電動汽車用115/70R16轎車子午線輪胎的設(shè)計(jì)

郜憲杰，陳 華，高 科，鄭聞運(yùn)

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

電動化已經(jīng)逐漸成為汽車行業(yè)的全球發(fā)展趨勢，且得到了各國政府的大力支持。我國大力倡導(dǎo)布局新能源汽車的發(fā)展，電動汽車行業(yè)在國家新能源政策及市場的雙重支持下，新興汽車企業(yè)紛紛成立，我國已成為全球最大的電動汽車市場，同時(shí)車企對輪胎的需求也從常用規(guī)格向特定規(guī)格轉(zhuǎn)變，以滿足輕量化、節(jié)能和降低成本的要求[1-2]。

根據(jù)某車企對車輛設(shè)計(jì)的要求，我公司確定其開發(fā)電動汽車車型所需輪胎的基本尺寸后，按照相關(guān)輪胎設(shè)計(jì)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定具體的輪胎規(guī)格型號，將輪胎規(guī)格進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再開發(fā)出符合車企所需的產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的配套，促進(jìn)雙方的共同發(fā)展?，F(xiàn)將電動汽車用115/70R16轎車子午線輪胎的設(shè)計(jì)情況簡介如下。

1 技術(shù)要求

電動汽車輪胎在我國屬新興產(chǎn)品，目前國內(nèi)外沒有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)收錄，本次設(shè)計(jì)參考轎車子午線輪胎設(shè)計(jì)手冊開展，確定電動汽車用115/70R16轎車子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：測量輪輞3 1/2J×16，充氣外直徑（D′） 568（563～573）mm，充氣斷面寬（B′） 118（113～123） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 250 kPa，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 265 kg，速度級別Q。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

根據(jù)電動汽車的特點(diǎn)，其使用狀況及車輛設(shè)計(jì)與普通轎車基本一致，差異主要在能源系統(tǒng)，故采用半鋼子午線轎車輪胎理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，胎面冠部采用有角度的鋼絲帶束層，確保周向在帶束層箍緊作用下伸張較小，D在輪胎充氣后基本不變或增大2～3 mm。根據(jù)之前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，外直徑膨脹率（D′/D）取值范圍為1.000～1.010。本次設(shè)計(jì)D′/D取1.007 1，D取564 mm。

根據(jù)其他規(guī)格輪胎的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不同高寬比子午線輪胎斷面寬影響因素較多，斷面寬膨脹率（B′/B）依靠多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)取值，通常B′/B取值范圍為1.001～1.035，結(jié)合胎體簾線采用普通聚酯簾線及胎圈著合寬度（C）取值，本次設(shè)計(jì)B′/B為0.907 7，B取130 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

與輪胎使用性能直接相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)b和h是決定胎面行駛面弧度的主要參數(shù)。為保證輪胎較大的接地面積，本次設(shè)計(jì)合理增大b。h的大小將影響輪胎的耐磨性能和制動性能，在一定程度上減小h可以明顯提高輪胎性能。b/B和h/H（斷面高）一般分別取0.70～0.85和0.03～0.05，根據(jù)設(shè)計(jì)輪胎的使用性能要求，本次設(shè)計(jì)b/B取0.707 7，h/H取0.050 1，b取92 mm，H取79.85 mm，h取4.0 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和C

d的取值會對輪胎裝卸難易程度以及胎圈與輪輞緊密配合的程度產(chǎn)生影響。一般無內(nèi)胎轎車子午線輪胎d取值與輪輞直徑相同或小0.5～2.0 mm。輪輞標(biāo)定直徑為405.6 mm，本次設(shè)計(jì)d略小于輪輞標(biāo)定直徑，d取404.3 mm，胎圈角度為雙角度設(shè)計(jì)。

選取轎車子午線輪胎的C值時(shí)應(yīng)充分考慮斷面水平軸的偏移、胎側(cè)的剛性變化以及輪胎的使用因素，一般會根據(jù)輪胎的高寬比選取C值，本次設(shè)計(jì)C取114 mm，即C采用增大25.4 mm（1英寸）設(shè)計(jì)。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸通常是子午線輪胎胎體最薄、變形最大的部位，也是輪胎充氣和法向負(fù)荷下變形最大位置。一般H1/H2取值范圍為0.9～1.2，本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.971 6。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋與輪胎燃油經(jīng)濟(jì)性、耐磨性能、噪聲、行駛安全性、地面附著性、操縱穩(wěn)定性等直接相關(guān)，合理選取花紋類型極為重要[3-7]。轎車子午線輪胎一般采用以縱向花紋溝為主，橫向花紋溝為輔的變節(jié)距混合花紋，在考慮其安全性和舒適性的前提下，電動轎車輪胎還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注滾動阻力性能。在分析產(chǎn)品花紋性能的基礎(chǔ)上，本次設(shè)計(jì)胎面花紋采用5個(gè)節(jié)距排列形式，設(shè)計(jì)花紋深度為5.5 mm，花紋飽和度為71.48%，花紋周節(jié)數(shù)為62。

胎面花紋展開示意見圖2。

圖2 胎面花紋展開示意

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面和胎側(cè)

胎面采用三方四塊結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮各部位膠料的性能。為進(jìn)一步降低輪胎的滾動阻力，胎面膠采用含有白炭黑的低滾動阻力膠料，胎面的擠出設(shè)備采用釘銷式冷喂料多復(fù)合擠出機(jī)生產(chǎn)線。胎側(cè)膠采用耐屈撓和耐老化性能良好的膠料。

3.2 帶束層

根據(jù)電動轎車子午線輪胎的使用要求，為有效提升帶束層的緊箍力及帶束層與胎面膠的附著力，從而提高輪胎的抗刺扎性能和行駛穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)采用2層鋼絲帶束層加1層冠帶層的結(jié)構(gòu)。帶束層采用2×0.30ST鋼絲簾線，帶束層寬度與行駛面寬度的比值為1.087 0，鋼絲簾布裁斷角度為26°。冠帶層采用930dtex/2-94錦綸簾線。

3.3 胎體

我公司現(xiàn)在高性能輪胎采用人造絲簾線，普通轎車輪胎的生產(chǎn)主要使用聚酯和錦綸兩種浸膠簾布。高模量低收縮聚酯（DSP）浸膠簾布具有干熱收縮率低、模量高、尺寸穩(wěn)定性和耐疲勞性能好、強(qiáng)力適中、價(jià)格低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于轎車子午線輪胎。根據(jù)我公司情況，本次設(shè)計(jì)胎體采用1100dtex/2DSP聚酯浸膠簾布。

3.4 胎圈

鋼絲圈采用直徑為1.3 mm的胎圈鋼絲，排列方式為3-4-3，根據(jù)設(shè)計(jì)確定繞盤直徑為409.10 mm。

3.5 成型

采用Y13/18和LCE13/18全自動半鋼子午線輪胎二次法成型機(jī)成型。一般胎里直徑與成型一段鼓直徑的比值范圍為1.25～1.55，綜合考慮各方面因素，本次設(shè)計(jì)成型鼓直徑取438 mm，一段成型鼓寬度根據(jù)簾線的伸張和胎里曲線長度進(jìn)行確定，聚酯簾線的假定伸張值一般為1.03～1.05，本次設(shè)計(jì)確定成型鼓寬度為207 mm。

子午線輪胎箍緊系數(shù)與二段帶束貼合鼓直徑有直接相關(guān)性。由于硫化選用兩半或活絡(luò)硫化模具的不同，帶束層簾布筒直徑到成品輪胎帶束層直徑的膨脹率選取不同，理論上膨脹率應(yīng)為1%左右，原則上應(yīng)在3%以下。該產(chǎn)品采用活絡(luò)模硫化，膨脹率確定為2.9%。

二段定型寬度的拉直位應(yīng)為一段成型鼓寬度的±10 mm范圍內(nèi)，定型位取一段成型鼓寬度的60%～85%，該數(shù)值應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場狀況最終確定。

3.6 硫化

硫化采用LLY-B1220×1800×2型輪胎定型硫化機(jī)，硫化后進(jìn)行雙工位后充氣冷卻。胎坯采用內(nèi)噴涂并保持表面清潔。硫化條件如下：外部蒸汽壓力 0.98 MPa，外溫 183 ℃，內(nèi)部蒸汽壓力 1.65 MPa，內(nèi)溫 205 ℃，總硫化時(shí)間 10.3 min。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎的外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進(jìn)行測量。結(jié)果表明，采用標(biāo)準(zhǔn)測試輪輞，在充氣壓力為180 kPa下，輪胎的D′和B′分別為567和118 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

按照GB/T 4502—2016《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行輪胎強(qiáng)度性能測試。試驗(yàn)條件為：充氣壓力 180 kPa，壓頭直徑 19 mm，壓頭速度（50±2） mm·min-1。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓頭觸及輪輞未壓穿，第5點(diǎn)輪胎破壞能為333 J，滿足設(shè)計(jì)和國家標(biāo)準(zhǔn)（≥222 J）要求。

4.3 脫圈阻力

輪胎脫圈阻力按照GB/T 4502—2016測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 180 kPa，壓塊水平距離292 mm，壓頭速度 （50±2） mm·min-1。試驗(yàn)結(jié)果表明，第5點(diǎn)輪胎脫圈阻力為9 006 N，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)（≥6 670 N）和設(shè)計(jì)要求。

4.4 耐久性能

輪胎耐久性能按照GB/T 4502—2016測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 180 kPa，額定負(fù)荷 265 kg，試驗(yàn)速度 120 km·h-1，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定程序行駛34 h后，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，每10 h負(fù)荷率增大10%，負(fù)荷率達(dá)到150%后不再增大負(fù)荷，直至輪胎損壞或累計(jì)行駛時(shí)間達(dá)到120 h為止。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎完好，輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為120 h，耐久性能良好，符合國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 低氣壓性能

輪胎低氣壓性能按照GB/T 4502—2016測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 180 kPa，額定負(fù)荷 265 kg，試驗(yàn)速度 120 km·h-1，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定程序行駛34 h后，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整充氣壓力至140 kPa繼續(xù)行駛1.5 h后，負(fù)荷率保持100%，直至輪胎損壞或累計(jì)行駛時(shí)間達(dá)到100 h為止。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎完好，輪胎累計(jì)行駛時(shí)間為100 h，輪胎低氣壓性能良好，符合國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.6 高速性能

輪胎高速性能按照GB/T 4502—2016測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 260 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷 212 kg，試驗(yàn)起始速度 120 km·h-1，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求后，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，每行駛10 min試驗(yàn)速度增大10 km·h-1，直至輪胎累計(jì)行駛時(shí)間達(dá)到120 min或輪胎損壞為止。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎胎體完好，輪胎最高行駛速度為220 km·h-1，累計(jì)行駛時(shí)間為120 min，輪胎高速性能良好，符合國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.7 滾動阻力

輪胎滾動阻力按照GB/T 18861—2012《汽車輪胎和摩托車輪胎滾動阻力試驗(yàn)方法 多點(diǎn)試驗(yàn)》測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 210 kPa，試 驗(yàn) 負(fù) 荷 2 078 kN，試 驗(yàn) 速 度 50，90，120 km·h-1。成品輪胎滾動阻力系數(shù)平均值為8.7 N·kN-1，符合電動汽車企業(yè)的指標(biāo)要求。

4.8 滾動半徑

用MTS Flat-Trac CT Ⅲ型六分力測試設(shè)備按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ZCR A05102進(jìn)行成品輪胎滾動半徑測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 200 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷 265 kg，試驗(yàn)速度 60 km·h-1。試驗(yàn)結(jié)果表明輪胎滾動半徑為276.4 mm。

4.9 剛性

輪胎剛性按照GB/T 23663—2009《汽車輪胎縱向和橫向剛性試驗(yàn)方法》測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 250 kPa，額定負(fù)荷 265 kg，徑向加載速度 （50±2.5） mm·min-1，試驗(yàn)平臺移動速度（30～50） mm·min-1，試驗(yàn)結(jié)果見圖3和4。

從圖3和4可以看出，輪胎剛性性能良好。

圖3 輪胎徑向負(fù)荷-位移曲線

圖4 輪胎橫向力-位移曲線

4.10 靜態(tài)接地壓力分布

輪胎靜態(tài)接地壓力分布按照GB/T 22038—2008《汽車輪胎靜態(tài)接地壓力分布試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試，試驗(yàn)條件為：充氣壓力 180 kPa，試驗(yàn)負(fù)荷265 kg。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可知，輪胎靜態(tài)接地壓力分布均勻。

圖5 輪胎靜態(tài)接地壓力分布示意

4.11 胎圈壓力

胎圈壓力采用HOFMANN WKM-B4設(shè)備按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ZCR A05102進(jìn)行測試，測量輪輞直徑額定值（d′）為404.27 mm，選擇（d′－0.29）和（d′＋0.38） mm兩個(gè)點(diǎn)，輪輞半徑膨脹速度為5～20 mm·min-1。結(jié)果表明，（d′－0.29）和（d′＋0.38） mm處的胎圈壓力分別為2.12和2.56 kN，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

電動汽車用115/70R16轎車子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、脫圈阻力、胎圈壓力、耐久性能、低氣壓性能和高速性能均符合相應(yīng)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)要求，滾動阻力符合電動汽車企業(yè)的指標(biāo)要求，剛性良好，靜態(tài)接地壓力分布均勻。該產(chǎn)品已經(jīng)通過國家強(qiáng)制性檢驗(yàn)，并通過了歐洲輪胎型式認(rèn)證法規(guī)ECE R117測試，已經(jīng)取得E4-117R-027457 S2WR2證書。該規(guī)格輪胎已被納入企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，將在國家標(biāo)準(zhǔn)轎車輪胎標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)進(jìn)行推薦納入國家標(biāo)準(zhǔn)。