電動(dòng)汽車專用輪胎發(fā)展趨勢(shì)*

朱波王海森鄭敏毅張農(nóng)王金橋汪躍中

（1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程技術(shù)研究院；2.奇瑞新能源汽車博士后科研工作站）

由于電動(dòng)汽車具有良好的節(jié)能減排特性，汽車行業(yè)的專家和學(xué)者普遍認(rèn)為電動(dòng)汽車是未來汽車的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前電動(dòng)汽車的發(fā)展和應(yīng)用受制于電池的能量密度偏低，如何降低整車能耗和提升續(xù)駛里程成為研究熱點(diǎn)，而采用低滾動(dòng)阻力輪胎是提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的一個(gè)快捷有效的方法。我國(guó)完成輪胎子午化后，為了適應(yīng)新世紀(jì)下的新政策，目前輪胎設(shè)計(jì)有了新的發(fā)展方向——節(jié)能環(huán)保型輪胎、綠色輪胎、防水滑安全輪胎、跑氣保用輪胎及智能輪胎等[1]。《中國(guó)制造2025》對(duì)低滾阻輪胎也提出了明確的要求：國(guó)產(chǎn)節(jié)能輪胎濕滑、磨耗、噪聲性能持續(xù)改善，滾動(dòng)阻力降低30%，實(shí)現(xiàn)節(jié)油6%以上，產(chǎn)品占自主市場(chǎng)份額超過50%[2]。文章通過分析電動(dòng)汽車專用輪胎的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)如何降低電動(dòng)汽車輪胎的滾動(dòng)阻力進(jìn)行了論述。

1　低滾阻發(fā)展趨勢(shì)

輪胎的胎壓、直徑和材料等因素都會(huì)影響輪胎的滾動(dòng)阻力，進(jìn)而影響汽車經(jīng)濟(jì)性。圖1示出滾動(dòng)阻力系數(shù)（f）對(duì)一次充電續(xù)駛里程的影響[3]。從圖1可以看出，輪胎的滾動(dòng)阻力是輪胎對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性影響的最主要因素，汽車經(jīng)濟(jì)性隨滾動(dòng)阻力的增大而降低。

圖1　滾動(dòng)阻力系數(shù)對(duì)續(xù)駛里程的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的30%～40%消耗在輪胎滾動(dòng)阻力上，而輪胎變形阻力占輪胎滾動(dòng)阻力總值的90%以上（輪胎空氣阻力、輪胎與路面滑動(dòng)阻力占10%左右），因此，有效地減小輪胎滾動(dòng)阻力，需從減小輪胎變形阻力著手。

1）減小輪胎滾動(dòng)阻力可從減輕輪胎質(zhì)量出發(fā)。當(dāng)輪胎質(zhì)量減輕時(shí)，輪胎各部件需使用最小的部件厚度，這也是為了保證輪胎的使用性能。采用輕質(zhì)材料可減輕輪胎質(zhì)量，例如用芳綸帶束層代替鋼絲帶束層。

2）減小輪胎材料的滯后損失是降低輪胎滾動(dòng)阻力的另一種方案。試驗(yàn)測(cè)得，輪胎各部件能耗占輪胎能耗為：胎面膠39%、胎圈包布14%、三角膠13%、帶束層8%、胎側(cè)7%和簾布層6%，因此主要通過改進(jìn)胎面膠來降低能耗[4]。現(xiàn)如今，減小輪胎材料的滯后損失來降低輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)的手段是增加輪胎中的有機(jī)硅能[5]。

2　高胎壓發(fā)展趨勢(shì)

輪胎的工作氣壓直接關(guān)系到汽車行駛的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在負(fù)荷一定時(shí)，輪胎工作氣壓過高，下沉量變小，地面接觸面積縮小，單位面積所受的力增加，從而加速了胎面中部的磨損，縮短了輪胎的使用壽命，但是在此情況下，低滾動(dòng)阻力有利于降低能量消耗；輪胎工作氣壓過低，下沉量增大，胎面邊緣負(fù)荷增大，胎肩早期磨損，增加了滾動(dòng)阻力，這對(duì)節(jié)能和減少輪胎磨損都不利。

圖2示出滾動(dòng)阻力系數(shù)與充氣壓力的關(guān)系。從圖2可以看出，胎壓越高，輪胎滾動(dòng)阻力越低，這是由于高胎壓增大了輪胎本身的剛度，從而降低了滾動(dòng)產(chǎn)生的變形以及由此產(chǎn)生的滯后損失[6]。輪胎滾動(dòng)時(shí)所消耗的能量與速度成正比，若速度增加，輪胎的溫度就會(huì)升高，能耗也就增多。欲使輪胎高速行駛，并保持良好的輪胎壽命和承載能力，需要提高氣壓，減小變形[7]。

圖2　滾動(dòng)阻力系數(shù)與充氣壓力的關(guān)系

高胎壓一方面可以增加輪胎本身剛度，降低輪胎滾動(dòng)阻力，另一方面也會(huì)增大輪胎徑向剛度，破壞車輛的平順性，同時(shí)減小輪胎的回正力矩，降低車輛的操縱穩(wěn)定性。胎壓與徑向剛度、回正力矩的關(guān)系，如圖3和圖4所示。可見，高胎壓有利有弊，對(duì)于不同的汽車使用條件，必須對(duì)胎壓作具體分析，確定最合適的輪胎氣壓[8]。

圖3　輪胎氣壓與徑向剛度的關(guān)系

圖4　輪胎氣壓與回正力矩的關(guān)系

一般情況下，電動(dòng)汽車行駛時(shí)輪胎氣壓較高，這也是出于節(jié)能的考慮。在負(fù)載不變的情況下，低滾阻輪胎的滾動(dòng)阻力值平均可降低12%～20%，如果一輛汽車使用4條低滾阻輪胎，平均可降低5%的燃油消耗。對(duì)輪胎氣密層和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)較高的輪胎行駛充氣壓力[9]。

3　輪胎尺寸趨勢(shì)

空氣體積是影響輪胎負(fù)荷能力的主要因素之一，其與輪胎的直徑呈正比。在達(dá)到相同負(fù)荷能力的前提下，輪胎直徑越小，輪胎使用材料也就越多，輪胎的滾動(dòng)阻力也就越大。更大的輪胎直徑與狹窄的胎面二者的結(jié)合具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的汽車行駛，輪胎直徑較小更容易引發(fā)輪胎的過度運(yùn)動(dòng)或變形，而大直徑的輪胎保持了輪胎與輪轂間的相對(duì)靜止，降低了能量損耗，輪胎的過度運(yùn)動(dòng)或變形也得到了改善。同時(shí)，輪胎正面與空氣的接觸面積也會(huì)因胎面的變窄而減小，進(jìn)而降低了輪胎滾動(dòng)阻力。另一方面二者的結(jié)合為汽車提供了更大的布置空間。對(duì)于車輪電動(dòng)機(jī)型電動(dòng)汽車來說，配置大直徑的輪胎保證了安裝電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)的空間。

扁平化，即輪胎斷面結(jié)構(gòu)的高寬比越來越小。輪胎斷面高寬比與滾動(dòng)阻力呈現(xiàn)正相關(guān)，高寬比減小，輪胎變形減少，滯后損失相應(yīng)地降低，從而減小了輪胎滾動(dòng)阻力。扁平率對(duì)輪胎側(cè)偏剛度影響很大，如圖5所示，扁平率小的輪胎，接地面積會(huì)變寬，成反比關(guān)系的側(cè)偏剛度便會(huì)提高，故采用扁平率小的寬輪胎是提高側(cè)偏剛度的主要措施[10]。

圖5　輪胎扁平率與側(cè)偏剛度的關(guān)系

4　輪胎胎面變化的發(fā)展趨勢(shì)

試驗(yàn)測(cè)得，熱能耗散方式的輪胎能耗占乘用車燃料消耗的8%～20%，而胎面引發(fā)的能耗占輪胎滾動(dòng)阻力的3/4，因此降低輪胎滾動(dòng)阻力需從改造胎面出發(fā)。

1）胎面材料的改變。降低輪胎滾動(dòng)阻力可以向橡膠中添加聚合物。文獻(xiàn)[11]提出向橡膠中添加白炭黑，在降低輪胎滾動(dòng)阻力的同時(shí)確保了良好的抗?jié)窕阅堋?duì)于輪胎骨架材料，帶束層選用高強(qiáng)度的鋼絲，胎體層選用新型高性能纖維材料，這對(duì)降低輪胎滾動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排十分有利。

2）輪胎結(jié)構(gòu)的改變。避免從胎面到胎圈間的變形利于滯后損失的降低，其變形可通過帶束層寬度大于行駛面寬度而被有效控制[12]。增加輪胎斷面寬，降低三角膠高度，胎面部位變形減小，從而滾動(dòng)阻力降低。

3）胎面花紋的改變。在確保輪胎耐磨性和高附著性的前提下,各大輪胎公司設(shè)計(jì)新的胎面花紋來降低輪胎的滾動(dòng)阻力。如米其林公司的XZA（前軸用）輪胎，其胎面花紋為縱向花紋溝，溝深通過輪胎性能函數(shù)計(jì)算確定。該胎面花紋變形小，滾動(dòng)損失小，實(shí)現(xiàn)了良好的節(jié)能。

合理的聚合物與白炭黑的結(jié)合、優(yōu)質(zhì)的骨架材料、完善的輪廓設(shè)計(jì)、合適的花紋形狀等，利于電動(dòng)汽車輪胎低滾動(dòng)阻力的實(shí)現(xiàn)。

5　低噪聲

相比于內(nèi)燃機(jī)汽車，電動(dòng)汽車由于去掉了發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)巨大的噪聲源，使得高速行駛時(shí)的胎面噪聲變得更為突出。低滾阻輪胎不僅可以節(jié)省能耗，還可以降低車輪滾動(dòng)時(shí)的噪聲，使得電動(dòng)轎車行駛起來更為安靜。

輪胎低噪聲化技術(shù)的開發(fā)主要著眼于胎面的花紋。可以通過改變輪胎胎面橫溝的角度和寬度來改善噪聲特性。圖6示出型號(hào)為100.0-20 14PR的低噪聲橫溝花紋斜交輪胎的改良效果。文獻(xiàn)[13]曾對(duì)該輪胎進(jìn)行輪胎/道路噪聲和滾動(dòng)阻力測(cè)試，該試驗(yàn)中的5條輪胎選用不同增強(qiáng)材料。試驗(yàn)表明，在不增大車輛外部噪聲的前提下，可以通過改變輪胎的增強(qiáng)材料來降低輪胎的滾動(dòng)阻力。對(duì)于車輛內(nèi)部噪聲，結(jié)果并不一致，輪胎的增強(qiáng)材料使輪胎的剛性增大，傳遞給車輛懸掛系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲也將會(huì)增大。

圖6　低噪聲橫溝花紋斜交輪胎的改良效果

6　其他電動(dòng)汽車輪胎發(fā)展趨勢(shì)

全天候輪胎的胎面花紋較夏季輪胎花紋更復(fù)雜，其采用了全硅橡膠配方，輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也更完善。全天候輪胎結(jié)合夏季輪胎和冬季輪胎的優(yōu)點(diǎn)，其膠料配方確保了輪胎在不同的氣候條件下均有較好的抓地性能、良好的排水性能以及耐磨性能[14]。

文獻(xiàn)[15]根據(jù)汽車制動(dòng)情況，分析輪胎的受力情況，設(shè)計(jì)出了一種無內(nèi)胎的輪胎模型，該輪胎的氣壓可以被改變。固特異正在設(shè)計(jì)一款恒定胎壓產(chǎn)品，通過一個(gè)內(nèi)置的氣泵使輪胎維持恒定的胎壓狀態(tài)，同時(shí)輪胎的壓力也可被持續(xù)監(jiān)測(cè)，這也是一種節(jié)能減排、確保行駛安全的有效手段。

米其林研發(fā)了將輪轂電動(dòng)機(jī)和電子主動(dòng)懸掛都整合到輪內(nèi)的驅(qū)動(dòng)/懸掛系統(tǒng)，如圖7所示。通過整合，可以省略大量的傳動(dòng)部件，降低車載自重；簡(jiǎn)化車輛，利于汽車的結(jié)構(gòu)布局；實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方式。同時(shí)，該整合利于對(duì)制動(dòng)能量的回收，提高對(duì)車輪控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及便捷的新能源汽車技術(shù)的應(yīng)用[16]。

圖7　輪轂電動(dòng)機(jī)和電子主動(dòng)懸掛都整合到輪內(nèi)的驅(qū)動(dòng)/懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[17]提出，橡膠雖然是絕緣體，但輪胎內(nèi)層含鋼，能夠傳導(dǎo)超高頻率的電能，且頻率為一般電力的100萬倍，并且傳導(dǎo)過程中的電力耗損極小。如果電動(dòng)汽車可以運(yùn)用這項(xiàng)科技，其輪胎在汽車行駛途中就可以充電，半路停電拋錨的問題也就不會(huì)出現(xiàn)。

7　結(jié)論

輪胎對(duì)于整車能耗與操穩(wěn)性能意義重大，同時(shí)也是動(dòng)力性以及制動(dòng)性能的保障。輪胎性能的研究與輪胎匹配整車性能的研究應(yīng)相互結(jié)合，單純討論輪胎的某項(xiàng)性能并沒有很大的意義。輪胎應(yīng)與汽車懸架系統(tǒng)性能進(jìn)行匹配，而二者匹配所構(gòu)成的集成系統(tǒng)在很大程度上影響汽車的行駛性能，其主要表現(xiàn)在剛度、柔度和動(dòng)力學(xué)性能上。一條輪胎與某一汽車匹配表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，而與另一汽車匹配則可能表現(xiàn)出較差的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，即同一條輪胎與不同汽車匹配，表現(xiàn)出了較大差異的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。在國(guó)外，為了實(shí)現(xiàn)輪胎與汽車性能的良好匹配，在進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)的同時(shí)，輪胎生產(chǎn)商與汽車生產(chǎn)商會(huì)展開密切的交流研究，汽車生產(chǎn)商向輪胎生產(chǎn)商提出與該汽車匹配的輪胎的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能要求。對(duì)于輪胎生產(chǎn)商而言，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)滿足汽車性能要求的輪胎的同時(shí)，需要研發(fā)出輪胎動(dòng)態(tài)力學(xué)模型，便于汽車生產(chǎn)商進(jìn)行懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整車性能模擬仿真計(jì)算。在汽車生產(chǎn)商開始汽車設(shè)計(jì)之前，由輪胎生產(chǎn)商向汽車生產(chǎn)商提供輪胎動(dòng)態(tài)力學(xué)模型。目前國(guó)內(nèi)輪胎多以選配為主，還沒有進(jìn)入根據(jù)車型進(jìn)行設(shè)計(jì)的階段，因此影響了整車性能的發(fā)揮。

電動(dòng)汽車由于其驅(qū)動(dòng)和行駛的特性有別于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，因此對(duì)輪胎的設(shè)計(jì)要求也不一樣。為了綜合提高電動(dòng)汽車整車性能，達(dá)到最優(yōu)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平衡操穩(wěn)、平順及振動(dòng)噪聲等各項(xiàng)性能，需要對(duì)電動(dòng)汽車專用輪胎進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和開發(fā)制造。