仿生防滑輪胎花紋的設(shè)計(jì)

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(yùn)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(duì)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(jì)方面的研究并不多見，因此，研究一種基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)的防滑輪胎對(duì)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(jì)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(duì)本文所設(shè)計(jì)的花紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行防滑性能的測試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，貓掌的趾墊和掌墊之間間隔的仿生設(shè)計(jì)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(duì)輪胎的防滑性能將會(huì)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(duì)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(shí)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(shí)，會(huì)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(duì)于增強(qiáng)輪胎與路面的作用力對(duì)車輛安全來說非常重要。事實(shí)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(duì)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(duì)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(yùn)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(duì)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(jì)方面的研究并不多見，因此，研究一種基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)的防滑輪胎對(duì)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(duì)輪胎性能的影響

當(dāng)車輛行駛時(shí)，輪胎往往會(huì)在其胎面花紋中夾住石頭，這可能會(huì)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(dòng)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(duì)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(gè)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(dòng)條件（自由滾動(dòng)、加速和制動(dòng)）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(dòng)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(píng)價(jià)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(dòng)阻力系數(shù)與干制動(dòng)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(duì)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(yàn)。在考慮胎面花紋溝結(jié)構(gòu)和滑移角的影響時(shí)，滑動(dòng)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(jì)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(shí)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究了三種不同花紋的輪胎在負(fù)載下的空氣動(dòng)力學(xué)特性，分析了壓力和流動(dòng)特性。該研究為低氣動(dòng)阻力輪胎的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，并有助于說明未來輪胎空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)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(jì)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(shí)驗(yàn)室制備的均勻冰進(jìn)行摩擦測試來評(píng)估汽車輪胎的制動(dòng)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(dòng)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(diǎn)云轉(zhuǎn)換為3D CAD模型，Dong Y[12]在提取的花紋設(shè)計(jì)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(shí)例展示了該系統(tǒng)在輪胎花紋逆向建模中的實(shí)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(huì)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(diǎn)。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(gè)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(gè)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)。仿生防滑花紋塊4處，對(duì)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(jì)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(jì)的仿生防滑花紋，編號(hào)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(jì)的仿生防滑花紋，編號(hào)為“仿生花紋2”如圖5（c）、（d）所示;同時(shí)為了對(duì)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(hào)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(jì)的仿生防滑花紋，編號(hào)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(duì)濕度為32.7%，土壤堅(jiān)實(shí)度如表4所示。

處理獲得的試驗(yàn)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(shí)最大靜摩擦力大36.4%，在正壓力為50N時(shí)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(duì)比，在正壓力為25N和50N時(shí)，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(jì)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(jì)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)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(jí)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