205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的設(shè)計(jì)

李慧敏，劉寶濤，張凱凱，王龍慶，孫緒利

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

隨著全球氣候變暖日益嚴(yán)重，低碳化發(fā)展已成為全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略，世界各國(guó)政府積極開(kāi)展節(jié)能減排行動(dòng)，運(yùn)用政策手段推進(jìn)低碳化發(fā)展。在眾多政策加持下，新能源汽車得以在全球范圍內(nèi)推廣，并以燎原之勢(shì)迅速發(fā)展。新能源汽車對(duì)輪胎的設(shè)計(jì)和制造提出了更高要求，包括更低的滾動(dòng)阻力、更高的耐磨性能和承載能力、更強(qiáng)的抗撕裂性能、更靜音舒適等。作為新能源汽車的重要組成部分，新能源汽車專用輪胎的需求量將持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，成為全球輪胎企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新高地。

針對(duì)新能源汽車配套市場(chǎng)現(xiàn)狀，為滿足客戶需求，本工作采用有限元仿真與實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，從輪廓參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件、胎面花紋和胎面配方設(shè)計(jì)等方面介紹205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的設(shè)計(jì)過(guò)程，以積累經(jīng)驗(yàn)，為同類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 新能源汽車的性能特點(diǎn)

1.1 動(dòng)力性能

新能源汽車的動(dòng)力輸出形式和表現(xiàn)與燃油汽車不同。輸出形式方面，新能源汽車不再依靠?jī)?nèi)燃機(jī)輸出，而是以電動(dòng)機(jī)輸出為主[1]。這就導(dǎo)致兩類汽車動(dòng)力表現(xiàn)不同，以車輛的加速過(guò)程為例，傳統(tǒng)燃油汽車的加速過(guò)程存在擋位切換，擋位越高車輪端的扭矩越小；而新能源汽車從起步到極速的整個(gè)加速過(guò)程均以電動(dòng)機(jī)的峰值輸出，扭矩大，為線性加速，無(wú)擋位沖擊，加速體驗(yàn)感更佳。但由于汽車必須通過(guò)輪胎與路面的接觸來(lái)獲得足夠的牽引力以克服行駛阻力，新能源汽車的大扭矩輸出對(duì)輪胎的力學(xué)性能要求很高，同時(shí)對(duì)輪胎的抗撕裂性能和耐磨性能有較大的挑戰(zhàn)。

1.2 續(xù)航能力

新能源汽車充電時(shí)間長(zhǎng)，充電便利性差，因此續(xù)航里程成為制約新能源汽車發(fā)展的重要因素。續(xù)航能力與電池技術(shù)有關(guān)系，與輪胎滾動(dòng)阻力也密切相關(guān)。試驗(yàn)表明，汽車動(dòng)力輸出功率的30%～40%消耗于輪胎滾動(dòng)阻力，因此，降低輪胎滾動(dòng)阻力是提升新能源汽車?yán)m(xù)航能力的有效手段。

1.3 承載能力

新能源汽車雖然沒(méi)有了內(nèi)燃機(jī)，但其使用的電池組質(zhì)量較大，盡管汽車制造商不斷致力于高續(xù)航輕質(zhì)電池組的研發(fā)，但短期內(nèi)并未有很大進(jìn)展，新能源汽車整體質(zhì)量比傳統(tǒng)燃油汽車大10%～15%，這一方面限制了車輛的承載能力，另一方面對(duì)輪胎的承載能力也提出了嚴(yán)苛的要求。

1.4 靜音舒適性

傳統(tǒng)燃油汽車的三大噪聲為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、胎噪和風(fēng)噪。相比于傳統(tǒng)燃油汽車，新能源汽車沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲掩蓋，因此胎噪更明顯，需要對(duì)輪胎進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)才能保證車內(nèi)靜音感受。

2 新能源輪胎的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.1 技術(shù)要求

根據(jù)《中國(guó)輪胎輪輞氣門嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒（2018）》，并結(jié)合《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)（2018）》，確定205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：充氣外直徑（D′）625～639 mm，充氣斷面寬（B′） 205～221 mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 250 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 615 kg，標(biāo)準(zhǔn)輪輞 6.5J。

輪胎室內(nèi)性能目標(biāo)要求：高速性能試驗(yàn)通過(guò)速度≥240 km·h-1，耐久性試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間≥34 h，強(qiáng)度性能試驗(yàn)最小破壞能≥295 J，脫圈阻力≥11 120 N，滾動(dòng)阻力系數(shù)≤6.5 N·kN-1。

輪胎室外實(shí)車性能要求使用新能源汽車進(jìn)行測(cè)試，舒適性及操縱穩(wěn)定性相比于現(xiàn)有普通輪胎明顯提升。

2.2 輪胎力學(xué)性能

輪胎力學(xué)性能對(duì)整車性能表現(xiàn)有很大影響，輪胎的側(cè)偏特性是指輪胎側(cè)向力、回正力矩與側(cè)偏角之間復(fù)雜的相關(guān)性，是輪胎重要的力學(xué)特性。輪胎側(cè)偏剛度越大，側(cè)偏角越小，轉(zhuǎn)向響應(yīng)越好。側(cè)偏剛度還直接對(duì)車輛的不足轉(zhuǎn)向度產(chǎn)生影響。可以通過(guò)調(diào)整側(cè)偏剛度，調(diào)整輪胎的轉(zhuǎn)向響應(yīng)；通過(guò)調(diào)整前后軸負(fù)荷下側(cè)向力隨側(cè)偏角的變化調(diào)整輪胎對(duì)車輛不足轉(zhuǎn)向的貢獻(xiàn)度[2]。通過(guò)考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的側(cè)向力變化調(diào)整輪胎轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

輪胎側(cè)偏特性的設(shè)計(jì)主要從胎面配方、輪廓設(shè)計(jì)、花紋側(cè)向剛度設(shè)計(jì)以及胎冠、胎側(cè)、胎圈部位剛性的平衡設(shè)計(jì)等方面綜合考慮。結(jié)合新能源汽車的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，扭矩輸出快速且直接，需要輪胎與地面迅速建立抓著力，故側(cè)偏剛度需要比普通輪胎有大幅提升。

2.3 低滾動(dòng)阻力設(shè)計(jì)

馬改陵等[3]通過(guò)有限元仿真對(duì)滾動(dòng)輪胎各部件的能量分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，胎面、胎圈、三角膠、帶束層、內(nèi)襯層、胎側(cè)、胎體和基部膠對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)率分別為39%，14%，13%，8%，8%，7%，6%和5%，其中胎面對(duì)滾動(dòng)阻力貢獻(xiàn)率最大，因此降低輪胎滾動(dòng)阻力主要是針對(duì)胎面部位。本工作涉及的新能源汽車輪胎滾動(dòng)阻力降低主要從低滾動(dòng)阻力胎面膠配方考慮，配合其他減小質(zhì)量及降低滾動(dòng)阻力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪廓設(shè)計(jì)對(duì)輪胎整體性能起到關(guān)鍵性作用，其設(shè)計(jì)參數(shù)的選取直接影響到硫化后輪胎的外緣尺寸、滾動(dòng)阻力、操縱性能和耐磨性能等。因獨(dú)特的性能要求，新能源汽車輪胎的輪廓設(shè)計(jì)與普通輪胎的輪廓設(shè)計(jì)存在差異。

轎車子午線輪胎充氣后輪胎的外直徑膨脹較小，一般為2～4 mm，外直徑（D）取值一般與標(biāo)準(zhǔn)值相等或稍小。本設(shè)計(jì)D取630 mm，比標(biāo)準(zhǔn)值小2 mm。

斷面寬（B）的變化受較多因素的影響，包括輪輞著合寬度、帶束層角度、冠帶層設(shè)計(jì)以及扁平比等，因此B的取值要綜合考慮[4]。本設(shè)計(jì)B取222 mm，斷面寬膨脹率為96.4%。

行駛面寬度（b）和弧度高（h）是決定輪胎胎冠形狀的主要參數(shù), 而胎冠形狀對(duì)胎面的耐磨性能、牽引性、轉(zhuǎn)向性及生熱等性能有直接影響。b的選取應(yīng)考慮輪胎的性能目標(biāo)，只考慮滾動(dòng)阻力時(shí)，一般采用較小的b，本設(shè)計(jì)降低滾動(dòng)阻力目標(biāo)主要從配方考慮，故選取相對(duì)較大的b以兼顧耐磨性能和操縱性能；h/b的取值一般為0.04～0.06，其通過(guò)影響輪胎接地印痕進(jìn)而影響輪胎的操縱性能、安全性能和使用壽命，本設(shè)計(jì)b取170 mm，h取7.8 mm，故h/b為0.046，b/B為0.766。

輪胎與輪輞過(guò)盈配合，同時(shí)胎圈著合直徑（d）的取值應(yīng)滿足輪胎裝卸方便和著合緊密的要求，如果d取值不合適不但通過(guò)影響輪胎的阻尼衰減直接影響舒適性，而且容易造成徑向力及動(dòng)平衡問(wèn)題，進(jìn)而影響乘坐舒適性及滾動(dòng)阻力。綜合以上考慮，本設(shè)計(jì)d取404.2 mm，胎圈著合寬度（C）取185 mm。

斷面水平軸位置（H1/H2）位于斷面最寬處，是輪胎充氣后法向負(fù)荷下變形最大的位置。斷面水平軸位置對(duì)輪胎的應(yīng)力分布影響很大，水平軸偏上，應(yīng)力分布更集中于胎肩，水平軸偏下，應(yīng)力分布更集中于胎圈部位，H1/H2一般取0.8～1.1，本設(shè)計(jì)H1/H2取0.957，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以更好地平衡55系列輪胎胎肩與胎圈的應(yīng)力分布。

為了進(jìn)一步降低滾動(dòng)阻力，優(yōu)化花紋噪聲，提升花紋塊剛度，花紋溝深度相比普通輪胎減小0.5 mm，主溝花紋深度為7.0 mm。輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.4.2 施工設(shè)計(jì)

（1）胎面膠配方。由于輪胎的輪廓設(shè)計(jì)中h/b比值相對(duì)較小，從輪廓方面降低滾動(dòng)阻力的空間不足；輪胎花紋深度減小，不利于排水，對(duì)濕地性能的考慮不足；因此，胎面膠配方需要綜合考慮滾動(dòng)阻力與濕地性能。采用白炭黑與硅烷偶聯(lián)劑并用，增大溶聚丁苯橡膠乙烯基含量，調(diào)整白炭黑填充比例，實(shí)現(xiàn)輪胎性能的平衡[5]。

（2）考慮到新能源汽車輪胎的使用條件，負(fù)荷和充氣壓力都較普通輪胎大，為保證輪胎的承載能力及抗鼓包性能，采用單層胎體高反包結(jié)構(gòu)，反包端點(diǎn)在帶束層下15 mm，保證胎側(cè)部位雙層胎體抗鼓包，且最大限度地輕量化設(shè)計(jì)，保證輪胎滾動(dòng)阻力性能。

（3）冠帶條纏繞方式為冠部單層、肩部雙層結(jié)構(gòu)，肩部雙層纏繞寬度為20 mm，承接胎側(cè)部位雙層胎體結(jié)構(gòu)的較高剛度；胎側(cè)和胎肩剛度高，胎冠部位單層冠帶層，單層胎體，保證有一定的抗壓縮變形能力，可保證沖擊柔和度，并兼顧了舒適性。

（4）帶束層采用2×0.30ST鋼絲簾線，帶束層角度為27°，帶束層角度設(shè)計(jì)對(duì)輪胎的舒適性和操縱性能都有很大影響，增大帶束層角度可減小對(duì)胎體的箍緊作用，減小胎冠總應(yīng)力，有利于輪胎的包容性和隔絕性，但對(duì)輪胎側(cè)偏剛度和回正剛度影響較大[6]，會(huì)降低輪胎的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和直線行駛穩(wěn)定性。

（5）三角膠高度相比于普通輪胎設(shè)計(jì)減小5 mm，有利于降低輪胎滾動(dòng)阻力[7]。

（7）鋼絲圈采用Φ1.295HT低錫回火胎圈鋼絲，排列方式為4-5-4，單根纏繞法生產(chǎn)，胎圈安全倍數(shù)為5.8，可以有效地支撐車輛的載荷。

2.4.3 工藝參數(shù)

（1）成型采用全自動(dòng)半鋼一次法成型機(jī)，冠包側(cè)生產(chǎn)工藝。成型鼓寬度為400 mm，成型鼓周長(zhǎng)為1 215 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）硫化采用1 219.2 mm（48英寸）雙模熱板式硫化機(jī)、氮?dú)舛ㄐ土蚧蚧瘲l件為：高壓蒸汽溫度199～205 ℃，熱板和外殼溫度 170～175 ℃，高壓氮?dú)鈮毫?2.10～2.30 MPa，高壓蒸汽壓力1.5～1.7 MPa，總硫化時(shí)間 12 min。硫化成品輪胎的外觀整潔，無(wú)質(zhì)量缺陷。

3 仿真分析

3.1 輪胎性能

方案確定之前對(duì)普通輪胎及新能源汽車輪胎設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行了有限元仿真，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩設(shè)計(jì)方案輪胎仿真結(jié)果對(duì)比

由表1可見(jiàn)：與普通輪胎相比，新能源汽車輪胎的滾動(dòng)阻力明顯下降，保證了滾動(dòng)阻力的仿真精度；在輪胎工作充氣壓力和負(fù)荷下，輪胎的側(cè)偏剛度提升17%，同時(shí)回正力矩也明顯提升，這對(duì)輪胎的轉(zhuǎn)向響應(yīng)及方向盤力的反饋非常有利。

3.2 接地印痕

新能源汽車輪胎在不同負(fù)荷下的接地印痕形狀及壓力分布仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 新能源汽車輪胎接地印痕仿真結(jié)果

由圖2可見(jiàn)：新能源汽車輪胎接地壓力分布均勻，接地印痕形狀近似橢圓形；隨負(fù)荷增大，接地印痕形狀更趨向于矩形，單位接地壓力增大，但壓力分布均衡，在輪胎多數(shù)使用環(huán)境下，無(wú)局部受力及變形過(guò)大的情況，可以有效地避免輪胎偏磨。

3.3 滾動(dòng)阻力

輪胎滾動(dòng)阻力仿真示意及仿真結(jié)果分別見(jiàn)圖3和表2。

表2 兩設(shè)計(jì)方案輪胎各部位滾動(dòng)阻力占比仿真結(jié)果對(duì)比 %

圖3 輪胎滾動(dòng)阻力仿真示意

由表2可見(jiàn)，新能源汽車輪胎與普通輪胎的滾動(dòng)阻力分布情況相似。

4 新能源汽車輪胎成品性能

4.1 外緣尺寸

安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的成品輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2012進(jìn)行測(cè)試，輪胎的D′和B′分別為632和212 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

輪胎強(qiáng)度性能按照GB/T 4502—2016進(jìn)行測(cè)試，最小破壞能為329.4 J，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（≥295 J）。

4.3 脫圈性能

輪胎脫圈阻力按照GB/T 4502—2016進(jìn)行測(cè)試，脫圈阻力為13 696.5 N，未脫圈，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（≥11 120 N），達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.4 耐久性能

輪胎耐久性能按照GB/T 4502—2016進(jìn)行測(cè)試，采用標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，試驗(yàn)速度為120 km·h-1，第1—3階段試驗(yàn)負(fù)荷分別為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷的85%，90%和100%，行駛34 h后停止試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎未損壞，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 高速性能

輪胎高速性能按照GB/T 4502—2016進(jìn)行測(cè)試，采用標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，按照V速度級(jí)別對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)負(fù)荷率73%進(jìn)行測(cè)試，最高試驗(yàn)速度為240 km·h-1，在最高試驗(yàn)速度下行駛10 min后試驗(yàn)結(jié)束，輪胎未損壞，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（≥240 km·h-1）。

4.6 滾動(dòng)阻力

采用標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和負(fù)荷，測(cè)試新能源汽車輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)為6.12 N·kN-1，相比普通輪胎的7.23 N·kN-1減小1.11 N·kN-1，與有限元仿真結(jié)果一致。

4.7 側(cè)偏性能

輪胎側(cè)偏特性采用美國(guó)MTS動(dòng)態(tài)六分力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。側(cè)向力和回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系曲線分別如圖4和5所示。

圖4 側(cè)向力與側(cè)偏角的關(guān)系曲線

圖5 回正力矩與側(cè)偏角的關(guān)系曲線

由圖4和5可見(jiàn)，新能源汽車輪胎和普通輪胎的側(cè)偏剛度分別為1 480.82和1 252.63 N·（°）-1，回正剛度分別為55.61和47.84 N·m·（°）-1，與有限元仿真結(jié)果接近，且變化趨勢(shì)相同，新能源汽車輪胎的側(cè)偏剛度和回正剛度相比于普通輪胎均有大幅提升，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.8 實(shí)車測(cè)試評(píng)價(jià)

將兩個(gè)設(shè)計(jì)方案輪胎分別安裝在同一臺(tái)某品牌適配新能源汽車上，進(jìn)行實(shí)車主觀測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)車主觀測(cè)試評(píng)分對(duì)比

由表3可以得出如下結(jié)論。

（1）轉(zhuǎn)向性。新能源汽車輪胎中心區(qū)的轉(zhuǎn)向橫擺增益稍弱但中位轉(zhuǎn)向剛度較高，非中心區(qū)的響應(yīng)度較好，整體轉(zhuǎn)向反饋優(yōu)于普通輪胎。

（2）操縱穩(wěn)定性。新能源汽車輪胎抓著力峰值高，前后軸的平衡穩(wěn)定性很好，極限反饋清晰，高速變道穩(wěn)定性很好，操縱穩(wěn)定性優(yōu)于普通輪胎。

（3）舒適性。新能源汽車輪胎觸感適中，隔絕感很好，光滑路面及粗糙路面的振動(dòng)都較少，沖擊不突兀，能量較大但衰減很快，舒適性體驗(yàn)優(yōu)于普通輪胎。

（4）噪聲。新能源汽車輪胎的花紋噪聲、低頻噪聲以及噪聲綜合評(píng)分均略優(yōu)于普通輪胎。

5 結(jié)論

（1）新能源汽車的高扭矩要求輪胎側(cè)偏剛度高，且耐磨、抗撕裂；新能源汽車的續(xù)航能力提升依賴于輪胎的低滾動(dòng)阻力；新能源汽車較大的車質(zhì)量要求輪胎更強(qiáng)的承載能力；新能源汽車無(wú)內(nèi)燃機(jī)噪聲要求輪胎更靜音；普通輪胎很難滿足新能源汽車的使用需求。

（2）從輪胎的輪廓參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件和胎面配方設(shè)計(jì)等方面介紹了205/55R16 91V新能源汽車輪胎的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)有限元仿真，對(duì)輪胎接地印痕、側(cè)偏回正性能、滾動(dòng)阻力等進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，確定設(shè)計(jì)方案可行。

（3）經(jīng)成品輪胎性能測(cè)試，205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、高速性能和耐久性能均達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，滾動(dòng)阻力明顯降低，側(cè)偏剛度增大，實(shí)車測(cè)試舒適性、操縱穩(wěn)定性等均得到大幅提升，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。