基于城市路況電動汽車輪胎的開發(fā)思路

王 君，孫 超，劉 坤

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266555）

在全球能源危機和倡導“碳中和”理念的背景下，隨著國家政策的積極助力和“三電”技術的成熟，近年來電動汽車市場持續(xù)快速發(fā)展，2021年電動汽車銷量已達到340萬輛，預計2030年將突破1 800萬輛。在電動汽車市場擁有量逐年提升和汽車向新能源方向轉型的同時，輪胎也在該領域進行了針對性革新。國外主流輪胎公司已經針對新能源汽車的特點和地域消費者需求，結合高端制造技術，研發(fā)出電動汽車專用的綠色輪胎，代表性的產品有2019年韓泰輪胎有限公司在全球范圍內上市的Kinergy AS EV輪胎和2021年米其林集團開發(fā)的應用于多款電動車型的e聆悅和競馳EV花紋配套輪胎[1-2]。

我公司基于城市路況進行了電動汽車專用綠色輪胎的開發(fā)。現將本產品的主線開發(fā)流程、開發(fā)核心思路以及產品的主要特點介紹如下。

1 新產品目標性能的開發(fā)流程

產品性能開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 產品性能開發(fā)流程

通過產品需求調研，獲知該產品主要應用情景為城市道路速度為100 km?h-1以下的中低速行駛路段。輪胎需各方面性能優(yōu)異，并應注重輪胎的續(xù)駛里程，噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）和平順性。此外，輪胎還須具有良好的基本性能，如操控安全性和承載性能等。參考電動汽車輪胎性能特點和市場反響較好的同類型基準輪胎，確定輪胎性能定位及優(yōu)先順序。

2 產品的設計目標性能

根據在城市路況中電動汽車輪胎的使用特點，對本產品性能需求進行優(yōu)先級排序如表1所示。

表1 輪胎目標性能優(yōu)先級排序

3 目標性能產品的開發(fā)及實現途徑

3.1 滾動阻力

在開發(fā)初期，采用仿真預測技術降低與輪胎結構相關的滾動阻力。外輪廓設計完畢后，利用有限元方法進行分析（見圖2），紅色越深表示肩部受到的應力越大，進而產生的變形越大。因此增大花紋塊剛性或使應力集中部位分散受力，以減小變形和胎面生熱。

圖2 輪胎有限元分析

根據有限元分析結果，結合以下經驗公式：

式中，F為應力，α為變形量，tanδ為損耗因子（表征生熱），V為體積。

滾動阻力的影響因素及影響因子有利變化趨勢分析如下[3-4]。

（1）模具外輪廓。減小斷面寬、行駛面寬度和肩部下沉量以及增大胎面半徑和外直徑。

（2）生熱。采用高分散性改性白炭黑配合硅烷偶聯劑。

（3）體積/質量。減小胎側、胎面等半成品的尺寸（寬度/厚度）。

（4）變形量。減小花紋溝深度和胎側厚度。（5）密煉。保證胎面膠料的動態(tài)熱機械分析（DMA）和60 ℃下的tanδ數值穩(wěn)定性。

（6）擠出/成型?？刂茢D出半成品質量和成型胎坯質量穩(wěn)定性。

產品試制完成后，在室內滾動阻力試驗機上按照ISO 28580：2018中的測試方法進行滾動阻力測試。在需要改善滾動阻力時，綜合其他性能進行適當調整。

3.2 NVH性能

電動汽車在城市道路的行駛環(huán)境如圖3所示。從利于行人和乘車者的角度出發(fā)，車外噪聲過大容易引起行人的反感。由于相對內燃機汽車而言，電動汽車產生的噪聲已經相對較小，適度的輪胎車外噪聲可引起行人對車輛的警覺，有助于保護行人的安全，因此本產品設計之初對花紋產生的噪聲沒有設置過于苛刻的要求。

圖3 電動汽車在城市道路的行駛環(huán)境

在設計前期，利用仿真手段，對節(jié)距排列進行仿真分析，使噪聲能量合理分散在不同的頻率區(qū)間，避免產生過高的峰值噪聲。輪胎的花紋節(jié)距排列及其噪聲仿真結果分別如圖4和5所示。產品開發(fā)后期通過室內噪聲重點考察車內乘客對車內噪聲的感受。

圖4 輪胎的花紋特征及節(jié)距排列

圖5 輪胎花紋節(jié)距噪聲仿真結果

產品設計完畢，通過粗糙轉鼓面上Coastdown測試方法獲取行駛速度由120 km?h-1勻減速至40 km?h-1過程中的Colormap圖形，如圖6所示。

圖6 輪胎結構噪聲Colormap圖形

因此，調整輪胎材料結構和改善輪胎整體剛度成為現有車內噪聲改善的主要方向。

從設計角度分析，強度較大的冠帶材料和較小的帶束層角度對結構噪聲十分重要。厚度較大的胎面溝底膠和內襯層膠容易產生較大的阻尼減震效應，阻礙聲音傳入車內。強度較小的胎體簾布層和帶束層材料，其厚度較小，胎面膠較軟，腔型設計體積較小，對于車內NVH性能均可起到一定程度的改善作用[3-6]。從工藝角度分析，較小的徑向力八次諧波對控制高速狀態(tài)下的車內噪聲較有利。在胎體膨脹安全系數范圍內，適當減小胎坯周長；保持成型加持塊和活絡模塊中心重疊，控制硫化二次定型壓力，可有效降低徑向力八次諧波；降低車輛行駛過程中輪胎在較高車速下的峰值結構噪聲，滿足乘客對車內靜音的要求。

3.3 平順性

整車平順性一般受懸架和輪胎性能影響，輪胎能夠傳遞和過濾不平路面對車輛的沖擊，徑向剛性與輪胎的振動和沖擊有關。室內高速均勻性試驗機Cleat沖擊試驗結果可表征輪胎通過凸塊時對輪胎沖擊力的影響，也可表征力隨時間的衰減的快慢。同時，也能測試在某一速度下，輪胎一階固有頻率對應的力的幅值，便于設計時偏離車架一階固有頻率，防止共振的產生。

針對平順性問題的改善，從設計角度分析：輪胎的舒適性主要與胎側和胎冠的剛性相關；通過調整三角膠的高度或硬度、胎體層數和胎體反包高度等措施可以改善胎側的剛性；通過改變帶束層的角度或寬度等措施可以調整胎冠剛性。從工藝角度分析：均勻性參數中的徑向力一次諧波對車輛的抖動有影響，因此控制產品的質量/剛性/真圓度至關重要；控制成型簾線接頭搭接量，并保證胎面等半成品厚度的均一性，可降低徑向力，有效避免出現方向盤抖動的現象。

3.4 操控性能

對于城市道路專用電動汽車輪胎，較強的抓著力是保證車輛安全行駛的基礎，可通過調整行駛面寬等外輪廓參數和胎面配方來提高抓著力。

一般來說，側偏剛度是決定車輛操縱穩(wěn)定性的重要參數，回正力矩可表征車輛恢復直線行駛的能力。在產品設計過程中，通過前期有限元仿真或后期的六分力測試技術作為判定手段，從而保證輪胎的側偏剛度、回正力矩和徑向剛性符合車型客觀性能指標分解的需求以及輪胎的松弛長度符合車型瞬態(tài)客觀性能指標分解的需求。

輪胎的胎面配方、三角膠硬度和高度、帶束層角度以及胎體反包高度均會影響輪胎的六分力特性參數（側向力側偏系數、回正力矩系數、徑向剛度和瞬態(tài)松弛長度）。

4 設計思路與試驗設計

4.1 設計思路

（1）確認外輪廓。通過滾動阻力、側偏剛度和接地壓力分布等項目的有限元仿真分析，獲得合適外輪廓，并保證輪胎接地變形和生熱小，滾動阻力性能優(yōu)異。若輪胎的接地面積大，可獲得較強的抓著力；若接地印痕壓力分布均勻，則可保證散熱快，減小磨耗。

（2）確定胎面對稱花紋。細小的花紋橫溝、較淺的周向花紋溝和較窄的橫向花紋溝槽，既可以增強花紋溝的抗壓縮性，利于降低滾動阻力，又可以降低由較大的花紋溝帶來的泵浦噪聲，并通過節(jié)距排列仿真分析確定節(jié)距排列方式。

（3）確定胎面配方。采用分子鏈末端改性的溶聚丁苯橡膠，并添加高比例的高分散性沉淀法白炭黑和硅烷偶聯劑，獲得滾動阻力、濕地抓著力和耐磨性能的平衡[7]。

（4）確 定DOE（Design of Experiment）方 法對輪胎半成品進行組合和搭配。輪胎性能與設計參數之間的關系如圖7所示。設定輪胎目標性能并利用輪胎結構部位的剛性分布情況（見圖8），結合有限元分析和DOE試驗的設計方法，通過性能評價的手段，對性能需求進行優(yōu)先級排序并進行優(yōu)化，確保各種性能達到最優(yōu)化。

圖7 輪胎性能與設計參數之間的關系

圖8 輪胎剛性分布

4.2 試驗設計

DOE試驗設計可以用較少的試驗方案和較短的試驗周期獲得較為理想的試驗結果，可對各個性能結果進行排序，也可以通過均值分析，進行局部細節(jié)的調整。

本產品開發(fā)采用六因子兩種水平的方案制定正交試驗方案。

對性能影響的常用影響因子為胎面配方、帶束層角度、帶束層寬度、三角膠高度、三角膠硬度、冠帶條纏繞方式、冠帶條密度和胎面溝底膠厚度等。通過試驗設計并綜合滾動阻力、噪聲等性能的參數結果，確定優(yōu)選方案；通過均值分析法，得出影響因子對輪胎性能的影響。該方法有助于方案的改善和調整。通過滾動阻力、噪聲、六分力和高速均勻性等室內測試，對比競品輪胎的相關性能指標，最終在方案中選擇出最優(yōu)產品方案進行實車評價的確認。

4.3 試驗設計最優(yōu)方案產品的主要特點

（1）外輪廓。通過有限元仿真分析確定的外輪廓，在保證滾動阻力性能的同時，有利于抓著力和耐磨性能的實現。

（2）花紋樣式。細小的花紋溝槽可以保證花紋溝具有足夠的抗壓縮性，減小變形，保證滾動阻力性能的同時，有利于防止產生過大的泵浦噪聲。

（3）材料分布（見圖9）。上胎側部位采用薄胎側和高反包簾布組合，滿足低滾動阻力、舒適性和抗撞擊性能；下胎側部位采用小三角膠和大外護膠的合理搭配，保證較高的下胎側剛性，均衡了舒適性、操控性和低滾動阻力；胎冠部位采用1層平鋪（1JF，1260dtex/2）高強度錦綸簾布代替1層平鋪與肩部纏繞（1JF＋1JE，840dtex/2）冠帶條、27°帶束層和較厚的花紋溝底膠，緩沖了帶束層的振動，有利于舒適性和降低結構噪聲；胎肩部位的1#帶束層寬度比行駛面寬度大4～6 mm，既減小了胎肩部位變形，又增大了接地面積。

圖9 輪胎材料分布

5 結論

（1）本工作基于城市道路行駛路況及電動汽車的市場需求開發(fā)了一款電動汽車專用輪胎，結合車輛的續(xù)航里程、車內噪聲、抓著力等方面的要求，確定了性能開發(fā)的優(yōu)先順序，即滾動阻力、舒適性、車內NVH性能、操控性、抗撞擊、耐磨性能。

（2）列舉了滾動阻力、舒適性、車內NVH性能和操控性能等的實現方式，并進行了影響因素分析，以應用于產品開發(fā)過程中，得到符合技術指標的產品。

（3）外輪廓設計和胎面配方設計優(yōu)先考慮了滾動阻力，其次是抓著力和耐磨性能的綜合實現。

（4）本產品設計考慮輪胎對行人安全的保護，對花紋噪聲沒有設置苛刻的要求；花紋設計重點考慮滾動阻力和抓著力的綜合需求。

（5）在輪胎半成品的組合和搭配方面，從輪胎不同部位的剛性分布角度進行分析，采用DOE試驗設計的思路進行優(yōu)選方案的選擇，對不滿意的性能進行細微調整，最后經過實車評價最終確認。