一款運(yùn)動(dòng)型轎車輪胎的開發(fā)與調(diào)校

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(shè)計(jì)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(shí)也肩負(fù)保證駕駛者和乘車人安全的重任。對(duì)于運(yùn)動(dòng)型轎車輪胎來說，操縱性、更短的剎車距離、舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性都是車主關(guān)心的重要因素。本工作針對(duì)國內(nèi)路況研發(fā)一款主機(jī)廠配套運(yùn)動(dòng)型轎車輪胎。

目前市場上國產(chǎn)運(yùn)動(dòng)車型配套產(chǎn)品開發(fā)，供應(yīng)商基本跟隨整車開發(fā)周期進(jìn)度。為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低研發(fā)成本，有些國內(nèi)輪胎廠在研發(fā)原配產(chǎn)品時(shí)在相近產(chǎn)品模具和施工基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。這種設(shè)計(jì)思路缺點(diǎn)比較明顯，即固定的生產(chǎn)模具在一定程度上限制了產(chǎn)品性能的提升。國外主流輪胎廠根據(jù)市場銷售趨勢，對(duì)原配產(chǎn)品進(jìn)行原創(chuàng)設(shè)計(jì)，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(chǎn)成熟運(yùn)動(dòng)車型作為輪胎選型的基礎(chǔ)車，并選定與新開發(fā)車型相同型號(hào)的配套成熟輪胎作為基準(zhǔn)輪胎[1]。以此為基準(zhǔn)，新開發(fā)一款安全性強(qiáng)、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(dòng)性和操控性，其次是噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）以及舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 技術(shù)要求

根據(jù)該款車型國內(nèi)外銷售需求，配套輪胎規(guī)格為235/70R16 106H，設(shè)計(jì)參照GB/T 2978—2014《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》、ETRTO 2012和TRA 2012?；炯夹g(shù)要求如下：標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 950 kg。主要性能要求如下：制動(dòng)距離 ≤41 m，滾動(dòng)阻力 ≤7.5 N·kN-1，操控性、舒適性和NVH均優(yōu)于基準(zhǔn)輪胎。

2 外輪廓設(shè)計(jì)

輪胎外直徑（D）和斷面寬（B）對(duì)原配輪胎產(chǎn)品有著重要的影響。一是因?yàn)檩喬サ臐L動(dòng)半徑與車輛的速度相關(guān)；二是因?yàn)檩喬サ耐饩壋叽缗c周圍殼體存在干涉性。

輪胎D′主要受帶束層和冠帶層結(jié)構(gòu)的影響。一般來說，D＝D′-α（α為膨脹系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)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(guān)），本規(guī)格設(shè)計(jì)計(jì)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(jié)構(gòu)，D′取734 mm，D取733 mm。

輪胎著合寬度（L）與B密切相關(guān)，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(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度大（差值為c）。根據(jù)扁平比不同，c的范圍為12.7～25.4 mm。為防止胎側(cè)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(shè)計(jì)輪胎為扁平比70系列產(chǎn)品，為增大鋼絲簾線張力，保持輪胎下胎側(cè)彈性，增強(qiáng)車輛操控性，本設(shè)計(jì)c取25.4 mm，B′取237 mm。

行駛面寬度（b）依據(jù)原配輪胎目標(biāo)性能而定，一般增大b會(huì)使輪胎的接地面積增大，干地操控性和磨耗性能提高，制動(dòng)距離縮短，但是滾動(dòng)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(dòng)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(dòng)阻力越小；但過大的胎面半徑導(dǎo)致肩部胎面變厚，高速和燃油經(jīng)濟(jì)性也會(huì)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(huì)產(chǎn)生趨于圓形的印痕，有利于舒適性；r越小，則會(huì)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(shí)又要避免兩者之間相對(duì)位移造成漏氣[3]。本次設(shè)計(jì)采用過盈配合設(shè)計(jì)，胎圈著合直徑（d）比輪輞直徑小1.4 mm。

輪胎的側(cè)偏特性是研究操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)[4]。通過有限元分別分析兩種外輪廓輪胎的接地印痕和側(cè)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(chǎn)品操控性的定位。

圖1 兩種外輪廓對(duì)比

優(yōu)化設(shè)計(jì)的輪胎主要外輪廓參數(shù)如圖3和表1所示。

圖2 兩種外輪廓輪胎的側(cè)偏剛度變化趨勢

圖3 輪胎外輪廓參數(shù)示意

表1 輪胎外輪廓參數(shù)設(shè)計(jì) mm

3 花紋設(shè)計(jì)

輪胎花紋設(shè)計(jì)示意和參數(shù)分別如圖4和表2所示。

表2 輪胎花紋參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4 輪胎花紋設(shè)計(jì)示意

本設(shè)計(jì)采用非對(duì)稱花紋。外側(cè)剛性大的花紋塊和3維刀槽銜接抑制了車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)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(shè)計(jì)能避免胎面內(nèi)過多空氣的橫向移動(dòng)，從而降低胎噪；內(nèi)側(cè)采用開放式橫向花紋及斜向刀槽，提高了排水性，同時(shí)提升車輛橫向牽引能力；中間主花紋塊設(shè)計(jì)了很多細(xì)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(dòng)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(chǎn)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(nèi)設(shè)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(duì)節(jié)距排列進(jìn)行優(yōu)化，使原本聚集在一個(gè)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(nèi)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(chǎn)生較大的剛性差距，造成不規(guī)則磨損，導(dǎo)致振動(dòng)從而產(chǎn)生噪聲。

花紋塊加入柔韌倒角設(shè)計(jì)，使車輛行駛時(shí)輪胎與地面更好貼合，間接縮短車輛制動(dòng)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(duì)花紋橫溝角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成流線型，使得空氣流通更順暢，有效降低噪聲。

4 施工設(shè)計(jì)

為滿足操控性等性能要求，需考慮胎面和胎側(cè)的硬度和厚度等；為滿足滾動(dòng)阻力要求，在保持相同強(qiáng)度的同時(shí)需盡量選擇輕質(zhì)骨架材料；根據(jù)運(yùn)動(dòng)車型優(yōu)先保證制動(dòng)性、側(cè)向支撐和抓地力等性能，兼顧舒適性的技術(shù)特點(diǎn)，在外輪廓和花紋設(shè)計(jì)確定后，其他設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)阻力降低，同時(shí)高含量乙烯基的微觀結(jié)構(gòu)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(dòng)阻力低、抓地性能好的優(yōu)點(diǎn)，配合硅烷偶聯(lián)劑提高白炭黑分散性，從而滿足平衡滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)，胎面剛性又過大。為有效平衡操控性、舒適性和滾動(dòng)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(qiáng)度要求，又要減小輪胎質(zhì)量，本設(shè)計(jì)中帶束層采用3×0.28ST鋼絲簾線。

（4）胎體。通過改進(jìn)胎體的結(jié)構(gòu)和材料，改善其韌性和強(qiáng)度，使其在受到?jīng)_擊產(chǎn)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(hù)胎體結(jié)構(gòu)。經(jīng)安全倍數(shù)計(jì)算，確定胎體骨架材料為1670dtex/2聚酯纖維簾布；根據(jù)操控性要求，簾線膨脹因數(shù)取1.04。

（5）胎圈。三角膠高度一般為斷面高的25%～30%，實(shí)際設(shè)計(jì)根據(jù)扁平比可上下調(diào)整；為保證舒適性要求，三角膠與外護(hù)膠合理搭配，高度可適當(dāng)降低。三角膠高度過低容易造成轉(zhuǎn)彎響應(yīng)慢，并且在通過一些障礙（如減速帶）時(shí)，低頻震動(dòng)明顯；三角膠高度過高則易造成垂向剛性大，沖擊感較強(qiáng)，平順性差。經(jīng)過安全倍數(shù)計(jì)算，鋼絲圈選擇“3-4-5-4-3”排列方式。

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

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了3個(gè)方案的施工設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3 施工設(shè)計(jì)參數(shù)

5 調(diào)校與匹配

5.1 第1輪調(diào)校

3個(gè)方案的第1輪調(diào)校結(jié)果如表4所示。

表4 第1輪調(diào)校結(jié)果

與基準(zhǔn)輪胎相比，A方案輪胎操控性欠佳、轉(zhuǎn)向響應(yīng)較慢、抓地力一般；B方案輪胎與車輛匹配轉(zhuǎn)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(cè)向支撐和轉(zhuǎn)向性能優(yōu)異，但對(duì)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(zhǔn)輪胎作詳細(xì)對(duì)比與說明如下。

（1）燃油經(jīng)濟(jì)性。通過臺(tái)架試驗(yàn)測試輪胎滾動(dòng)阻力，并依據(jù)GB/T 12536—2017《汽車滑行試驗(yàn)方法》測試滑行距離，可知本設(shè)計(jì)產(chǎn)品和基準(zhǔn)輪胎均符合要求。

（2）制動(dòng)性能。根據(jù)ISO 23671：2015的測試方法：車輛從零加速至100 km·h-1后進(jìn)行緊急制動(dòng)，至車輛完全停止。相較標(biāo)準(zhǔn)輪胎，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品制動(dòng)響應(yīng)快、制動(dòng)距離短；前端車載設(shè)備V-BOX可準(zhǔn)確計(jì)算制動(dòng)距離。

（3）操縱穩(wěn)定性。與基準(zhǔn)輪胎相比，本設(shè)計(jì)輪胎的原地轉(zhuǎn)向力較小，易于操縱。在抓地力方面，在250 m路面上擺放8個(gè)樁桶，每個(gè)樁桶的間隔為15 m。裝配本設(shè)計(jì)輪胎的車輛以70 km·h-1的速度進(jìn)行均速繞樁測試，測試過程中沒有出現(xiàn)任何側(cè)滑現(xiàn)象，抓地力較突出；過S彎時(shí)，突破極限抓地力后，抓地力超過基準(zhǔn)輪胎且下降幅度較小（見圖6）。隨著行駛速度的增大，方向盤的力感線性增大，中心轉(zhuǎn)向的性能良好，方向盤中間的虛位較小，體現(xiàn)了良好的運(yùn)動(dòng)性趨向。本設(shè)計(jì)輪胎與基準(zhǔn)輪胎的操控性能對(duì)比如圖7所示。

圖7 本設(shè)計(jì)輪胎與基準(zhǔn)輪胎的操控性能對(duì)比

（4）舒適性。在振動(dòng)舒適性方面，與基準(zhǔn)輪胎相比，本設(shè)計(jì)輪胎在全速度區(qū)間內(nèi)具有良好的緩沖性能，傳遞給駕駛員的沖擊感較??；余留振動(dòng)較強(qiáng)，略遜于標(biāo)準(zhǔn)輪胎；對(duì)高頻振動(dòng)的隔絕感較好，沒有多余的振動(dòng)傳入車內(nèi)。在沖擊舒適性方面，與基準(zhǔn)輪胎相比，本設(shè)計(jì)輪胎經(jīng)過減速帶時(shí)，瞬間沖擊力較大；受沖擊時(shí)，包覆性（胎冠部位的吸收能力）較強(qiáng)；受沖擊后，振動(dòng)衰減較干脆。

（5）NVH。車輛在以80 km·h-1的速度行駛時(shí)出現(xiàn)較大的轟鳴聲（鼓振）。采用振動(dòng)噪聲測試與分析系統(tǒng)（LMS）音頻測試設(shè)備測得車內(nèi)最大噪聲為80.3 dB，對(duì)應(yīng)頻率為92 Hz，而目標(biāo)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(chǎn)生異響，隨后傳遞至車內(nèi)。各速度行駛下的噪聲及其對(duì)應(yīng)的頻率如圖8和9所示。

圖8 各車速下車內(nèi)噪聲

圖9 噪聲與頻率關(guān)系圖

5.2 第2輪調(diào)校

針對(duì)第1輪調(diào)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(duì)輪胎結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下調(diào)整。

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

（2）針對(duì)車內(nèi)噪聲大的問題，將花紋鋼片深度適當(dāng)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(dǎo)致的車內(nèi)噪聲。

經(jīng)過第2輪調(diào)校后，輪胎基本滿足車輛整體性能要求。

6 結(jié)論

（1）以國內(nèi)一款運(yùn)動(dòng)型轎車為例，選定相似車型原配輪胎為基準(zhǔn)輪胎，結(jié)合車型定位確定設(shè)計(jì)輪胎性能的優(yōu)先順序。優(yōu)先保證其制動(dòng)性和操控性，其次是NVH、舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性。以綜合性能不低于基準(zhǔn)輪胎為目標(biāo)，從輪胎外輪廓設(shè)計(jì)、花紋設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)等多方面開發(fā)運(yùn)動(dòng)型轎車配套專用的輪胎。

（2）本設(shè)計(jì)采用新的原配產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)車型定位，輪胎花紋設(shè)計(jì)選擇非對(duì)稱花紋。為平衡舒適性和NVH性能，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)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(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

（4）施工設(shè)計(jì)依據(jù)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(chǎn)品開發(fā)后期側(cè)重于施工設(shè)計(jì)的優(yōu)化，以及輪胎的調(diào)校。本設(shè)計(jì)輪胎只進(jìn)行了兩輪調(diào)校。第1輪調(diào)校結(jié)果為輪胎操控性和制動(dòng)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(diào)校中增大了上胎側(cè)厚度以吸收振動(dòng)、減緩沖擊力，并通過減小花紋鋼片深度，消除剛性過小而導(dǎo)致的異響。