2024年5月30日发(作者：)
低滚阻低噪音仿生轮胎开发与应用
徐晓翠 向春东 李贞延 张俊伟 罗建刚 唐德全
四川海大橡胶集团有限公司
摘 要：
介绍仿生轮胎的设计。轮廓优化和结构设计时，利用3D激光扫描仪和
Geomagic Control后处理软件，逆向拓扑用于拟合优化轮廓设计，花纹形
状模仿兰科植物叶片形状，采用变节距设计。施工和硫化工艺设计：胎
面采用耐磨低滚阻配方，采用2层钢丝带束层和1层尼龙冠带条的结构，
胎体采用1层或2层聚酯帘布，一次法成型用反包结构，硫化采用双模液
压硫化机。仿生轮胎轮廓曲线和花纹设计合理，台架试验满足国家标准
及设计要求，压力分布均匀，产品取得了欧盟标签法二阶段认证。
关键词：
仿生轮胎；操控性能；防滑性能；轮廓优化设计；花纹设计
仿生原理是人类在制造技术方面模仿动
（2）轮胎功能仿生
物和植物的某些结构部位与功能，将生物学
其是将生物的功能应用到轮胎产品设计
应用于人类制造技术上，从而为解决人类制
中，而研究生物的足部功能已成为主流。大
造技术难题提供帮助与借鉴。
陆公司对豹子爪部和猫的前爪垫功能进行了
仿生轮胎是将不同环境下生存的动植物
研究，韩泰公司将北极熊脚趾形状应用到冬
特性和运动机理的研究成果应用于轮胎设计
季轮胎花纹设计中，均能说明轮胎功能仿生
思想及工作原理而研发的轮胎。近年来，仿
的实用性。
生学在轮胎设计中主要集中在结构仿生和功
轮胎设计“魔鬼三角”理论指出轮胎抓
能仿生两个方面。
地性和磨耗性能间的固有矛盾，并与滚动阻
（1）轮胎结构仿生
力相互制约。为了实现各项性能的平衡和提
其是将生物结构的整体或部分运用到轮
升，国内外轮胎企业做了大量研究。而仿生
胎的外观设计上，从外形上即与生物结构产
学设计在轮胎中的应用也取得了很大的突破，
生关联性。固铂轮胎和大陆轮胎在结构仿生
可以作为轮胎设计和性能优化的新方法。
方面早已有类似设计的应用实例。
本仿生轮胎设计是根据仿生学原理模拟
作者简介
徐晓翠（1987-），女，四川内江人。四川海大橡胶集团有限公司产品设计师，工程师，主要从事轮胎新
产品研发，配套主机厂技术支持等工作。
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中国
橡胶
APPLIED TECHNOLOGY
应
用
技
术
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应
用
技
术
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植物叶片易排水和破水膜的特点，将普通轮
胎的被动排水变革为制动时的“主动破坏水
膜”，使其产生比现有轮胎更合理的制动应
力，明显缩短车辆制动距离并保证车辆在湿
滑路面上的操控性能。利用3D激光扫描仪确
定标杆轮胎轮廓曲线，逆向拟合轮廓设计。
利用有限元分析，并结合刚度及压力毯等实
验结果，以期实现各项性能的平衡和提升。
纹形式模仿双子叶兰科植物墨兰的叶片形
状，将普通轮胎的被动排水变革为制动时的
“主动破坏水膜”，从而明显提高车辆在湿滑
路面的操控性能；中间连续的纵向花纹块设
计，增加了花纹块的整体刚性，具有高纵向
硬度，行驶和制动时能减少花纹块变形，提
供优秀的刹车性能，并有效降低滚动阻力；
外侧肩部采用大花纹块设计，当车辆高速变
道或过弯时，确保车辆的操控安全性；内侧
的胎肩加强筋设计，能增加花纹块的刚性，
确保轮胎具有更好的操控性能。花纹排列采
1.轮廓优化和结构设计
在进行广泛市场调查研究的基础上，根
据社会需求和市场的需要，结合公司现有
产品，重点面向北美市场，同时兼顾配套和
替换市场，从项目起始时间开始着手对低滚
阻低噪音仿生轮胎205/55R16、215/55R18、
235/45ZR18、235/50R19、255/55R20等20
多个规格品种进行研制。
利用HSCAN771型手持式3D激光扫描
仪对轮胎进行非接触式扫描，将扫描结果导
入后处理软件Geomagic Control中进行处理，
获得所需轮廓的点云数据。处理过程见图1，
对比标杆轮胎和现有产品的轮廓曲线见图2，
同时结合现有设计轮廓，逆向拟合轮廓曲
线，优化轮廓曲线设计。
优化应用RCOT理论进行轮胎内、外轮
廓曲线设计，运用有限元分析法实施量化分
析与设计，实现了轮胎动态下变形的最合理
化，提高了轮胎的高速安全性及操控性。采
用多曲率行驶面设计，与轮胎花纹良好结
合，在保证轮胎高抓着力的条件下有效降低
了噪音。利用有限元分析和边界元方法对轮
胎结构建立精确的数学模型，对轮胎轮廓曲
线对应的应力分布情况进行计算机模拟分
析，并加以改进，见图3。
2.胎面花纹
胎面花纹直接影响轮胎的牵引制动性
能、耐磨性能、滚动阻力、噪声和抗湿滑性
能等。本次设计仿生轮胎为UHP轮胎，对
轮胎的高速转弯、抓地力、制动力和操控安
全等性能要求较高。采用新开发的HD937花
纹，周向4条主沟设计保证了排水性能；花
1.台架试验
外缘尺寸按GB/T 521-2012《轮胎外缘
尺寸测量方法》测试。高速性能、强度性能、
用变节距设计，根据Varterasian轮胎节距排
列理论研究报告，利用计算机模拟测算出最
优节距排列方案，以减少轮胎噪音。胎面花
纹三维效果见图4。
3.施工和硫化工艺设计
胎面是由胎面胶、基部胶和两侧翼胶三
部分分层挤出复合而成。胎面胶采用耐磨性
好、滚动阻力低的专用配方胶料。为预防胎
冠和胎肩部位生热过快，出现冠空和肩空等
缺陷，基部胶采用与胎面胶粘合性好的低生
热配方胶料。翼胶作为胎面和胎侧的过渡部
位，采用与胎侧胶料相近的配方，以增加两
者间的粘合性。
为满足高速度级别要求，采用2层钢丝
带束层和1层尼龙冠带条的结构。带束层采
用2层3×0.30HT-8钢丝帘线，冠带条采用
930dtex/2-94改性尼龙。结合轮胎适配车型
和使用路况等因素，胎体的安全倍数≥10，
胎体采用1层或2层聚酯帘布，一次法成型
用反包结构。胎侧是由大胎侧和子口两部分
挤出复合而成，大胎侧的胶料与胎面翼胶的
配方相近，而子口胶料则采用耐磨性好的配
方。钢丝圈采用φ1.30mm回火钢丝。成型
采用一次法成型机。硫化采用双模液压硫化
机，硫化模具采用活络模，硫化方式为高温
充氮硫化。
一、轮胎设计
二、成品性能
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a）现有轮胎拓扑b）建立参照平面
c）坐标轴全局对齐
d）轮胎点云集e）获取截面点云
f）生成处理报告
图1 轮廓点云获取（后处理过程）
胎圈阻力、耐久及低气压耐久性能按GB/T 加载，并结合TCR8540压力毯试验设备
4502-2016《轿车轮胎性能室内试验方法》
进行试验，见图5。接地压力分布按GB/T
测试。
22038-2008《汽车轮胎静态接地压力分布试
2.接地压力分布
验方法》测试，将测试轮胎充入规定的气
为验证轮廓曲线设计的合理性，利用压，在18℃～36℃的室温下停放24小时以
UP-2092静态加载试验机对待测轮胎进行
上，在胎侧标出的试验点处进行测试。以
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应
用
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3.滚动阻力、抗湿滑性能、噪声
将样胎外送委托认证测试，滚动阻力
按ISO 28580:2009进行测试，测试结果部
分达到欧盟标签法B级要求，大部分规格
为C级；抗湿滑性能按实车法计算，试验轮
胎湿路面相对抓着性能指数235/45ZR18为
1.415，达到欧盟标签法B级要求；噪声测
试结果为72dB。本产品取得了欧盟标签法
图4 胎面花纹三维效果图
a）225/60R18规格对比
应
用
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术
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二阶段认证。
图2 轮廓点云曲线对比
三、结论
b）225/55R19规格对比
1.经过逆向拟合和有限元分析，设计的
仿生轮胎轮廓曲线和花纹设计合理，台架试
验满足国家标准及设计要求，压力分布均匀
合理。
2.该产品技术指标达到国内领先水平，
部分指标达到国际同类指标先进水平，抗湿
滑性能、滚动阻力达到欧盟标签法B级，噪
声测试结果为72dB，产品取得了欧盟标签
法二阶段认证。
a）现有产品与仿生轮胎应力分布对比
3.产品自进入市场以来，各项性能表
现优异，获得了海外及配套等各方客户的认
可，创造了良好的经济效益，也为仿生轮胎
在实际生产中得到更广泛的应用，起到了很
好的效果。
图5 静态加载下压力毯试验
b）现有产品与仿生轮胎模拟接地压力分布对比
图3 有限元分析对比
225/60R18为例，得到现有轮胎、标杆轮胎
与仿生轮胎的压力毯实验结果，见图6。从
压力毯实验结果可看出，现有轮胎的肩部压
力较大，肩部磨损异常；标杆轮胎五区的压
力分布较均匀，花纹形式考虑到操控性、防
滑排水性和干地制动性能等因素，压力分布
会出现局部不均匀的情况；仿生轮胎借鉴标
a）现有轮胎b）标杆轮胎
杆轮胎轮廓曲线的合理性，在充分考虑排水
性能的基础上合理分布花纹形式，从仿生轮
胎的压力毯结果来看，印痕形状合理，五区
压力分布较均匀，未出现局部压力过大的情
况，肩部压力稍大且长轴长短合适，保证了
轮胎的转弯操控性能，同时也侧面证明了轮
廓曲线和花纹设计的合理性。
c）仿生轮胎
图6 压力毯实验结果
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3.滚动阻力、抗湿滑性能、噪声
将样胎外送委托认证测试，滚动阻力
按ISO 28580:2009进行测试，测试结果部
分达到欧盟标签法B级要求，大部分规格
为C级；抗湿滑性能按实车法计算，试验轮
胎湿路面相对抓着性能指数235/45ZR18为
1.415，达到欧盟标签法B级要求；噪声测
试结果为72dB。本产品取得了欧盟标签法
图4 胎面花纹三维效果图
二阶段认证。
三、结论
1.经过逆向拟合和有限元分析，设计的
仿生轮胎轮廓曲线和花纹设计合理，台架试
验满足国家标准及设计要求，压力分布均匀
合理。
2.该产品技术指标达到国内领先水平，
部分指标达到国际同类指标先进水平，抗湿
滑性能、滚动阻力达到欧盟标签法B级，噪
声测试结果为72dB，产品取得了欧盟标签
法二阶段认证。
3.产品自进入市场以来，各项性能表
现优异，获得了海外及配套等各方客户的认
可，创造了良好的经济效益，也为仿生轮胎
在实际生产中得到更广泛的应用，起到了很
好的效果。
图5 静态加载下压力毯试验
a）现有轮胎b）标杆轮胎c）仿生轮胎
图6 压力毯实验结果
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