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【技术分享】电动汽车轮胎滚动阻力与噪声协调设计及产品开发
2019-04-23 22:31:48· 来源：《轮胎工业》 作者：殷瑞婧，雍占福，冯启章，王昊，危银涛
摘要：提出电动汽车轮胎滚动阻力与噪声协调设计理论：选择窄胎面、大外径的轮胎尺寸，将标准充气压力提高到320kPa，带束层采用大角度设计方案（60～70），花纹设
摘要：提出电动汽车轮胎滚动阻力与噪声协调设计理论：选择窄胎面、大外径的轮胎尺寸，将标准充气压力提高到320kPa，带束层采用大角度设计方案（60°～70°），花纹设计和节距排列在考虑降低滚动阻力的同时兼顾降低噪声。以国内一款B级纯电动汽车为例，为其开发一款电动汽车专用155/65R17轮胎，并进行有限元建模仿真和节距噪声优化，进行滚动阻力计算和六分力预报。结果表明，开发的155/65R17电动汽车轮胎滚动阻力系数为6. 36 kg·t-1，达到了A级指标，噪声和操纵稳定性满足设计要求，实现了滚动阻力、噪声和操纵稳定性的协调控制。
关键词：电动汽车轮胎；子午线轮胎；结构设计；滚动阻力；噪声
轮胎作为汽车的唯一接地部件，其滚动阻力直接影响汽车的燃油经济性，约20%的汽车燃油被轮胎滚动阻力所消耗[1]。汽车行驶速度超过一定值时，轮胎噪声就成为汽车噪声的主要来源[2-3]。近年来，各国法规中对轮胎滚动阻力和噪声的要求越来越严苛，如2012年开始实施的欧盟轮胎标签法对轮胎的滚动阻力、噪声和湿滑性能进行了分级和限制[4]。绿色轮胎及低噪声轮胎一直是轮胎行业研究的热点，而轮胎各方面性能的协调设计是研究的难点。
电动汽车因为环保、零排放或低排放、能量来源广泛和均衡、对环境友好等而发展迅猛，但由于电池储能量低、续航里程短造成的便捷性差问题一直限制着电动汽车的更快发展[5]。为了提高续航里程以及整车节能性，汽车制造商对轮胎提出更大程度地降低滚动阻力的要求，同时轮胎领域的各大轮胎公司争先为汽车制造商开发出适配于 新能源汽车的超低滚动阻力轮胎。2012年，米其 林公司推出专用电动汽车轮胎——雷诺ZOE电动 汽车的原配胎，其滚动阻力系数降低了20%，使得 汽车的续航里程提高了6%[6]。2013年，普利司通 公司推出绿歌伴EP150轮胎用于通用Spark系列电 动汽车。2014年，普利司通公司为宝马i3电动汽车 提供一系列规格的Ecopia EP500 ologic轮胎，采用 了增大轮胎直径的同时提高充气压力的方法，从 而在确保接地面积的同时，抑制了胎面变形，使滚 动阻力降低了30%左右[7]。2015年11月，在第13届 中国广州国际汽车展上，广州市华南橡胶轮胎有 限公司推出万力概念轮胎“PIONEER先锋”，它是 国内首款新能源汽车专用的低滚动阻力轮胎，滚 动阻力比普通轮胎降低10%左右[8]。
以上这些电动汽车轮胎产品的滚动阻力比普通轮胎大幅降低，但对轮胎的噪声都没有提及，如何提出电动汽车轮胎的设计理论以及如何进行轮胎的滚动阻力与噪声的协调设计，尚未见诸报道。本工作提出电动汽车轮胎的设计理论，为了更好地说明，针对国内某款B级纯电动汽车进行电动汽车轮胎的滚动阻力与噪声协调设计及产品开发，对电动汽车轮胎进行有限元建模仿真和节距噪声优化，并进行滚动阻力计算和六分力预报，最终实现了电动汽车轮胎滚动阻力、噪声和操纵稳定性的协调控制。
一、电动汽车轮胎滚动阻力与噪声协调设计理论
电动汽车和燃油汽车除动力不一样外，载荷分布和速度要求也有一些差别，在轮胎的结构设计和材料配方方面与传统轮胎会有一些不同。与传统燃油汽车相比，电动汽车需要更加节能，另外，电动汽车没有发动机噪声，在高速行驶时由于没有内燃机噪声的掩蔽，电动汽车轮胎噪声比较明显[9]。因此，滚动阻力和噪声对于电动汽车轮胎来说是两个相对比较重要的性能，设定设计目标时需要兼顾。设计目标可以用式（1）表示。
（1）电动汽车轮胎不再采用传统的扁平化设计，而是采用大外径、窄胎面、中等扁平比（65系列）的子午线轮胎设计。这是因为窄胎面轮胎接地面积小，滚动阻力会降低。此外，通过窄胎面、大外径的设计还可降低车辆行驶时的空气阻力，与轮胎本身的空气阻力相比，车身下部的气流改善效果更大，可使车身的空气阻力降低数个百分点，同时还能保持轮胎在湿滑路面上的出色抓地力。
（2）电动汽车轮胎的标准充气压力不再采用传统的230～250kPa，而是300～320kPa。在保证轮胎安全性能的前提下，由于采用窄胎面大外径的设计，因此使轮胎充气压力可提高至320kPa，使轮胎与地面的接触变形减小，滚动阻力降低。
（3）电动汽车轮胎采用新型大角度带束层设计，其目的一是弥补由于窄胎面、大外径带来的侧向性能不足问题，二是实现了轮胎带束层与冠带层功能分工，减小了传统带束层的环变形和纵向变形，从而减小了胎面变形，降低了滚动阻力。
（4）电动汽车轮胎的设计采用材料与结构一体化设计，由于带束层角度变大，因此为了保证带束层的箍紧系数不变，冠带层的材料必然会发生变化。
（5）电动汽车轮胎的花纹设计要同时考虑轮胎的滚动阻力和噪声，可以通过节距优化方法降低噪声。
二、结构设计与有限元分析
为了更形象地说明新型电动汽车低滚动阻力轮胎的设计理论，针对国内主流的B级电动汽车，进行新型电动汽车轮胎的设计与产品开发。以国内一款纯电动汽车为例，专门针对该车设计了一款新型低滚动阻力轮胎——155/65R17电动汽车子午线轮胎。
2. 1 技术要求
由于155/65R17电动汽车子午线轮胎没有相应的国家标准，因此参照欧盟ETRTO 2014，确定155/65R17电动汽车子午线轮胎技术参数为：标准轮辋4.5J，充气外直径（D′）634（627.66～640.34）mm，充气断面宽（B′）157（151.51～162.50）mm，标准负荷437kg，标准充气压力320kPa。
2. 2 结构设计
根据设计准则和经验，本次设计外直径（D）取638mm，断面宽（B）取161mm，行驶面宽度（b）取112mm，行驶面弧度高（h）取6.5mm，胎圈着合直径（d）取436.6 mm，胎圈着和宽度（C）取127mm，断面水平轴位置（H1/H2）取1.12。
胎面花纹采用3条纵向花纹沟，并结合倾斜的弧形横向花纹沟槽设计，在确保排水性能的同时提高了抓着性能，兼顾了节能性和安全性。在各花纹块上排布了很多钢片，有利于提高轮胎的舒适性和操纵性能。胎面花纹展开如图1所示。
图1 胎面花纹展开示意
本电动汽车轮胎采用2层钢丝带束层和2层0°带束层结构，与传统轮胎相比都有很大的不同。传统的乘用子午线轮胎的带束层角度为15°～22°，本设计带束层采用大角度设计，为65°。该设计可降低轮胎的滚动阻力并且提高轮胎的操纵稳定性。
为了弥补大角度带束层箍紧力不足的问题，0°带束层采用芳纶材料，弹性模量可达到90GPa。一般轿车子午线轮胎胎体采用聚酯、改性锦纶、人造丝和钢丝帘线等材料，本设计胎体骨架材料选用人造丝。钢丝圈钢丝直径为0.95mm，钢丝排列方式为4-5-4，满足设计要求。
2. 3 有限元建模与分析
先绘制155/65R17轮胎的材料分布图，再根据材料分布图在Hypermesh中画分其二维有限元网格。二维有限元模型具有11种橡胶单元选择集，6种骨架材料单元选择集，共有1205个节点、1104个单元。橡胶的二维单元采用4节点双线性轴对称杂交元CGAX4H和3节点线性轴对称杂交元CGAX3H，其中又以CGAX4H为主。充气轮胎的二维和三维有限元模型如图2所示。轮胎的胎体帘布层、带束层、冠带层、钢丝圈是由帘线和橡胶组成的复合材料，对于复合材料的模拟，Abaqus软件以Rebar单元代表帘线，通过Rebar单元嵌入到橡胶单元的方法进行模拟，Rebar单元的类型是2节点线性轴对称单元SFMGAX1。
三维模型是利用Abaqus中的旋转与结果传递功能，由二维模型旋转得到。三维模型通过Abaqus软件提供的*Symmetric model generation功能直接生成对应的六面体单元，轮辋和滚筒则简化为解析刚体[10]。图2（b）所示的三维轮胎有限元模型在二维网格的基础上按指定方式在3个方向上平均生成了100个相同的网格截面。
（a）二维网格和材料分布
（b）三维有限元模型
图2 轮胎二维和三维有限元模型
2. 3. 1 材料模型
橡胶材料的静态力学性能由橡胶材料的本构模型来表征，材料本构参数的确定是轮胎有限元结构分析的基础，常用的本构模型有Mooney-Rivlin，Ogden，Neo-Hookean，Yeoh 和Arruda-Boyce等[11]。本工作在考虑有限元计算的精确性和收敛性因素的情况下，在对155/65R17轮胎进行有限元计算中最终选择Ogden（n=3）本构模型。
轮胎中的各类帘线材料直接采用Hooke定律弹性模型，同时采用Rebar单元直接定义帘线的间距、横截面积、角度和模量等参数。
2. 3. 2 约束边界条件及设置加载条件
轮胎在实际装配和充气过程中，轮辋是不动的，因此给轮辋添加6个方向自由度的约束。为了保证轮胎充气过程中在水平方向按照轴对称方式变形，对二维对称轴处添加水平平动和转动自由度约束。轮胎和轮辋采用位移装配方法，不但有利于有限元计算的收敛性，还可以提高装配效率。充气过程采用对轮胎表面添加均匀充气压力来实现，该压力始终垂直作用于轮胎内表面。仿真中轮胎的加载通过转鼓实现。加载过程分两步实施，第1步对转鼓施加一个靠近轮胎中心的位移，实现位移加载，提高计算效率；第2步给转鼓施加一个目标载荷，方向从转鼓中心指向轮胎中心。155/65R17轮胎的三维静态仿真条件：充气压力为320 kPa，载荷为标准载荷的80%（3426N）。155/65R17轮胎的三维稳态滚动仿真利用Abaqus的稳态传输（Steady State Transport）分析选项，给轮胎施加80km·h-1的旋转速度，其特点是运动基于欧拉方式描述，变形采用拉格朗日方式描述。
2. 3. 3 滚动阻力预报原理和方法
轮胎的滚动阻力是一种能量损失的量度，即轮胎滚过单位距离所消耗的能量，其量纲为J·m-1，在形式上等于力的单位（N）[12]。滚动阻力主要是轮胎体内能量耗散的结果，实际上滞后损失占到了整个滚动阻力的90%～95%[13]。
本工作滚动阻力的预报方法采用文献[14]中的轮胎热-力学半耦合的三维非线性有限元方法。滚动阻力的具体计算流程如图3所示。
图3 滚动阻力的计算流程示意
典型的滚动轮胎内的应力-应变循环是非谐变的[15]，针对此问题，Shida[16]对应力应变进行傅里叶变换，同时考虑到轮胎在建模时被划分为很多个单元，且每个单元的应力、应变有6个分量，则轮胎滚动1周的滞后损失（EL）如式（2）所示：
滚动阻力（FR）和滚动阻力系数（f）采用式（3）和（4）计算。
（未完待续）
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