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(jī)和倡導(dǎo)“碳中和”理念的背景下，隨著國(guó)家政策的積極助力和“三電”技術(shù)的成熟，近年來(lái)電動(dòng)汽車市場(chǎng)持續(xù)快速發(fā)展，2021年電動(dòng)汽車銷量已達(dá)到340萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)2030年將突破1 800萬(wàn)輛。在電動(dòng)汽車市場(chǎng)擁有量逐年提升和汽車向新能源方向轉(zhuǎn)型的同時(shí)，輪胎也在該領(lǐng)域進(jìn)行了針對(duì)性革新。國(guó)外主流輪胎公司已經(jīng)針對(duì)新能源汽車的特點(diǎn)和地域消費(fèi)者需求，結(jié)合高端制造技術(shù)，研發(fā)出電動(dòng)汽車專用的綠色輪胎，代表性的產(chǎn)品有2019年韓泰輪胎有限公司在全球范圍內(nèi)上市的Kinergy AS EV輪胎和2021年米其林集團(tuán)開發(fā)的應(yīng)用于多款電動(dòng)車型的e聆悅和競(jìng)馳EV花紋配套輪胎[1-2]。

我公司基于城市路況進(jìn)行了電動(dòng)汽車專用綠色輪胎的開發(fā)?，F(xiàn)將本產(chǎn)品的主線開發(fā)流程、開發(fā)核心思路以及產(chǎn)品的主要特點(diǎn)介紹如下。

1 新產(chǎn)品目標(biāo)性能的開發(fā)流程

產(chǎn)品性能開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品性能開發(fā)流程

通過產(chǎn)品需求調(diào)研，獲知該產(chǎn)品主要應(yīng)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(yīng)注重輪胎的續(xù)駛里程，噪聲、振動(dòng)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(dòng)汽車輪胎性能特點(diǎn)和市場(chǎng)反響較好的同類型基準(zhǔn)輪胎，確定輪胎性能定位及優(yōu)先順序。

2 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)性能

根據(jù)在城市路況中電動(dòng)汽車輪胎的使用特點(diǎn)，對(duì)本產(chǎn)品性能需求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序如表1所示。

表1 輪胎目標(biāo)性能優(yōu)先級(jí)排序

3 目標(biāo)性能產(chǎn)品的開發(fā)及實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 滾動(dòng)阻力

在開發(fā)初期，采用仿真預(yù)測(cè)技術(shù)降低與輪胎結(jié)構(gòu)相關(guān)的滾動(dòng)阻力。外輪廓設(shè)計(jì)完畢后，利用有限元方法進(jìn)行分析（見圖2），紅色越深表示肩部受到的應(yīng)力越大，進(jìn)而產(chǎn)生的變形越大。因此增大花紋塊剛性或使應(yīng)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(jù)有限元分析結(jié)果，結(jié)合以下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，F(xiàn)為應(yīng)力，α為變形量，tanδ為損耗因子（表征生熱），V為體積。

滾動(dòng)阻力的影響因素及影響因子有利變化趨勢(shì)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(lián)劑。

（3）體積/質(zhì)量。減小胎側(cè)、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(cè)厚度。（5）密煉。保證胎面膠料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）和60 ℃下的tanδ數(shù)值穩(wěn)定性。

（6）擠出/成型?？刂茢D出半成品質(zhì)量和成型胎坯質(zhì)量穩(wěn)定性。

產(chǎn)品試制完成后，在室內(nèi)滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)上按照ISO 28580：2018中的測(cè)試方法進(jìn)行滾動(dòng)阻力測(cè)試。在需要改善滾動(dòng)阻力時(shí)，綜合其他性能進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 NVH性能

電動(dòng)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(duì)內(nèi)燃機(jī)汽車而言，電動(dòng)汽車產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)相對(duì)較小，適度的輪胎車外噪聲可引起行人對(duì)車輛的警覺，有助于保護(hù)行人的安全，因此本產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初對(duì)花紋產(chǎn)生的噪聲沒有設(shè)置過于苛刻的要求。

圖3 電動(dòng)汽車在城市道路的行駛環(huán)境

在設(shè)計(jì)前期，利用仿真手段，對(duì)節(jié)距排列進(jìn)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(chǎn)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(jié)果分別如圖4和5所示。產(chǎn)品開發(fā)后期通過室內(nèi)噪聲重點(diǎn)考察車內(nèi)乘客對(duì)車內(nèi)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(jié)果

產(chǎn)品設(shè)計(jì)完畢，通過粗糙轉(zhuǎn)鼓面上Coastdown測(cè)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(jié)構(gòu)噪聲Colormap圖形

因此，調(diào)整輪胎材料結(jié)構(gòu)和改善輪胎整體剛度成為現(xiàn)有車內(nèi)噪聲改善的主要方向。

從設(shè)計(jì)角度分析，強(qiáng)度較大的冠帶材料和較小的帶束層角度對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲十分重要。厚度較大的胎面溝底膠和內(nèi)襯層膠容易產(chǎn)生較大的阻尼減震效應(yīng)，阻礙聲音傳入車內(nèi)。強(qiáng)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(shè)計(jì)體積較小，對(duì)于車內(nèi)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(duì)控制高速狀態(tài)下的車內(nèi)噪聲較有利。在胎體膨脹安全系數(shù)范圍內(nèi)，適當(dāng)減小胎坯周長(zhǎng)；保持成型加持塊和活絡(luò)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(jié)構(gòu)噪聲，滿足乘客對(duì)車內(nèi)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(duì)車輛的沖擊，徑向剛性與輪胎的振動(dòng)和沖擊有關(guān)。室內(nèi)高速均勻性試驗(yàn)機(jī)Cleat沖擊試驗(yàn)結(jié)果可表征輪胎通過凸塊時(shí)對(duì)輪胎沖擊力的影響，也可表征力隨時(shí)間的衰減的快慢。同時(shí)，也能測(cè)試在某一速度下，輪胎一階固有頻率對(duì)應(yīng)的力的幅值，便于設(shè)計(jì)時(shí)偏離車架一階固有頻率，防止共振的產(chǎn)生。

針對(duì)平順性問題的改善，從設(shè)計(jì)角度分析：輪胎的舒適性主要與胎側(cè)和胎冠的剛性相關(guān)；通過調(diào)整三角膠的高度或硬度、胎體層數(shù)和胎體反包高度等措施可以改善胎側(cè)的剛性；通過改變帶束層的角度或?qū)挾鹊却胧┛梢哉{(diào)整胎冠剛性。從工藝角度分析：均勻性參數(shù)中的徑向力一次諧波對(duì)車輛的抖動(dòng)有影響，因此控制產(chǎn)品的質(zhì)量/剛性/真圓度至關(guān)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(xiàn)方向盤抖動(dòng)的現(xiàn)象。

3.4 操控性能

對(duì)于城市道路專用電動(dòng)汽車輪胎，較強(qiáng)的抓著力是保證車輛安全行駛的基礎(chǔ)，可通過調(diào)整行駛面寬等外輪廓參數(shù)和胎面配方來(lái)提高抓著力。

一般來(lái)說(shuō)，側(cè)偏剛度是決定車輛操縱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，回正力矩可表征車輛恢復(fù)直線行駛的能力。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通過前期有限元仿真或后期的六分力測(cè)試技術(shù)作為判定手段，從而保證輪胎的側(cè)偏剛度、回正力矩和徑向剛性符合車型客觀性能指標(biāo)分解的需求以及輪胎的松弛長(zhǎng)度符合車型瞬態(tài)客觀性能指標(biāo)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(huì)影響輪胎的六分力特性參數(shù)（側(cè)向力側(cè)偏系數(shù)、回正力矩系數(shù)、徑向剛度和瞬態(tài)松弛長(zhǎng)度）。

4 設(shè)計(jì)思路與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

（1）確認(rèn)外輪廓。通過滾動(dòng)阻力、側(cè)偏剛度和接地壓力分布等項(xiàng)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(dòng)阻力性能優(yōu)異。若輪胎的接地面積大，可獲得較強(qiáng)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(duì)稱花紋。細(xì)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(qiáng)花紋溝的抗壓縮性，利于降低滾動(dòng)阻力，又可以降低由較大的花紋溝帶來(lái)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(lián)劑，獲得滾動(dòng)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(duì)輪胎半成品進(jìn)行組合和搭配。輪胎性能與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示。設(shè)定輪胎目標(biāo)性能并利用輪胎結(jié)構(gòu)部位的剛性分布情況（見圖8），結(jié)合有限元分析和DOE試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，通過性能評(píng)價(jià)的手段，對(duì)性能需求進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序并進(jìn)行優(yōu)化，確保各種性能達(dá)到最優(yōu)化。

圖7 輪胎性能與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系

圖8 輪胎剛性分布

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以用較少的試驗(yàn)方案和較短的試驗(yàn)周期獲得較為理想的試驗(yàn)結(jié)果，可對(duì)各個(gè)性能結(jié)果進(jìn)行排序，也可以通過均值分析，進(jìn)行局部細(xì)節(jié)的調(diào)整。

本產(chǎn)品開發(fā)采用六因子兩種水平的方案制定正交試驗(yàn)方案。

對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)并綜合滾動(dòng)阻力、噪聲等性能的參數(shù)結(jié)果，確定優(yōu)選方案；通過均值分析法，得出影響因子對(duì)輪胎性能的影響。該方法有助于方案的改善和調(diào)整。通過滾動(dòng)阻力、噪聲、六分力和高速均勻性等室內(nèi)測(cè)試，對(duì)比競(jìng)品輪胎的相關(guān)性能指標(biāo)，最終在方案中選擇出最優(yōu)產(chǎn)品方案進(jìn)行實(shí)車評(píng)價(jià)的確認(rèn)。

4.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)方案產(chǎn)品的主要特點(diǎn)

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

（2）花紋樣式。細(xì)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(dòng)阻力性能的同時(shí)，有利于防止產(chǎn)生過大的泵浦噪聲。

（3）材料分布（見圖9）。上胎側(cè)部位采用薄胎側(cè)和高反包簾布組合，滿足低滾動(dòng)阻力、舒適性和抗撞擊性能；下胎側(cè)部位采用小三角膠和大外護(hù)膠的合理搭配，保證較高的下胎側(cè)剛性，均衡了舒適性、操控性和低滾動(dòng)阻力；胎冠部位采用1層平鋪（1JF，1260dtex/2）高強(qiáng)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(dòng)，有利于舒適性和降低結(jié)構(gòu)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(jié)論

（1）本工作基于城市道路行駛路況及電動(dòng)汽車的市場(chǎng)需求開發(fā)了一款電動(dòng)汽車專用輪胎，結(jié)合車輛的續(xù)航里程、車內(nèi)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(dòng)阻力、舒適性、車內(nèi)NVH性能、操控性、抗撞擊、耐磨性能。

（2）列舉了滾動(dòng)阻力、舒適性、車內(nèi)NVH性能和操控性能等的實(shí)現(xiàn)方式，并進(jìn)行了影響因素分析，以應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)過程中，得到符合技術(shù)指標(biāo)的產(chǎn)品。

（3）外輪廓設(shè)計(jì)和胎面配方設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮了滾動(dòng)阻力，其次是抓著力和耐磨性能的綜合實(shí)現(xiàn)。

（4）本產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮輪胎對(duì)行人安全的保護(hù)，對(duì)花紋噪聲沒有設(shè)置苛刻的要求；花紋設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮滾動(dòng)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(jìn)行分析，采用DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行優(yōu)選方案的選擇，對(duì)不滿意的性能進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，最后經(jīng)過實(shí)車評(píng)價(jià)最終確認(rèn)。