超高速輪胎設(shè)計與性能分析

曲賓建，王 君，葉烔昕

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車的性能越來越好，特別是一些特殊性能車及跑車，對速度的追求越來越極致化。此外，歐洲部分國家的高速路不限速政策及全球蓬勃發(fā)展的賽車文化，使得車輛的極限速度也正屢次刷新著記錄。迄今為止，最快的量產(chǎn)車布加迪Chiron Super Sport 300＋，其最高速度已達(dá)到490.484 km·h-1。同時隨著新能源汽車市場的快速發(fā)展，超高速的新能源汽車也將很快出現(xiàn)。對車速起到關(guān)鍵作用的輪胎也相應(yīng)被提出了越來越高的要求：既要能承受車輛超高的起步轉(zhuǎn)矩，又要具備優(yōu)異的高速耐久穩(wěn)定性，并且要擁有良好的干、濕地抓著力，確保跑得穩(wěn)、剎得住[1-8]。

本工作通過對某款具有代表性的超跑使用輪胎進行全面分析，得出超高速輪胎的設(shè)計開發(fā)理念和方向。

1 車型的選定

選取目前國際上極速水平最高的4款車型：Bugatti Chiron Super Sport 300＋，Hennessey Venom F5，Koenigsegg Jesko和SSC Tuatara，其極速水平分別為：490，484，483和483 km·h-1。

2 輪胎的選擇

選擇以上4款超跑車型所使用的輪胎作為超高速輪胎的代表產(chǎn)品進行分析研究。

3 超高速輪胎分析

3.1 花紋

（1）非對稱花紋設(shè)計。可保證輪胎內(nèi)側(cè)的排水性能及外側(cè)的抓著性能。車輛在過彎時，特別是入彎速度較大時，由于離心力的作用，車輛會在離心力的方向上產(chǎn)生明顯側(cè)傾，輪胎的接地面積和形狀也會發(fā)生變化，即接地面積減小一半、外側(cè)約1/2寬度緊緊壓在地面上；內(nèi)側(cè)1/2寬度懸浮接觸地面。因此采用非對稱花紋設(shè)計，外側(cè)接地面積大于內(nèi)側(cè)接地面積，實現(xiàn)內(nèi)側(cè)排水、外側(cè)抓地，可以最大程度地提升車輛高速過彎時的操控性。雖然與對稱花紋相比，非對稱花紋在起步和剎車時，內(nèi)外側(cè)所受到的抓著力不相等，會造成整體胎面輕微的“扭曲”現(xiàn)象，產(chǎn)生能量損失。其后果就是輪胎的滾動阻力比對稱花紋輪胎稍大，理論上對燃油經(jīng)濟性略有影響，但對超跑汽車來說影響不大。

（2）3條主溝設(shè)計。取消外側(cè)的1條主溝，增大外側(cè)花紋的接地面積（外側(cè)花紋占比45%），提高了外側(cè)花紋剛性和抓著性能。

（3）無鋼片設(shè)計。保持花紋整體剛性，最大程度地保證了輪胎的抓著性能。一般來說，對于舒適型輪胎的花紋，通常采用在花紋塊上設(shè)計鋼片或者細(xì)小的橫溝，以打散花紋塊的整體剛性，從而降低花紋塊在與地面接觸時的沖擊和振動，同時降低噪聲。而對于運動型輪胎的花紋設(shè)計正好相反，即花紋塊特別是胎肩部的花紋塊剛性大于舒適型輪胎，從而實現(xiàn)輪胎優(yōu)異的抓著力，可以承受較高的起步、剎車扭矩。

（4）節(jié)距設(shè)計及排列方式。采用內(nèi)外側(cè)區(qū)分設(shè)計，內(nèi)側(cè)采用小尺寸、多數(shù)量設(shè)計（尺寸比例按照小∶中∶大＝0.87∶1.00∶1.18），保證了良好的排水性能及散熱能力，防止高速行駛時熱量集中，造成胎面脫層；外側(cè)采用大尺寸、少數(shù)量設(shè)計（尺寸比例按照小∶中∶大＝0.85∶1.00∶1.22），提升了輪胎的抓著性能和操控性能。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

3.2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

本 設(shè) 計D為695 mm，B為272 mm。對 比ETRTO的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，均大1 mm。偏大的外緣尺寸設(shè)計，很好地平衡了輪胎的操控性和舒適性，且對滾動阻力也有正向的影響。

3.2.2 斷面高（H）

本設(shè)計H為90 mm，上斷面高（H2）設(shè)計為49 mm，下斷面高（H1）為41 mm，H2/H為54.4%。一般來說，舒適型輪胎的設(shè)計多采用H2＜H1，有利于輪胎的噪聲、舒適性和滾動阻力；而運動型輪胎的設(shè)計方法則相反，多采用H2＞H1，對輪胎的操控穩(wěn)定性更好。

3.2.3 行駛面寬度（b）

b按照大尺寸設(shè)計，設(shè)計值為238 mm，與名義斷面寬的比值為90%。更大的行駛面寬度增大了胎面與地面的接觸面積，提升了高速行駛時輪胎的抓著性能。

超高速輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 超高速輪胎斷面輪廓示意

3.3 接地印痕

接地寬度（w）為230 mm，中心部分接地長度（Lc）為118 mm，85%位置處接地長度（L85）為101.4 mm，矩形率（L85/Lc）為86%，接地形狀為偏矩形設(shè)計。此設(shè)計可增大輪胎胎肩部位的接地面積，提升胎面的抓著性能，保證了輪胎在干、濕地均有優(yōu)異的剎車性能和操控性能。同時，對比橢圓形的設(shè)計，矩形化的接地印痕中心部的接地長度較短，在輪胎與地面的接觸過程中，胎面的變形量相對較小，因此輪胎的滾動阻力相對較低。

超高速輪胎接地印痕如圖2所示。

圖2 超高速輪胎接地印痕示意

3.4 施工設(shè)計

3.4.1 胎體

胎體采用單層高強度鋼絲簾線設(shè)計，單絲直徑達(dá)到1.2 mm以上。胎體作為輪胎整體的支撐部件，其強度直接影響輪胎整體剛性。在滿足安全及強度的條件下，可考慮使用單層高強度胎體，以減小滾動阻力，且最大程度地降低高速行駛時胎體生熱，提高高速耐久性能。

3.4.2 三角膠

胎側(cè)是影響輪胎操控穩(wěn)定性的重要部位。而對于低扁平比（30～40系列）的輪胎，對胎側(cè)剛性和強度影響較大的半部件為三角膠。因此，三角膠采用了內(nèi)外雙層設(shè)計，高度較大，與H的比值達(dá)到50%。此設(shè)計最大限度地提升了胎側(cè)的強度，既能承受車輛超高的起步轉(zhuǎn)矩，又能提高車輛底盤的操控性能。

3.4.3 胎圈

胎圈鋼絲采用雙列（6＋7）設(shè)計，且胎體末端在兩列鋼絲之間。此排列方式最大限度地提升了輪胎胎圈部徑向和縱向剛度，但此設(shè)計方法按照目前傳統(tǒng)成型方式較難實現(xiàn)。推測可能使用了特殊的成型技術(shù)。

超高速輪胎結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 超高速輪胎結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)語

通過對某款具有代表性的超跑使用輪胎進行全面分析，得出如下設(shè)計方向。

（1）花紋采用非對稱設(shè)計，可最大限度地提升外側(cè)花紋的剛性，增大接地面積；節(jié)距尺寸和排列采用內(nèi)、外側(cè)區(qū)分設(shè)計。內(nèi)側(cè)節(jié)距采用小尺寸、多數(shù)量設(shè)計，保證內(nèi)側(cè)花紋優(yōu)異的排水性能和散熱能力；外側(cè)節(jié)距采用大尺寸、少數(shù)量設(shè)計，保證外側(cè)花紋優(yōu)異的抓著力和過彎的操控穩(wěn)定性。

（2）輪廓采用大尺寸設(shè)計，胎面輪廓呈現(xiàn)平直的形象。斷面高采用上斷面高大于下斷面高的設(shè)計。該設(shè)計方法不僅能在輪胎的舒適性和操控性上做出優(yōu)化平衡，還能對輪胎的滾動阻力起到正向影響。

（3）接地印痕采用矩形化設(shè)計，不僅提高了輪胎在干濕地路面的抓著力和操控性，對輪胎的滾動阻力也有正向影響。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，胎體可采用雙層普通胎體或者單層加強胎體；三角膠的高度和厚度以及胎圈鋼絲均采用加強設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計整體思路按照高強度方向設(shè)計，最大程度地滿足車輛在高速行駛過程中的操控穩(wěn)定性和安全性。