微型新能源汽車配套輪胎的設計與優(yōu)化

劉 坤，孫 超，羅寶玉，王明杰

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

近年來，新能源汽車在國家政策支持和市場需求拉動下快速發(fā)展，有逐漸取代燃油汽車的趨勢。新能源汽車市場需求量大，高、中和低端新能源汽車發(fā)展齊頭并進，為不同地區(qū)百姓提供了交通工具的多種選擇，有利于實現(xiàn)消費大眾化，振興地區(qū)經(jīng)濟[1]。

微型新能源汽車的優(yōu)點是價格相對較低，利于低碳出行以及出租汽車和共享汽車電動化，缺點是車速低，負載小，單次行駛里程短[1-2]。隨著政策激勵和相關法規(guī)完善，微型新能源汽車保守需求量為1億～2億輛，其配套輪胎需求量也隨之增多。根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果，五菱MINI、雷丁和吉麥等為微型新能源汽車主流車型。

本工作針對市場現(xiàn)狀和微型新能源汽車配套輪胎的技術特點，選擇在現(xiàn)有燃油汽車輪胎的基礎上進行優(yōu)化設計，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省模具成本，避免資源浪費。

1 技術要求

某微型新能源汽車車型配套輪胎的技術要求為：輪胎質(zhì)量≤4.5 kg，滾動阻力系數(shù)≤7.5 N·kN-1，磨耗里程≥32 000 km，噪聲≤69 dB，電阻≤1×109Ω，充氣外緣尺寸滿足GB/T 521—2023要求，強度性能、脫圈性能、高速性能和耐久性能滿足GB/T 4502—2023要求，在25 km·h-1速度下撞擊45°障礙物不出現(xiàn)鼓包。

現(xiàn)有的145/70R12 69T半鋼子午線輪胎為某款燃油汽車車型配套產(chǎn)品，其技術參數(shù)為：標準輪輞 4.5B，充氣斷面寬（D′） 144～156 mm，充氣外直徑（B′） 503～515 mm，花紋溝深度 5.0 mm，滾動阻力系數(shù) 8.3 N·kN-1，質(zhì)量 4.7 kg，噪聲 70.2 dB。模具類型為兩半模。

由此可見，現(xiàn)有145/70R12 69T半鋼子午線輪胎的技術參數(shù)不滿足新能源汽車車型配套輪胎的技術要求，因此要綜合生產(chǎn)、技術、工藝和成本等方面因素，對產(chǎn)品進行相應的設計優(yōu)化。

2 結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

為滿足輪胎成本、低滾動阻力、噪聲等要求，對輪胎進行輕量化設計。輪胎外輪廓設計優(yōu)化如圖1所示，花紋設計優(yōu)化如圖2所示。

圖1 輪胎外輪廓設計優(yōu)化

圖2 輪胎花紋設計優(yōu)化

由圖1可見，輪胎整體外輪廓減小，材料減少，有助于降低滾動阻力。

兩半模中間部位寬度由13 mm減小至7 mm，中間鋼片及小溝磨平，縱向和橫向花紋溝深度及鋼片減小，可使胎面質(zhì)量減小，花紋塊剛性提高，磨損量減小，車輛的行駛里程延長，輪胎滾動阻力降低。

研究表明，采用打磨機對胎冠部位進行打磨，花紋溝深度每減小1 mm，輪胎滾動阻力系數(shù)減小0.3～0.8 N·kN-1，單位磨損里程縮短1萬～2萬km，不同胎面膠配方輪胎的耐磨性能存在差異。因兩半模模具的特點，低滾動阻力輪胎脫模時胎面膠易掉塊，減小花紋溝深度可以提高花紋塊的剛性。綜合單位磨耗里程、滾動阻力、輪胎輕量化的要求，本設計將花紋溝深度減小1.0 mm，相應的各部位橫溝及鋼片深度減小0.8 mm。為了防止胎肩部位冠帶條露線，胎肩部位花紋溝深度應小于中間主溝深度，同時為保證單位磨耗里程滿足要求，本設計胎肩部位花紋溝深度為主溝深度的91%。胎肩部位橫向花紋溝深度減小，使橫向花紋溝體積減小，同時提升了胎肩部位花紋塊剛性，降低空氣進出產(chǎn)生的泵浦噪聲，有利于通過噪聲性能目標的實現(xiàn)。

優(yōu)化后的輪胎結(jié)構(gòu)設計參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化后的輪胎結(jié)構(gòu)設計參數(shù) mm

3 施工設計優(yōu)化

本設計微型新能源汽車的最高車速為100 km·h-1，在滿足速度性能要求的情況下，模具側(cè)板增刻Q級活字塊，規(guī)格由145/70R12 69T調(diào)整為145/70R12 69Q，成型鼓寬度由309 mm減小至303 mm，輪胎質(zhì)量由4.7 kg降低至4.6 kg，其他調(diào)整如下。

3.1 胎面

胎面膠和上胎側(cè)膠選用低滾動阻力膠料配方，因行駛過程中最高車速下降，取消冠帶條肩部纏繞設計。因模具行駛面寬度減小，胎面寬度由154 mm減小至146 mm，胎面胎肩部位厚度由6.5 mm減小至5.5 mm，胎面中間花紋溝深度由4.5 mm減小至4.0 mm，基部膠厚度由1.0 mm增大至1.5 mm。

3.2 帶束層和胎體

帶束層采用2×0.3ST鋼絲簾線，1#帶束層寬度由116 mm減小至110 mm，2#帶束層寬度由106 mm減小至100 mm，帶束層簾線角度由24°增大至27°。輪胎接地印痕趨向橢圓形，輪胎接地印痕前端形狀與胎肩部位橫溝走向保持相反，對控制通過噪聲有利。

胎體采用1670dtex/2聚酯簾布，1#胎體簾布層寬度由430 mm減小至410 mm，簾布反包高度減小，即舒適性提高[3-5]。

3.3 胎圈

采用直徑為1.2 mm的胎圈鋼絲，鋼絲圈排列方式為3-4-3，經(jīng)計算，安全倍數(shù)滿足設計要求。

本設計微型新能源汽車以中、低速行駛為主，負載小，對轉(zhuǎn)向剛度、側(cè)向抓著力及側(cè)向支撐力要求低，三角膠高度由25 mm減小至20 mm，在滿足轉(zhuǎn)向剛度要求的同時提升了舒適性。

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2023進行測試。結(jié)果表明，安裝于標準輪輞（4.5×12J）上的成品輪胎的充氣外緣尺寸滿足設計要求。

4.2 強度性能

強度性能按照GB/T 4502—2023進行測試，試驗條件為：充氣壓力 180 kPa，壓頭直徑 19 mm，壓頭速度 （50±2.5） mm·min-1。結(jié)果表明，輪胎最小破壞能為351 J，輪胎未刺穿，強度性能滿足國家標準要求（≥295 J）。

4.3 脫圈阻力

試驗條件為：充氣壓力 180 kPa，壓塊水平距離 241 mm，壓塊速度 （50±2.5） mm·min-1。結(jié)果表明，輪胎脫圈阻力為8 123 N，輪胎未刺穿，滿足國家標準要求（≥6 670 N）。

4.4 高速性能

初始充氣壓力為180 kPa，試驗負荷為標準負荷的80%，按照國家標準完成規(guī)定程序后，按企業(yè)標準繼續(xù)進行試驗，每運行10 min速度增大10 km·h-1，直至輪胎損壞為止。結(jié)果表明，成品輪胎低速行駛速度為180 km·h-1，累計行駛時間為2 h，試驗結(jié)束時輪胎胎側(cè)脫層。

4.5 耐久性能

輪胎的耐久性能按照GB/T 4502—2023進行測試，測試條件：充氣壓力為180 kPa，試驗速度為80 km·h-1，不同階段按照不同負荷率進行加載，按照國家標準規(guī)定程序運行34 h后，按企業(yè)標準繼續(xù)進行試驗，每10 h負荷率增大10%，負荷率達到150%后不再增大，直至輪胎損壞為止。輪胎累計行駛時間為67.53 h，試驗結(jié)束時胎圈上端裂口，輪胎耐久性能良好，符合國家標準要求。

4.6 磨耗里程

在室外試驗場進行磨耗試驗，試驗條件為：充氣壓力 230 kPa，輪胎前軸載荷 509 kg（含駕駛員），后軸載荷 488 kg，行駛里程 15 000 km。

4個輪位依次從左到右測量4條花紋溝的深度，在圓周方向上分別測量6個點的磨耗數(shù)據(jù)，磨耗測量部位如圖3所示。

圖3 磨耗測量部位示意

以磨損最嚴重的內(nèi)側(cè)溝槽平均磨損量作為評價的依據(jù)，輪胎耐磨性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 輪胎耐磨性能測試結(jié)果

4.7 噪聲

按照ECE R117法規(guī)在輪胎室外試驗場進行噪聲測試，測試條件為：充氣壓力 180 kPa，負荷1 838 kg（標準負荷的75%），勻速行駛速度為80 km·h-1。噪聲測試區(qū)域示意如圖5所示。車輛到達指定水平線A-A′處，掛空擋滑行經(jīng)過20 m×20 m測試矩形區(qū)域AA′BB′，矩形中心點兩側(cè)7.5 m處接收噪聲信號，通過LMS-TESTLAB軟件處理，得到噪聲數(shù)值。

圖5 噪聲測試區(qū)域示意

4.8 滾動阻力

根據(jù)ISO 28580—2018室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓測力法進行測試，測試條件為：充氣壓力 210 kPa，負荷率80%，試驗速度 80 km·h-1。測得的輪胎滾動阻力系數(shù)為7.8 N·kN-1，滿足設計要求。

4.9 耐撞擊性能

根據(jù)車廠要求，試驗車輛以25 km·h-1或操作流程中規(guī)定的速度通過45°障礙物進行撞擊。注意在前輪撞擊之后保持行車速度及行駛方向不變，后輪通過后再進行減速、停車操作。結(jié)果表明，連續(xù)撞擊3次后，輪胎沒有出現(xiàn)鼓包、漏氣現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）以現(xiàn)有燃油汽車配套輪胎為基礎進行微型新能源汽車專用輪胎的設計，可最大程度縮短開發(fā)周期，節(jié)省成本。

（2）在模具設計中將兩半模中間部位寬度減小6 mm，使整體外輪廓變小，在施工設計中相應的帶束層等半部件寬度減小，這是實現(xiàn)輪胎輕量化的主要途徑。同時，將花紋溝深度減小，輪胎滾動阻力和噪聲降低，質(zhì)量進一步減小。雖然輪胎的耐磨性能有損失，但仍在技術指標范圍之內(nèi)。

（3）通過更換胎體簾布的材質(zhì)，減小簾布反包高度，不僅保持了輪胎的耐撞擊性能，還有利于降低輪胎滾動阻力和實現(xiàn)輪胎輕量化。

（4）保持較小的行駛面寬度和三角膠高度，通過減小胎體反包高度，降低胎側(cè)剛性，提升了乘坐舒適性。

（5）目前各主機廠對微型新能源汽車輪胎配套要求不同，對噪聲、操縱穩(wěn)定性和舒適性要求較寬松，外緣尺寸、強度性能、脫圈性能、高速性能和耐久性能是基本要求，滾動阻力直接影響車輛續(xù)航里程，應加以重視，其余性能則依據(jù)車型技術要求變化進行同步開發(fā)。