劉 坤，王 君，喬元梅，王鷺飛，蘇國慶，董 康，張 勇，楊逸雯

（1.青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266555；2.北京橡膠工業(yè)研究設計院有限公司，北京 100143）

一款性能優(yōu)異的輪胎足以影響車輛的路況表現(xiàn)，同時也肩負保證駕駛者和乘車人安全的重任。對于運動型轎車輪胎來說，操縱性、更短的剎車距離、舒適性和燃油經濟性都是車主關心的重要因素。本工作針對國內路況研發(fā)一款主機廠配套運動型轎車輪胎。

目前市場上國產運動車型配套產品開發(fā)，供應商基本跟隨整車開發(fā)周期進度。為縮短產品開發(fā)周期和降低研發(fā)成本，有些國內輪胎廠在研發(fā)原配產品時在相近產品模具和施工基礎上進行技術升級。這種設計思路缺點比較明顯，即固定的生產模具在一定程度上限制了產品性能的提升。國外主流輪胎廠根據市場銷售趨勢，對原配產品進行原創(chuàng)設計，并將高性能原配輪胎推廣到替換輪胎市場。

在整車開發(fā)早期階段，工程師選擇市場上底盤形式相同的量產成熟運動車型作為輪胎選型的基礎車，并選定與新開發(fā)車型相同型號的配套成熟輪胎作為基準輪胎[1]。以此為基準，新開發(fā)一款安全性強、操控性好、舒適、節(jié)油的綠色輪胎。本款車型優(yōu)先保證制動性和操控性，其次是噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）以及舒適性和燃油經濟性。

1 技術要求

根據該款車型國內外銷售需求，配套輪胎規(guī)格為235/70R16 106H，設計參照GB/T 2978—2014《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負荷》、ETRTO 2012和TRA 2012。基本技術要求如下：標準輪輞RIM 7J，充氣外直徑（D′） 736（736±4） mm，充氣斷面寬（B′） 240（237±4） mm，充氣壓力250 kPa，標準負荷 950 kg。主要性能要求如下：制動距離 ≤41 m，滾動阻力 ≤7.5 N·kN-1，操控性、舒適性和NVH均優(yōu)于基準輪胎。

2 外輪廓設計

輪胎外直徑（D）和斷面寬（B）對原配輪胎產品有著重要的影響。一是因為輪胎的滾動半徑與車輛的速度相關；二是因為輪胎的外緣尺寸與周圍殼體存在干涉性。

輪胎D′主要受帶束層和冠帶層結構的影響。一般來說，D＝D′-α（α為膨脹系數，經驗值為1～3 mm，具體取值與帶束層角度和冠帶層纏繞類型有關），本規(guī)格設計計劃采用“2層聚酯纖維簾布＋2層帶束層＋1層錦綸簾布”（2P＋2S＋1N）結構，D′取734 mm，D取733 mm。

輪胎著合寬度（L）與B密切相關，也受胎體伸張率的影響。為保證輪胎與輪輞裝配良好，一般L比標準輪輞寬度大（差值為c）。根據扁平比不同，c的范圍為12.7～25.4 mm。為防止胎側變形和胎趾間距變小，輪胎斷面高度和扁平比越大，L越大。本設計輪胎為扁平比70系列產品，為增大鋼絲簾線張力，保持輪胎下胎側彈性，增強車輛操控性，本設計c取25.4 mm，B′取237 mm。

行駛面寬度（b）依據原配輪胎目標性能而定，一般增大b會使輪胎的接地面積增大，干地操控性和磨耗性能提高，制動距離縮短，但是滾動阻力和濕地性能下降。一般b占輪胎名義斷面寬的0.7～0.92。

胎肩下沉量（h）偏小利于牽引、操控性和低滾動阻力，接地印痕形狀為方形；h偏大利于噪聲、乘坐舒適性和抗?jié)窕阅?，接地印痕形狀偏圓形。h/b越大，接地印痕形狀就越圓；h/b越小，接地壓力越大。接地印痕面積越大，肩部花紋塊具有越好的轉彎穩(wěn)定性和高速性能。

由于此規(guī)格輪胎b較大，采用3段?。碩R1，TR2和TR3）設計容易獲得趨于圓形的接地印痕形狀和均勻的接地壓力。TR1參照B′的2～4倍進行設計，TR2和TR3與TR1成一定比例。一般胎面半徑越大，輪胎越不易變形，滾動阻力越小；但過大的胎面半徑導致肩部胎面變厚，高速和燃油經濟性也會降低，因此通過有限元分析得到最佳組合的胎面半徑非常重要[2]。

胎肩圓弧半徑（r）越大，越會產生趨于圓形的印痕，有利于舒適性；r越小，則會出現(xiàn)趨于方形的印痕，有利于操控性。

為增大胎肩部位承受壓力，減小胎面變形造成的能量損失，將斷面水平軸上移，下斷面高度（H1）/上斷面高度（H2）比值取1.08。

為保證輪胎和輪輞輕松裝配，同時又要避免兩者之間相對位移造成漏氣[3]。本次設計采用過盈配合設計，胎圈著合直徑（d）比輪輞直徑小1.4 mm。

輪胎的側偏特性是研究操縱穩(wěn)定性的基礎[4]。通過有限元分別分析兩種外輪廓輪胎的接地印痕和側偏剛度如圖1和2所示。從圖1和2可以看出，輪廓2的印痕形狀更符合產品操控性的定位。

圖1 兩種外輪廓對比

優(yōu)化設計的輪胎主要外輪廓參數如圖3和表1所示。

圖2 兩種外輪廓輪胎的側偏剛度變化趨勢

圖3 輪胎外輪廓參數示意

表1 輪胎外輪廓參數設計 mm

3 花紋設計

輪胎花紋設計示意和參數分別如圖4和表2所示。

表2 輪胎花紋參數設計

圖4 輪胎花紋設計示意

本設計采用非對稱花紋。外側剛性大的花紋塊和3維刀槽銜接抑制了車輛轉彎時花紋塊的形變，提供了較大的橫向剛性，提升了穩(wěn)定性和抓地力。封閉式溝槽設計能避免胎面內過多空氣的橫向移動，從而降低胎噪；內側采用開放式橫向花紋及斜向刀槽，提高了排水性，同時提升車輛橫向牽引能力；中間主花紋塊設計了很多細小的線條，既可以增大抓地力，也可降低胎噪。

花紋采用4條縱向主溝。合理的縱溝深度既可以避免滾動阻力的增大，又能滿足磨耗要求；合理的縱溝寬度則能避免易夾石子和產生溝底裂口，又能防止花紋不耐磨、花紋掉塊。一般夏季輪胎花紋溝深度為7.8～8.2 mm?？v溝溝槽內設有消音塊（AFB）鎖塊，既可打破氣流，也可降低胎噪。

花紋采用非等距節(jié)距優(yōu)化排列。用噪聲仿真軟件對節(jié)距排列進行優(yōu)化，使原本聚集在一個頻段的噪聲平均分布到更廣的頻率范圍中，避免在較窄的頻率范圍內出現(xiàn)峰值[5]。最大與最小節(jié)距盡量不相鄰以防止節(jié)距之間產生較大的剛性差距，造成不規(guī)則磨損，導致振動從而產生噪聲。

花紋塊加入柔韌倒角設計，使車輛行駛時輪胎與地面更好貼合，間接縮短車輛制動距離。倒角部分被磨掉后，花紋塊剛性隨著花紋倒角高度的降低而增大，既能保持最大接地面積，還能在使用初期避免不規(guī)則磨損。對花紋橫溝角度進行優(yōu)化設計，形成流線型，使得空氣流通更順暢，有效降低噪聲。

4 施工設計

為滿足操控性等性能要求，需考慮胎面和胎側的硬度和厚度等；為滿足滾動阻力要求，在保持相同強度的同時需盡量選擇輕質骨架材料；根據運動車型優(yōu)先保證制動性、側向支撐和抓地力等性能，兼顧舒適性的技術特點，在外輪廓和花紋設計確定后，其他設計如下。

（1）胎面配方生膠體系采用天然橡膠、高順式稀土釹系順丁橡膠與改性高乙烯基含量溶聚丁苯橡膠并用。釹系順丁橡膠支化度低且分子鏈柔軟，有利于較低滾動阻力的需求；改性溶聚丁苯橡膠分子鏈的游離末端含量減少，生熱和滾動阻力降低，同時高含量乙烯基的微觀結構可提高胎面的抓地性能，縮短剎車距離。填料采用全白炭黑填充體系，具有滾動阻力低、抓地性能好的優(yōu)點，配合硅烷偶聯(lián)劑提高白炭黑分散性，從而滿足平衡滾動阻力和抗?jié)窕阅艿囊蟆?/p>

（2）冠帶層采用930dtex/2改性錦綸簾布。若在運動型轎車輪胎上冠帶條采用1層平鋪＋肩纏的纏繞方式，則胎面剛性不足，而采用兩層平鋪結構，胎面剛性又過大。為有效平衡操控性、舒適性和滾動阻力，新開發(fā)一種“7＋7＋7”冠帶條纏繞方法：冠帶條寬度為10 mm，每條冠帶條包含10根簾線，相鄰兩條冠帶條搭接量為3 mm，如圖5所示。其輪胎胎面剛性介于1層平鋪＋肩纏和兩層平鋪纏繞方式之間。

圖5 “7＋7＋7”冠帶條纏繞方式

（3）帶束層既要滿足強度要求，又要減小輪胎質量，本設計中帶束層采用3×0.28ST鋼絲簾線。

（4）胎體。通過改進胎體的結構和材料，改善其韌性和強度，使其在受到沖擊產生極大變形的情況下壓力分布得到優(yōu)化，盡可能均勻分化和吸收沖擊力，最大程度保護胎體結構。經安全倍數計算，確定胎體骨架材料為1670dtex/2聚酯纖維簾布；根據操控性要求，簾線膨脹因數取1.04。

（5）胎圈。三角膠高度一般為斷面高的25%～30%，實際設計根據扁平比可上下調整；為保證舒適性要求，三角膠與外護膠合理搭配，高度可適當降低。三角膠高度過低容易造成轉彎響應慢，并且在通過一些障礙（如減速帶）時，低頻震動明顯；三角膠高度過高則易造成垂向剛性大，沖擊感較強，平順性差。經過安全倍數計算，鋼絲圈選擇“3-4-5-4-3”排列方式。

（6）胎側。硬度較小的胎側膠有利于減小沖擊力；下胎側厚度和高度較大的胎圈護膠結合高度較小的三角膠，形成胎側剛性過渡緩沖分布的結構，有利于舒適性和操控性的平衡。

根據設計要求，設計了3個方案的施工設計參數如表3所示。

表3 施工設計參數

5 調校與匹配

5.1 第1輪調校

3個方案的第1輪調校結果如表4所示。

表4 第1輪調校結果

與基準輪胎相比，A方案輪胎操控性欠佳、轉向響應較慢、抓地力一般；B方案輪胎與車輛匹配轉向和穩(wěn)定性較好，抓地力良好，舒適性低，路噪大，但為綜合性能最好的方案；C方案輪胎側向支撐和轉向性能優(yōu)異，但對路面的沖擊感有較大反饋，路噪較大。因此選擇方案B輪胎與基準輪胎作詳細對比與說明如下。

（1）燃油經濟性。通過臺架試驗測試輪胎滾動阻力，并依據GB/T 12536—2017《汽車滑行試驗方法》測試滑行距離，可知本設計產品和基準輪胎均符合要求。

（2）制動性能。根據ISO 23671：2015的測試方法：車輛從零加速至100 km·h-1后進行緊急制動，至車輛完全停止。相較標準輪胎，本設計產品制動響應快、制動距離短；前端車載設備V-BOX可準確計算制動距離。

（3）操縱穩(wěn)定性。與基準輪胎相比，本設計輪胎的原地轉向力較小，易于操縱。在抓地力方面，在250 m路面上擺放8個樁桶，每個樁桶的間隔為15 m。裝配本設計輪胎的車輛以70 km·h-1的速度進行均速繞樁測試，測試過程中沒有出現(xiàn)任何側滑現(xiàn)象，抓地力較突出；過S彎時，突破極限抓地力后，抓地力超過基準輪胎且下降幅度較?。ㄒ妶D6）。隨著行駛速度的增大，方向盤的力感線性增大，中心轉向的性能良好，方向盤中間的虛位較小，體現(xiàn)了良好的運動性趨向。本設計輪胎與基準輪胎的操控性能對比如圖7所示。

圖7 本設計輪胎與基準輪胎的操控性能對比

（4）舒適性。在振動舒適性方面，與基準輪胎相比，本設計輪胎在全速度區(qū)間內具有良好的緩沖性能，傳遞給駕駛員的沖擊感較?。挥嗔粽駝虞^強，略遜于標準輪胎；對高頻振動的隔絕感較好，沒有多余的振動傳入車內。在沖擊舒適性方面，與基準輪胎相比，本設計輪胎經過減速帶時，瞬間沖擊力較大；受沖擊時，包覆性（胎冠部位的吸收能力）較強；受沖擊后，振動衰減較干脆。

（5）NVH。車輛在以80 km·h-1的速度行駛時出現(xiàn)較大的轟鳴聲（鼓振）。采用振動噪聲測試與分析系統(tǒng)（LMS）音頻測試設備測得車內最大噪聲為80.3 dB，對應頻率為92 Hz，而目標噪聲為小于77 dB。分析可得該頻率下噪聲大是由于輪胎胎面花紋塊剛性不足，易變形從而產生異響，隨后傳遞至車內。各速度行駛下的噪聲及其對應的頻率如圖8和9所示。

圖8 各車速下車內噪聲

圖9 噪聲與頻率關系圖

5.2 第2輪調校

針對第1輪調校中出現(xiàn)的問題，在盡量不影響其他主要性能的原則下，對輪胎結構進行如下調整。

（1）靠近胎肩的上胎側厚度加大0.5 mm，從而利于吸收沖擊能量，改善舒適性且對操控性能影響不大。由于輪胎整體質量較大，滾動阻力雖然小幅度增大但仍滿足要求。

（2）針對車內噪聲大的問題，將花紋鋼片深度適當減小，增大花紋塊剛性，使輪胎不易變形，從根本上消除異響而導致的車內噪聲。

經過第2輪調校后，輪胎基本滿足車輛整體性能要求。

6 結論

（1）以國內一款運動型轎車為例，選定相似車型原配輪胎為基準輪胎，結合車型定位確定設計輪胎性能的優(yōu)先順序。優(yōu)先保證其制動性和操控性，其次是NVH、舒適性和燃油經濟性。以綜合性能不低于基準輪胎為目標，從輪胎外輪廓設計、花紋設計、施工設計和性能評價等多方面開發(fā)運動型轎車配套專用的輪胎。

（2）本設計采用新的原配產品設計模式，前期采用有限元分析，確定了合適的輪胎外輪廓和材料分布，大大縮短了開發(fā)周期。

（3）為滿足運動車型定位，輪胎花紋設計選擇非對稱花紋。為平衡舒適性和NVH性能，本設計重點關注節(jié)距排列和花紋橫溝角度，并注重局部花紋倒角和花紋溝深度等細節(jié)設計。

（4）施工設計依據優(yōu)化的材料分布圖，采用全新的“7＋7＋7”冠帶條纏繞方式，保證適中的胎面剛性，避免出現(xiàn)操控性與舒適性失衡的情況。

（5）產品開發(fā)后期側重于施工設計的優(yōu)化，以及輪胎的調校。本設計輪胎只進行了兩輪調校。第1輪調校結果為輪胎操控性和制動性滿足車廠要求，但出現(xiàn)較為明顯的沖擊感和路噪。在第2輪調校中增大了上胎側厚度以吸收振動、減緩沖擊力，并通過減小花紋鋼片深度，消除剛性過小而導致的異響。