型。李廷照[8]在輪胎建模過程中引入自定義特征，簡化了參數(shù)化設計及輪胎花紋的設計過程。C.H.Chu等[9]介紹了輪胎模型的三維參數(shù)化設計方法，通過對溝槽的參數(shù)化明顯減少用戶的交互次數(shù)，以少量的參數(shù)快速構建不同溝槽，并給出了校驗無效溝槽參數(shù)的幾何算法。B.T.Lin等[10]開發(fā)了一套自動繪制模具的設計系統(tǒng)，并將其技術延伸應用于輪胎的模具生產(chǎn)。

國內外學者研究了花紋結構與輪胎噪聲、滑水和側偏等特性之間的關系，根據(jù)輪胎花紋特征將其分類并對花紋溝特征及其主要參數(shù)進行研究（見圖1），開發(fā)出對少量參數(shù)進行修改的交互式花紋設計系統(tǒng)或建立花紋數(shù)據(jù)庫。帶花紋輪胎模型高效、自動及準確的生成簡化了后續(xù)分析輪胎的步驟，得到廣泛應用。

圖1 輪胎花紋特征分類

在此期間，簡單花紋的精度及準確度都遠達不到實際使用要求，因此輪胎分析專家把注意力由簡單花紋轉向復雜花紋。董玉德等[11]為解決輪胎花紋工程圖尺寸標注繁瑣等不規(guī)范問題，開發(fā)出一套輪胎花紋工程圖尺寸自適應標注系統(tǒng)。輪胎分析專家開始研究通過軟件分析輪胎模型。S.H.Koehne[12]通過對只帶有簡單縱溝和橫溝的快結構平滑輪胎進行研究，發(fā)現(xiàn)該簡化模型往往造成分析結果與真實數(shù)據(jù)存在很大差距。J.R.Cho等[13]通過研究提出一種生成網(wǎng)格的程序，后續(xù)試驗證實了該程序的有效性。李兵[14]針對花紋模塊提出了一種映射和拉延方法，采用拉延方法獲得三維六面體網(wǎng)格，采用映射方法將輪胎進行重構。對具有復雜花紋的整體輪胎以及劃分網(wǎng)格后的輪胎進行有限元分析，使用的是組合模型技術，與李煒[15]的方法相比，對花紋塊的設計方式進行了優(yōu)化。

上述研究從胎面花紋造型、花紋與光面輪胎的結合方式及網(wǎng)格劃分方法等方面進行了優(yōu)化和改進。陳理君等[16-18]基于多年對輪胎花紋及其噪聲的研究，設計開發(fā)了輪胎花紋噪聲模擬及低噪聲輪胎花紋結構參數(shù)識別軟件等。該系統(tǒng)在分析中改良了參數(shù)設置流程，提高了使用便利性。

1.2 逆向設計

逆向工程技術是實現(xiàn)產(chǎn)品結構創(chuàng)新設計和形貌特征快速發(fā)展的重要途徑，已發(fā)展成為輪胎企業(yè)消化吸收先進輪胎花紋結構設計的必然選擇。逆向工程的優(yōu)點眾多，目前大多數(shù)學者都試圖通過不同軟件實現(xiàn)模型的重構。彭燕軍等[19]利用Imageware與UG完成了汽車車身零件的反向重建。李勇等[20]通過ImageWare成功地對話筒模型進行了逆向重構。Y.D.Dong等[21-22]通過點云數(shù)據(jù)變換、特征提取和聚類分析，開發(fā)了基于特征的輪胎花紋設計逆向建模系統(tǒng)，并引入語義設計思想來建立模型。逆向工程在各個行業(yè)都有了極為廣泛的應用，尤其在汽車、家居及航空航天領域。

在輪胎花紋設計領域中，雷鐳等[23]通過對三維點云數(shù)據(jù)進行一系列處理，反求出了輪胎的3D模型，但是其精度較低且所適用輪胎種類較少。丘永亮等[24]首先通過Surface軟件實現(xiàn)特征線的提取，然后使用Pro/E對輪胎3D模型進行重建，但由于特征線提取算法的原因，其輪胎3D模型效果不甚理想。

董玉德等[25-28]將輪胎花紋語義單元特征信息引入輪胎逆向建模過程，實現(xiàn)重構特征信息的語義參數(shù)化表達，如圖2所示，單獨設計數(shù)據(jù)分割及特征提取等重要數(shù)據(jù)處理算法，重構出完整輪胎花紋模型。同時，改進模型重構評價指標，采用輪胎綜合特性評價代替原有精度評價的方式，在逆向建模過程中開展花紋結構參數(shù)與輪胎關鍵特性關系的研究，提出以掃描點云為對象、以語義信息為特征、以協(xié)同提升輪胎滾動阻力性能、噪聲性能和濕地抓著性能為優(yōu)化目標的新型輪胎花紋結構設計方法。此方法基于模型重構評價指標，所得出的輪胎3D模型滿足了基本精度，但其只適用于部分花紋結構較為簡單的輪胎，對復雜花紋輪胎的重構準確度不高，后續(xù)發(fā)展進步空間較大。

圖2 輪胎花紋逆向建模流程示意

輪胎逆向設計能夠對已使用輪胎進行性能評估，采用基于點云的輪胎花紋結構逆向智能化設計并實現(xiàn)特性最優(yōu)花紋構型系統(tǒng)的設計與開發(fā)，構建該建模過程的特性分析與評價機制，從而形成一套完整的輪胎逆向花紋設計流程、分析及反饋改進系統(tǒng)，如圖3所示。經(jīng)過對國內外文獻的研究發(fā)現(xiàn)，目前只完成了輪胎花紋逆向設計，后續(xù)將輪胎花紋逆向設計與輪胎分析合并協(xié)同提升性能的方法尚未建立，因此還需繼續(xù)進行更深入的研究。

圖3 輪胎花紋逆向設計流程

1.3 3D打印

3D打印作為近年來的新興技術，通常使用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)。它通常用于模具制造、工業(yè)設計等領域的制造，并逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。輪胎3D打印技術必將在未來成為輪胎生產(chǎn)重要技術。輪胎3D打印方法較為先進且綠色環(huán)保，但其對材料要求較高，且要求所設計輪胎性能更優(yōu)異。目前3D打印生產(chǎn)輪胎還處在新興階段，其具體使用性能還有待測試評估。

2 花紋與輪胎性能之間的關系

花紋主要與輪胎的滾動阻力、噪聲、耐磨性能、滑水性能、側偏性能和散熱性能等有關。B.Wies等[29]研究發(fā)現(xiàn)，增大花紋溝的體積，噪聲將提高約2.4%，滑水速度提高1%，操縱性能降低0.6%，滾動阻力增大0.4%，耐磨性能和抓著性能降低0.3%。因此，在花紋設計過程中對輪胎噪聲、排水能力、耐磨性能及抓著性能的衡量是至關重要的。

2.1 噪聲

輪胎振動噪聲主要是胎面花紋塊在滾動過程中撞擊路面而產(chǎn)生的沖擊噪聲[30]：一是在接地面前后邊緣處的胎面元素垂直速度的突然減小和增大導致的加速和減速噪聲；二是撞擊引起的振動噪聲。

周海超[31]研究發(fā)現(xiàn)采用旁路改變凹槽設計的方法對圓周槽的管道共振噪聲及遠場輻射噪聲的降低起到一定作用。N.Garg等[32]證實增大輪胎花紋溝槽尺寸會相應增大其噪聲。危銀濤等[33]研究發(fā)現(xiàn)增加橫向花紋溝數(shù)目也會造成輪胎花紋噪聲的增大。王國林等[34]研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化帶束層結構和胎面花紋會相應降低輪胎噪聲。許志超等[35]通過試驗研究得到商用車輪胎噪聲與溫度、速度和花紋的關系，并對花紋進行優(yōu)化設計。

陳理君等[16-18]通過分析不同花紋對輪胎噪聲性能的影響，確定并解釋了低噪聲輪胎花紋的設計原理和方法以及低噪聲評價標準。低噪聲輪胎花紋設計原則如下：（1）不同花紋塊和不同花紋槽的寬度比應為無理數(shù)比；（2）花紋條數(shù)的增加有利于降噪；（3）花紋的節(jié)距比例應取無理數(shù)比；（4）排列花紋間的節(jié)距序列應呈非周期性；（5）花紋要合理錯位，并且錯位量與花紋周期之間的比不應是整數(shù)比；（6）花紋周期增長可提高降噪效果。

2.2 滾動阻力

滾動阻力是由輪胎變形和摩擦引起的，主要包括與滾動相關的機械能損失、輪胎與輪輞的摩擦及輪胎內部結構的能量損失。

王國林等[36-37]通過研究發(fā)現(xiàn)對滾動阻力影響較大的有輪胎結構參數(shù)及花紋參數(shù)。毛鑫昕等[38]研究發(fā)現(xiàn)在滾動阻力預測上，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的輪胎滾動阻力模型比基于BP模型具有更大優(yōu)勢。周宏斌等[39]對胎面膠和胎肩膠等進行調整研究出低滾動阻力輪胎。T.Schulze等[40]研究驗證了產(chǎn)生抓著力及滾動阻力的機理，且證明了兩者的矛盾。輪胎滾動阻力的試驗測試方法主要包括氣動阻力法、軸力法、力矩法、功率法和減速法。輪胎滾動阻力測試儀器如圖4所示[41]。

圖4 輪胎滾動阻力測試儀器

2.3 耐磨性能

輪胎的耐磨性能主要與橡膠材料和輪胎結構有關。輪胎耐磨性能與花紋結構特征的關系一直是研究的重點，耐磨性能試驗儀器及仿真結果如圖5所示[42]。

圖5 輪胎耐磨性能試驗儀器和仿真結果示意

C.Jin等[43]用有限元仿真方法分析了復雜花紋與輪胎耐磨性能之間的聯(lián)系。C.Liang等[44]提出具有小足跡形狀作用的輪胎胎面磨損更為均勻。J.R.Cho等[45]采用具有復雜胎面花紋塊的輪胎模型，進行摩擦動態(tài)滾動分析并計算輪胎印痕摩擦能耗。M.M.D.Silva等[46]提出一種在車輛平穩(wěn)狀態(tài)下評估輪胎-路面附著系數(shù)的方法，該方法發(fā)展了輪胎磨損評估的定性公式，通過簡單的車輛模型實現(xiàn)了轉向機動概念設計分析。

從以上研究可以看出：（1）提高胎面花紋飽和度可以改善輪胎的耐磨性能；（2）小接地印痕作用的輪胎胎面磨損更為均勻；（3）胎面采用Z形花紋溝設計可提高輪胎的操縱穩(wěn)定性、制動性能、牽引性能、抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅堋?/p>

2.4 滑水性能

道路粗糙度、速度及胎面花紋等因素對輪胎的抗滑水性能具有重要影響。提高輪胎抗滑水性能的主要方法之一是改善花紋溝槽的排水能力。

T.F.Fwa等[47]使用流固耦合方法分析輪胎滑水性能，發(fā)現(xiàn)縱向花紋溝槽的深度和寬度每增大1 mm，滑水速度會分別提高1.6和6.8 km·h-1。T.W.Kim等[48]研究發(fā)現(xiàn)增加橫向花紋溝的數(shù)量會增強水流排出能力，相應提高輪胎的抗滑水性能。H.C.Zhou等[49]對V形脊狀結構與光滑結構的參數(shù)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，仿生V形脊狀非光滑結構能顯著提高滑水臨界速度，改善輪胎抗滑水性能。S.S.Kumar[50]提出使用有限元分析方法研究輪胎花紋形狀和溝槽深度對轎車打滑現(xiàn)象的影響?？孜趿值萚51]通過對不同花紋輪胎滑水特性進行分析，得出幾種不同花紋輪胎的排水能力。輪胎滑水的仿真效果如圖6所示[52]。

圖6 輪胎滑水仿真效果

關于花紋滑水性能研究得出的規(guī)律[53-54]為：（1）縱向溝槽深度對輪胎滑水性能有顯著影響，橫向溝槽水流方向及胎面動水壓力對輪胎滑水性能有顯著影響；（2）在花紋溝底部設置水滴形凹坑結構可以改善輪胎的抗滑水性能；（3）橫向溝槽輪胎的抗滑水性能明顯優(yōu)于縱向溝槽輪胎；（4）橫向花紋溝槽數(shù)量越多，花紋刺破水膜的能力越強，從而加快水流排出，改善抗滑水性能。

2.5 側偏性能

輪胎在轉彎時存在一定的離心力作用從而使輪胎側偏，側偏性能決定了輪胎在轉彎時的安全性。彭旭東等[55]分別測試了不同花紋輪胎在冰面和干燥路面上的側偏性能，證實花紋在冰面上的影響更大。彭旭東等[56]研究還發(fā)現(xiàn)，胎面花紋與輪胎的側偏性能有關，在相同試驗條件下，順向花紋輪胎在附著性能和側偏特性方面表現(xiàn)更優(yōu)異。E.T?nük等[57]構建了一個子午線輪胎有限元模型，預測輪胎設計階段的轉彎力特性，通過試驗可以驗證模型的有效性。輪胎側偏性能測試平臺如圖7所示。

圖7 輪胎側偏性能測試平臺

從國內外學者的研究中可以得出以下結論：輪胎的側偏性能對汽車的操縱穩(wěn)定性起著決定性作用，側偏性能與胎面花紋、輪胎負荷和充氣壓力及胎體輪廓形狀等有關。另外，通過以下方式可以提高輪胎的側偏剛度：（1）減小斷面高寬比；（2）增大帶束層寬度；（3）加強胎圈反包區(qū)域；（4）減小胎面厚度，即減小接近胎面中心線的花紋溝深度；（5）適當減小胎面花紋的空隙體積；（6）提高花紋剛度。

2.6 散熱性能

輪胎在行駛過程中產(chǎn)生熱量導致溫度升高，主要是因為輪胎橡膠材料在受力下產(chǎn)生滯后損失；其次是由于輪胎與地面摩擦而產(chǎn)生熱量。J.R.Cho等[58]通過研究三維周期性花紋輪胎模型獲得不同車速情況下的輪胎滯后損失總能量以及胎面花紋處的最高溫度。Y.Li等[59]通過對輪胎的接觸壓力分布和散熱方法進行理論分析得到每段時間的散熱量和產(chǎn)生熱量，且確認了建立用于分析滾動輪胎花紋表面溫度的模型是可行的。輪胎散熱性能測試儀器[60]和仿真結果[58]如圖8所示。

圖8 輪胎散熱性能測試儀器和仿真結果示意

關于胎面花紋散熱性能研究得出的規(guī)律為：（1）花紋溝底表面積增大，胎面花紋散熱能力增強；（2）滾動輪胎在胎肩和胎面部位溫度較高；（3）輪胎溫度在噪聲頻率峰值處最高。

輪胎性能目標并不是獨立的，它們往往耦合在一起并且相互競爭，在不同的使用環(huán)境下目標性能對花紋結構的要求不同，目前的研究大多是針對某一性能進行的，如圖9所示，利用擬合的3D花紋模型，通過多目標優(yōu)化滿足低滾動阻力、抗?jié)窕徒翟氲饶繕?。實現(xiàn)輪胎設計的綠色化是協(xié)同提升輪胎性能優(yōu)化的正確方法。因此，綠色輪胎的發(fā)展及其推廣應用顯得尤為重要[61]。

圖9 協(xié)同提升輪胎性能流程

3 存在的問題

經(jīng)過30多年的發(fā)展，輪胎分析理論及技術方法已逐漸成熟，并已與實際生產(chǎn)相聯(lián)系，綜合來看，現(xiàn)有輪胎花紋設計和輪胎性能分析主要存在以下問題。

（1）花紋設計?；y參數(shù)化設計較為粗糙，實際生產(chǎn)輪胎花紋往往與設計不完全一樣，導致輪胎理論分析與實際應用存在一定的差異，且當花紋設計方案確定后，如何使花紋與光面輪胎更好地結合仍存在問題。

（2）輪胎花紋模具設計。一般需反求出輪胎模具花紋，設計出模具后，再通過鑄造的方法批量生產(chǎn)。輪胎模具制作及花紋刻制需要人工參與，如果在設計好輪胎花紋后，通過參數(shù)化等方法直接反求出輪胎模具花紋交付生產(chǎn)，可節(jié)省大量人力。但至今為止輪胎模具方面的研究仍顯不足。

（3）協(xié)同提升輪胎性能。輪胎性能之間存在矛盾，現(xiàn)有的花紋并不能使輪胎同時擁有多種優(yōu)良性能，因此，需要更多地研究如何改善花紋及輪胎結構，以達到協(xié)同提升輪胎各種性能的目的。

（4）花紋設計在航空輪胎上的應用。航空輪胎在航天航空中起著十分重要的作用，在飛機起飛及降落過程中，航空輪胎要求具有良好的耐磨、耐熱及承載性能等。因此，未來應將漸已成熟的輪胎技術更多地應用在航空輪胎上。

4 展望

花紋作為輪胎的重要組成部分，具有多樣性及形狀特殊性，對噪聲、振動及滑水等各種輪胎性能都具有十分重要的影響。今后的研究應在以下方面展開。

（1）花紋設計?；y逆向設計中逆向工程較為繁瑣，還存在改進空間。未來鼠標等輔助設備逐漸退出人們的視野，取而代之的是手繪生成花紋或是更為智能的人腦思維的花紋直接生成方式。通過手繪花紋圖案和設定個別參數(shù)，形成三維花紋溝，這種手繪花紋的方法需要人工智能的快速發(fā)展，但科技日新月異，手繪花紋也將逐漸實現(xiàn)。

（2）協(xié)同提升輪胎性能。這一直是所有輪胎公司要重點攻克的問題，其與輪胎花紋設計有著密不可分的聯(lián)系。縱向花紋溝的數(shù)量、深度和寬度及溝壁角度等都是影響輪胎性能的主要參數(shù)，可以通過綜合分析多種參數(shù)的影響，借助大數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化處理方法及數(shù)學統(tǒng)計分析理論，進一步尋求更為合適的輪胎參數(shù)。

（3）突破輪胎研究的局限性。目前輪胎研究主要集中在輪胎的材料、結構和花紋等方向上，然而模具等也對輪胎的使用性能起重要作用。其次，研究對象主要為轎車輪胎和載重輪胎，而航空輪胎性能的要求更為苛刻，其設計及分析也應受到重視。

（4）輪胎花紋接地印痕。通過圖像識別技術研究輪胎花紋接地印痕，可獲得輪胎花紋結構特征。在車輛事故處理中通過分析接地印痕特征可以識別車輛超速及輪胎過度磨損等具體原因。因此，可在公安系統(tǒng)網(wǎng)絡里構建輪胎花紋大數(shù)據(jù)，通過分析接地印痕等，快速發(fā)現(xiàn)肇事逃逸事故責任人，還可通過分析接地印痕花紋特征，辨別花紋疲勞破裂引起的問題，避免進一步事故的發(fā)生。

（5）防爆輪胎的花紋設計。寶馬和奔馳等品牌汽車大多采用防爆輪胎以提高其整體安全性，然而由于防爆輪胎主要是加強胎側和鋼絲圈等的剛性，在一定程度上減弱了輪胎的噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）性能，降低了輪胎的舒適性。為在保證防爆輪胎安全性能的基礎上加強舒適性，在花紋設計上進行改進不失為一種好方法。