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)境下的競爭戰(zhàn)略，世界各國政府積極開展節(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，并以燎原之勢迅速發(fā)展。新能源汽車對輪胎的設(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，成為全球輪胎企業(yè)競爭的新高地。

針對新能源汽車配套市場現(xiàn)狀，為滿足客戶需求，本工作采用有限元仿真與實(shí)測相結(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)過程，以積累經(jīng)驗(yàn)，為同類產(chǎn)品開發(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內(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，以車輛的加速過程為例，傳統(tǒng)燃油汽車的加速過程存在擋位切換，擋位越高車輪端的扭矩越?。欢履茉雌噺钠鸩降綐O速的整個(gè)加速過程均以電動(dòng)機(jī)的峰值輸出，扭矩大，為線性加速，無擋位沖擊，加速體驗(yàn)感更佳。但由于汽車必須通過輪胎與路面的接觸來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輪胎的力學(xué)性能要求很高，同時(shí)對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，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，新能源汽車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲掩蓋，因此胎噪更明顯，需要對輪胎進(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)開發(fā)

2.1 技術(shù)要求

根據(jù)《中國輪胎輪輞氣門嘴標(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（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)偏剛度還直接對車輛的不足轉(zhuǎn)向度產(chǎn)生影響?？梢酝ㄟ^調(diào)整側(cè)偏剛度，調(diào)整輪胎的轉(zhuǎn)向響應(yīng)；通過調(diào)整前后軸負(fù)荷下側(cè)向力隨側(cè)偏角的變化調(diào)整輪胎對車輛不足轉(zhuǎn)向的貢獻(xiàn)度[2]。通過考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程的側(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]通過有限元仿真對滾動(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?，硫化條件為：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，無質(zhì)量缺陷。

3 仿真分析

3.1 輪胎性能

方案確定之前對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)果見表1。

表1 兩設(shè)計(jì)方案輪胎仿真結(jié)果對比

由表1可見：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：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，無局部受力及變形過大的情況，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)果對比 %

圖3 輪胎滾動(dòng)阻力仿真示意

由表2可見，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)行測試，最小破壞能為329.4 J，滿足國家標(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)行測試，脫圈阻力為13 696.5 N，未脫圈，滿足國家標(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)行測試，采用標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，按照V速度級別對應(yīng)的試驗(yàn)負(fù)荷率73%進(jìn)行測試，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MTS動(dòng)態(tài)六分力試驗(yàn)機(jī)測試。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，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)車測試評價(jià)

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

表3 實(shí)車主觀測試評分對比

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)過程，通過有限元仿真，對輪胎接地印痕、側(cè)偏回正性能、滾動(dòng)阻力等進(jìn)行分析預(yù)測，確定設(shè)計(jì)方案可行。

（3）經(jīng)成品輪胎性能測試，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)。