205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的設計

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重，低碳化發展已成為全球經濟環境下的競爭戰略，世界各國政府積極開展節能減排行動，運用政策手段推進低碳化發展。在眾多政策加持下，新能源汽車得以在全球范圍內推廣，并以燎原之勢迅速發展。新能源汽車對輪胎的設計和制造提出了更高要求，包括更低的滾動阻力、更高的耐磨性能和承載能力、更強的抗撕裂性能、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穩步增長，成為全球輪胎企業競爭的新高地。

針對新能源汽車配套市場現狀，為滿足客戶需求，本工作采用有限元仿真與實測相結合的方法，從輪廓參數、結構參數、工藝條件、胎面花紋和胎面配方設計等方面介紹205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的設計過程，以積累經驗，為同類產品開發設計提供參考。

1 新能源汽車的性能特點

1.1 動力性能

新能源汽車的動力輸出形式和表現與燃油汽車不同。輸出形式方面，新能源汽車不再依靠內燃機輸出，而是以電動機輸出為主[1]。這就導致兩類汽車動力表現不同，以車輛的加速過程為例，傳統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??；而新能源汽車從起步到極速的整個加速過程均以電動機的峰值輸出，扭矩大，為線性加速，無擋位沖擊，加速體驗感更佳。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性能要求很高，同時對輪胎的抗撕裂性能和耐磨性能有較大的挑戰。

1.2 續航能力

新能源汽車充電時間長，充電便利性差，因此續航里程成為制約新能源汽車發展的重要因素。續航能力與電池技術有關系，與輪胎滾動阻力也密切相關。試驗表明，汽車動力輸出功率的30%～40%消耗于輪胎滾動阻力，因此，降低輪胎滾動阻力是提升新能源汽車續航能力的有效手段。

1.3 承載能力

新能源汽車雖然沒有了內燃機，但其使用的電池組質量較大，盡管汽車制造商不斷致力于高續航輕質電池組的研發，但短期內并未有很大進展，新能源汽車整體質量比傳統燃油汽車大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苛的要求。

1.4 靜音舒適性

傳統燃油汽車的三大噪聲為發動機噪聲、胎噪和風噪。相比于傳統燃油汽車，新能源汽車沒有發動機噪聲掩蓋，因此胎噪更明顯，需要對輪胎進行改進設計才能保證車內靜音感受。

2 新能源輪胎的設計開發

2.1 技術要求

根據《中國輪胎輪輞氣門嘴標準年鑒（2018）》，并結合《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（2018）》，確定205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的技術參數為：充氣外直徑（D′）625～639 mm，充氣斷面寬（B′） 205～221 mm，標準充氣壓力 250 kPa，標準負荷 615 kg，標準輪輞 6.5J。

輪胎室內性能目標要求：高速性能試驗通過速度≥240 km·h-1，耐久性試驗累計行駛時間≥34 h，強度性能試驗最小破壞能≥295 J，脫圈阻力≥11 120 N，滾動阻力系數≤6.5 N·kN-1。

輪胎室外實車性能要求使用新能源汽車進行測試，舒適性及操縱穩定性相比于現有普通輪胎明顯提升。

2.2 輪胎力學性能

輪胎力學性能對整車性能表現有很大影響，輪胎的側偏特性是指輪胎側向力、回正力矩與側偏角之間復雜的相關性，是輪胎重要的力學特性。輪胎側偏剛度越大，側偏角越小，轉向響應越好。側偏剛度還直接對車輛的不足轉向度產生影響?？梢酝ㄟ^調整側偏剛度，調整輪胎的轉向響應；通過調整前后軸負荷下側向力隨側偏角的變化調整輪胎對車輛不足轉向的貢獻度[2]。通過考慮負荷轉移過程的側向力變化調整輪胎轉向穩定性。

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

2.3 低滾動阻力設計

馬改陵等[3]通過有限元仿真對滾動輪胎各部件的能量分布進行了分析，結果表明，胎面、胎圈、三角膠、帶束層、內襯層、胎側、胎體和基部膠對輪胎滾動阻力的貢獻率分別為39%，14%，13%，8%，8%，7%，6%和5%，其中胎面對滾動阻力貢獻率最大，因此降低輪胎滾動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阻力降低主要從低滾動阻力胎面膠配方考慮，配合其他減小質量及降低滾動阻力結構設計。

2.4 設計參數

2.4.1 結構設計

輪廓設計對輪胎整體性能起到關鍵性作用，其設計參數的選取直接影響到硫化后輪胎的外緣尺寸、滾動阻力、操縱性能和耐磨性能等。因獨特的性能要求，新能源汽車輪胎的輪廓設計與普通輪胎的輪廓設計存在差異。

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）取值一般與標準值相等或稍小。本設計D取630 mm，比標準值小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、冠帶層設計以及扁平比等，因此B的取值要綜合考慮[4]。本設計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, 而胎冠形狀對胎面的耐磨性能、牽引性、轉向性及生熱等性能有直接影響。b的選取應考慮輪胎的性能目標，只考慮滾動阻力時，一般采用較小的b，本設計降低滾動阻力目標主要從配方考慮，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而影響輪胎的操縱性能、安全性能和使用壽命，本設計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，同時胎圈著合直徑（d）的取值應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平衡問題，進而影響乘坐舒適性及滾動阻力。綜合以上考慮，本設計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荷下變形最大的位置。斷面水平軸位置對輪胎的應力分布影響很大，水平軸偏上，應力分布更集中于胎肩，水平軸偏下，應力分布更集中于胎圈部位，H1/H2一般取0.8～1.1，本設計H1/H2取0.957，根據經驗可以更好地平衡55系列輪胎胎肩與胎圈的應力分布。

為了進一步降低滾動阻力，優化花紋噪聲，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 施工設計

（1）胎面膠配方。由于輪胎的輪廓設計中h/b比值相對較小，從輪廓方面降低滾動阻力的空間不足；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阻力與濕地性能。采用白炭黑與硅烷偶聯劑并用，增大溶聚丁苯橡膠乙烯基含量，調整白炭黑填充比例，實現輪胎性能的平衡[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構，反包端點在帶束層下15 mm，保證胎側部位雙層胎體抗鼓包，且最大限度地輕量化設計，保證輪胎滾動阻力性能。

（3）冠帶條纏繞方式為冠部單層、肩部雙層結構，肩部雙層纏繞寬度為20 mm，承接胎側部位雙層胎體結構的較高剛度；胎側和胎肩剛度高，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°，帶束層角度設計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，減小胎冠總應力，有利于輪胎的包容性和隔絕性，但對輪胎側偏剛度和回正剛度影響較大[6]，會降低輪胎的轉向響應和直線行駛穩定性。

（5）三角膠高度相比于普通輪胎設計減小5 mm，有利于降低輪胎滾動阻力[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，胎圈安全倍數為5.8，可以有效地支撐車輛的載荷。

2.4.3 工藝參數

（1）成型采用全自動半鋼一次法成型機，冠包側生產工藝。成型鼓寬度為400 mm，成型鼓周長為1 215 mm，滿足設計要求。

（2）硫化采用1 219.2 mm（48英寸）雙模熱板式硫化機、氮氣定型硫化，硫化條件為：高壓蒸汽溫度199～205 ℃，熱板和外殼溫度 170～175 ℃，高壓氮氣壓力 2.10～2.30 MPa，高壓蒸汽壓力1.5～1.7 MPa，總硫化時間 12 min。硫化成品輪胎的外觀整潔，無質量缺陷。

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計方案分別進行了有限元仿真，結果見表1。

表1 兩設計方案輪胎仿真結果對比

由表1可見：與普通輪胎相比，新能源汽車輪胎的滾動阻力明顯下降，保證了滾動阻力的仿真精度；在輪胎工作充氣壓力和負荷下，輪胎的側偏剛度提升17%，同時回正力矩也明顯提升，這對輪胎的轉向響應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荷下的接地印痕形狀及壓力分布仿真結果如圖2所示。

圖2 新能源汽車輪胎接地印痕仿真結果

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，在輪胎多數使用環境下，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 滾動阻力

輪胎滾動阻力仿真示意及仿真結果分別見圖3和表2。

表2 兩設計方案輪胎各部位滾動阻力占比仿真結果對比 %

圖3 輪胎滾動阻力仿真示意

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

安裝在標準輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力下的充氣外緣尺寸按照GB/T 521—2012進行測試，輪胎的D′和B′分別為632和212 mm，符合設計要求。

4.2 強度性能

輪胎強度性能按照GB/T 4502—2016進行測試，最小破壞能為329.4 J，滿足國家標準要求（≥295 J）。

4.3 脫圈性能

輪胎脫圈阻力按照GB/T 4502—2016進行測試，脫圈阻力為13 696.5 N，未脫圈，滿足國家標準要求（≥11 120 N），達到設計目標。

4.4 耐久性能

輪胎耐久性能按照GB/T 4502—2016進行測試，采用標準充氣壓力，試驗速度為120 km·h-1，第1—3階段試驗負荷分別為標準負荷的85%，90%和100%，行駛34 h后停止試驗，試驗結束時輪胎未損壞，符合國家標準要求。

4.5 高速性能

輪胎高速性能按照GB/T 4502—2016進行測試，采用標準充氣壓力，按照V速度級別對應的試驗負荷率73%進行測試，最高試驗速度為240 km·h-1，在最高試驗速度下行駛10 min后試驗結束，輪胎未損壞，滿足國家標準要求（≥240 km·h-1）。

4.6 滾動阻力

采用標準充氣壓力和負荷，測試新能源汽車輪胎的滾動阻力系數為6.12 N·kN-1，相比普通輪胎的7.23 N·kN-1減小1.11 N·kN-1，與有限元仿真結果一致。

4.7 側偏性能

輪胎側偏特性采用美國MTS動態六分力試驗機測試。側向力和回正力矩與側偏角的關系曲線分別如圖4和5所示。

圖4 側向力與側偏角的關系曲線

圖5 回正力矩與側偏角的關系曲線

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

4.8 實車測試評價

將兩個設計方案輪胎分別安裝在同一臺某品牌適配新能源汽車上，進行實車主觀測試，結果如表3所示。

表3 實車主觀測試評分對比

由表3可以得出如下結論。

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

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

（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都較少，沖擊不突兀，能量較大但衰減很快，舒適性體驗優于普通輪胎。

（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于普通輪胎。

5 結論

（1）新能源汽車的高扭矩要求輪胎側偏剛度高，且耐磨、抗撕裂；新能源汽車的續航能力提升依賴于輪胎的低滾動阻力；新能源汽車較大的車質量要求輪胎更強的承載能力；新能源汽車無內燃機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、結構參數、工藝條件和胎面配方設計等方面介紹了205/55R16 91V新能源汽車輪胎的設計過程，通過有限元仿真，對輪胎接地印痕、側偏回正性能、滾動阻力等進行分析預測，確定設計方案可行。

（3）經成品輪胎性能測試，205/55R16 91V新能源轎車子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強度性能、高速性能和耐久性能均達到相關設計標準要求，滾動阻力明顯降低，側偏剛度增大，實車測試舒適性、操縱穩定性等均得到大幅提升，達到設計目標。