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　　由于電動(dòng)汽車(chē)具有良好的節(jié)能減排特性,汽車(chē)行業(yè)的專(zhuān)家和學(xué)者普遍認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)?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。《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(guò)50%。文章通過(guò)分析電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用輪胎的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)如何降低電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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。從圖1 可以看出,輪胎的滾動(dòng)阻力是輪胎對(duì)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性影響的最主要因素,汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性隨滾動(dòng)阻力的增大而降低。

　　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(guò)改進(jìn)胎面膠來(lái)降低能耗。現(xiàn)如今,減小輪胎材料的滯后損失來(lái)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。

　　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(chē)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(guò)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(guò)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。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。

　　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(chē)輛的平順性,同時(shí)減小輪胎的回正力矩,降低車(chē)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(jiàn),高胎壓有利有弊,對(duì)于不同的汽車(chē)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。

　　一般情況下,電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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。

　　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(chē)行駛,輪胎直徑較小更容易引發(fā)輪胎的過(guò)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(guò)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(chē)提供了更大的布置空間。對(duì)于車(chē)輪電動(dòng)機(jī)型電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),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(lái)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。

　　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(chē)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)(Chemical aspects of rubber reinforcement by Fillers)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(guò)帶束層寬度大于行駛面寬度而被有效控制。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(lái)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(guò)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(chē)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(chē),電動(dòng)汽車(chē)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(chē)輪滾動(dòng)時(shí)的噪聲,使得電動(dòng)轎車(chē)行駛起來(lái)更為安靜。輪胎低噪聲化技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要著眼于胎面的花紋。可以通過(guò)改變輪胎胎面橫溝的角度和寬度來(lái)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)(輪胎噪聲與滾動(dòng)阻力的相關(guān)性)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(chē)輛外部噪聲的前提下,可以通過(guò)改變輪胎的增強(qiáng)材料來(lái)降低輪胎的滾動(dòng)阻力。對(duì)于車(chē)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(chē)輛懸掛系統(tǒng)和整車(chē)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲也將會(huì)增大。

　　6，其他電動(dòng)汽車(chē)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。

　　文獻(xiàn)(基于輪胎可調(diào)附著力系統(tǒng)的汽車(chē)主動(dòng)安全研究)根據(jù)汽車(chē)制動(dòng)情況,分析輪胎的受力情況,設(shè)計(jì)出了一種無(wú)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(guò)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(guò)整合,可以省略大量的傳動(dòng)部件,降低車(chē)載自重;簡(jiǎn)化車(chē)輛,利于汽車(chē)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(chē)輪控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及便捷的新能源汽車(chē)技術(shù)的應(yīng)用。

　　文獻(xiàn)(新工藝、新產(chǎn)品)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(wàn)倍,并且傳導(dǎo)過(guò)程中的電力耗損極小。如果電動(dòng)汽車(chē)可以運(yùn)用這項(xiàng)科技,其輪胎在汽車(chē)行駛途中就可以充電,半路停電拋錨的問(wèn)題也就不會(huì)出現(xiàn)。

　　7，結(jié)論

　　輪胎對(duì)于整車(chē)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(chē)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(méi)有很大的意義。輪胎應(yīng)與汽車(chē)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(chē)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(chē)匹配表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,而與另一汽車(chē)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(chē)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(chē)性能的良好匹配,在進(jìn)行汽車(chē)設(shè)計(jì)的同時(shí),輪胎生產(chǎn)商與汽車(chē)生產(chǎn)商會(huì)展開(kāi)密切的交流研究,汽車(chē)生產(chǎn)商向輪胎生產(chǎn)商提出與該汽車(chē)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(chē)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(chē)生產(chǎn)商進(jìn)行懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整車(chē)性能模擬仿真計(jì)算。在汽車(chē)生產(chǎn)商開(kāi)始汽車(chē)設(shè)計(jì)之前,由輪胎生產(chǎn)商向汽車(chē)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(méi)有進(jìn)入根據(jù)車(chē)型進(jìn)行設(shè)計(jì)的階段,因此影響了整車(chē)性能的發(fā)揮。

　　電動(dòng)汽車(chē)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(chē),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(chē)整車(chē)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(chē)專(zhuān)用輪胎進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和開(kāi)發(fā)制造。