225/60R18超低滾動阻力轎車子午線輪胎的設計

王海艷，張偉偉，汪 燕，隋永強，侯莉莉，倪小宇，王子豪

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

“綠色環(huán)?！币驗槿蚰茉次C和生存環(huán)境惡化日益嚴峻不僅僅是口號或者概念，而是各行各業(yè)都將落到實處的行動[1-3]。各國針對輪胎的滾動阻力性能要求越來越高，例如歐盟法規(guī)第二期的實施。雖然我國新能源汽車的銷量越來越大，但是依然以燃油汽車為主，主機廠對燃油汽車的開發(fā)目標也越來越高。配套輪胎的開發(fā)是汽車開發(fā)的重要組成部分，作為汽車與地面接觸的唯一部件，輪胎起到舉足輕重的作用，因此對輪胎輕量化、低滾動阻力[4-5]、低噪聲[6-8]、高濕地抓著性能和高承載性能等提出了更高的要求。

本工作主要針對國內(nèi)緊湊型多功能車（CUV），開發(fā)225/60R18超高性能（UHP）新能源轎車子午線輪胎。特殊的胎面膠和優(yōu)化模具設計，可以保證輪胎在城市路況條件下保持良好的舒適性和抓著性能，并降低能耗。該規(guī)格輪胎正常滾動阻力系數(shù)約為8 N·kN-1，而本產(chǎn)品的設計目標是超低滾動阻力（滾動阻力系數(shù)小于6.5 N·kN-1）、優(yōu)良的抓著性能和低噪聲性能，并兼顧操縱性能和乘坐舒適型，同時具備可量產(chǎn)能力。

1 技術要求

根據(jù)GB/T 2978—2014《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負荷》的要求，確定225/60R18輪胎的技術參數(shù)為：測量輪輞 6.5J×18，充氣外直徑（D′） 727（719～735） mm，充氣斷面寬（B′）228（219～237） mm，標準充氣壓力 250 kPa，標準負荷 800 kg，負荷指數(shù) 100，速度級別 V。

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

轎車輪胎因為有帶束層和冠帶層束縛，充氣后輪胎外直徑膨脹較小，一般為2～3 mm，有時會略有減小。本次設計超低滾動阻力新能源輪胎，采用輕量化輪廓設計理念，冠部設計厚度較小，故D有可能不變。本次輪胎D′目標值為727 mm，根據(jù)現(xiàn)有工藝和以往產(chǎn)品設計經(jīng)驗，D取727 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.0。

胎圈著合寬度（C）每增大12.7 mm（0.5英寸），B取值增大5 mm。本產(chǎn)品B′為228 mm，考慮胎體材料、帶束層材料及角度、斷面高寬比及輪廓尺寸等的影響，結(jié)合以往設計經(jīng)驗，B取233 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）為0.978 54。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h決定輪胎的接地寬度和冠部形狀，進而決定輪胎的操縱性能、舒適性、耐磨性能以及冠部彎曲變形量。針對本次超低滾動阻力輪胎，采用小的接地寬度和變形量，結(jié)合以往設計經(jīng)驗和低滾動阻力產(chǎn)品設計特殊性，本次設計b取185 mm，b/B為0.79，為輪胎名義斷面寬的82%，h取10.13 mm，為輪胎斷面高的7.6%。

為更好地控制輪胎的h和接地印痕形狀，采用多段弧和薄肩部設計。輪胎充氣外緣尺寸、接地印痕形狀和滾動阻力采用仿真技術進行分析。在充氣壓力180 kPa條件下，D′為728.69 mm，B′為229.23 mm。在充氣壓力240 kPa、負荷率80%條件下，滾動阻力系數(shù)為6.935 N·kN-1，有限元仿真輪胎接地印痕形狀如圖1所示。

圖1 有限元仿真輪胎接地印痕形狀

2.3 胎圈著合直徑（d）和C

為了使輪胎與輪輞更好地配合，d取值不能大于輪輞名義直徑，否則會出現(xiàn)漏氣等問題，但d取值也不能比輪輞名義直徑小很多，否則會出現(xiàn)過盈量過大而導致輪胎裝卸困難問題。結(jié)合公司的生產(chǎn)工藝和以往的設計經(jīng)驗，d小于輪輞名義直徑1.8 mm，取460.2 mm。

C的選取可參考輪輞寬度與B的比值和胎圈寬度與輪輞寬度的差值來確定，但其差值不宜太大，約為12.7 mm（0.5英寸），故C取177.8 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

胎側(cè)變形對輪胎生熱的影響僅次于胎面，因此胎側(cè)曲線設計也很重要。根據(jù)力學分析和有限元仿真分析驗證，斷面水平軸所在的輪胎斷面最寬位置是輪胎負荷下法向變形最大部位，水平軸往哪個方向移動，哪個方向的受力增大。本設計既要減小胎側(cè)和胎肩部位受力變形，同時要兼顧輪胎的舒適性，因此H1/H2取0.96。輪胎斷面輪廓如圖2所示。

圖2 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面采用非對稱UHP類型花紋設計理念，在保證輪胎良好的安全性、操縱性能和舒適性之外，也配合CUV的外觀美化炫酷意念。該花紋非對稱設計不只在花紋形式，在4條縱溝寬度設計方面也因為平衡輪胎的操縱性能、舒適性及節(jié)油性能，采取不同的數(shù)值，花紋深度為6.7 mm。采用公司自主研發(fā)的花紋噪聲分析軟件“TP3輪胎趾紋性能預報平臺”進行節(jié)距優(yōu)化，確定花紋節(jié)距排列，花紋周節(jié)數(shù)為78，可有效降低花紋噪聲，即使胎面磨到提醒用戶更換輪胎的磨耗標志，也不會影響舒適性。同樣為保證輪胎的抓著力，花紋飽和度設計為65%。胎面花紋展開如圖3所示。

圖3 胎面花紋展開示意

3 施工設計

3.1 胎面

胎面配方設計是影響新能源CUV輪胎滾動阻力性能的主要因素，胎面膠能耗占輪胎總能耗的35%。本設計胎面膠配方采用改性溶聚丁苯橡膠和改性白炭黑，可有效降低輪胎滾動阻力，提高濕地抓著性能[9-10]。

胎側(cè)和耐磨膠采用新型生膠體系和硫化體系，在保證耐屈撓和耐老化性能的基礎上，進一步提高輪胎的滾動阻力性能。

3.2 冠帶層和帶束層

本輪胎為新能源CUV配套，冠部結(jié)構(gòu)設計影響較大，采用1層冠帶層和2層帶束層設計，冠帶層采用1400dtex/2錦綸66浸膠簾布，帶束層采用3×0.28ST超高強度鋼絲簾線。

3.3 胎體

為平衡性能與輕量化，根據(jù)公司現(xiàn)有輪胎產(chǎn)品所用簾線種類和安全倍數(shù)計算，胎體選擇2層1110dtex/2高強度聚酯簾布、低反包設計。胎體安全倍數(shù)為14.2。

3.4 胎圈

鋼絲圈選擇直徑為1.3 mm的胎圈鋼絲，經(jīng)過安全倍數(shù)計算，鋼絲排列方式選為4-5-4-3，鋼絲圈為六邊形結(jié)構(gòu)，底面較寬，使輪胎與輪輞配合更加穩(wěn)固。鋼絲圈安全倍數(shù)為10.8。

4 成品輪胎性能

4.1 外緣尺寸和質(zhì)量

輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測量，將輪胎安裝在標準輪輞上，在標準充氣壓力下，測得D′為729 mm，B′為229 mm，接近設計標準中值，滿足內(nèi)控標準要求。

輪胎質(zhì)量要求為（10.603±0.312） kg。抽檢10條輪胎，放置在電子秤上稱量，結(jié)果為10.75～10.82 kg，計算平均值為10.80 kg，滿足設計要求。

4.2 臺架試驗

按照GB/T 4502—2009進行輪胎各項安全法規(guī)性能試驗，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，225/60R18輪胎安全法規(guī)性能符合國家標準要求。

表1 輪胎安全法規(guī)性能試驗結(jié)果

4.3 滾動阻力和噪聲

常規(guī)施工方案為方案1，方案2—4分別在成型工藝、輪廓和配方方面逐步優(yōu)化，按照歐盟ECE R117輪胎標簽法規(guī)進行滾動阻力測試。具體方案和滾動阻力測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同方案輪胎滾動阻力測試結(jié)果

方案1設計與仿真模型相同，預測值與實際值接近。經(jīng)過3次調(diào)整，方案4輪胎滾動阻力系數(shù)較方案1輪胎減小22%，為該產(chǎn)品目前最低滾動阻力。

按照歐盟ECE R117輪胎標簽法規(guī)，對方案4輪胎進行通過噪聲測試，噪聲值為70 dB（A）。

4.4 整車測試

選擇近3年銷量較高的長城H6車型進行整車性能對比分析，競品為同規(guī)格夏季非對稱花紋輪胎，以方案4為基礎方案（方案A），進行調(diào)整（方案B），由第三方權(quán)威測試機構(gòu)和業(yè)內(nèi)經(jīng)驗豐富的實測車手進行主客觀測評，結(jié)果如表3所示。

表3 整車主客觀測試結(jié)果

從表3主觀測試結(jié)果可以看出：方案A和B輪胎表現(xiàn)為乘坐舒適性等于或稍好于競品輪胎，濕地操縱性能優(yōu)勢明顯，干地操縱性能方面，方案A輪胎略差于競品輪胎，方案B輪胎略優(yōu)于競品輪胎；方案A偏重舒適性，方案B調(diào)整則偏重操縱性能。

從表3客觀測試結(jié)果可以看出：相對競品輪胎，方案A和B輪胎的濕地制動距離縮短4～5 m，干地制動距離縮短1.3～1.7 m；輪胎質(zhì)量減小0.8 kg左右。

5 結(jié)論

225/60R18 UHP輪胎在滿足5項安全法規(guī)性能的基礎上，滾動阻力性能達到A級以上，整車測試主客觀評價優(yōu)于競品，性能達到預期目標，已經(jīng)投入量產(chǎn)。該規(guī)格輪胎廣泛用于SUV車系，技術經(jīng)驗也可推廣到其他新能源輪胎產(chǎn)品，為公司的品牌推廣和經(jīng)濟效益做出巨大的貢獻。