电动车轮胎的发展现状及开发设计

李慧敏，刘宝涛，张凯凯，王龙庆

(青岛森麒麟轮胎股份有限公司，山东 青岛 266229)

0 引言

近几年纯电动汽车和插电式混合动力汽车销售量迅速增长，电动汽车市场前景非常广阔。未来，在国际国内政策的大力推进下电动汽车迅猛发展已是大势所趋。

电动汽车对轮胎的设计和制造提出了更高的要求，包括降低轮胎的滚动阻力和噪声，延长轮胎的续航里程，提高轮胎的抓地、耐磨性能和与承载能力等，普通替换轮胎并不能完全适配电动汽车。电动汽车专用轮胎作为电动汽车的重要组成部分，其需求将持续稳步增长，逐步淘汰现有低劣产品，电动汽车轮胎将是全球轮胎企业竞争的新高地，因此针对电动汽车轮胎的开发研究十分必要。

1 电动汽车的发展现状

电动汽车靠电池驱动，其低噪音、零排放的突出优点，可以缓解全球能源危机，完美切合环保节能的可持续发展理念。

1.1 全球发展情况

世界各国政府积极地寻求节能减排，运用政策手段来激励电动汽车产业的发展，同时采取了丰富的本地化措施来加速攻破当前电动汽车推广所面临的成本高、使用便利性差以及消费者认知度低等主要壁垒，电动汽车得以在全球范围内推广，并以燎原之势迅速普及。

如图1，根据EV Sales Blog 的数据：

图1 全球电动车销量年度趋势图

（1）2018年全球电动汽车销量略高于200 万辆。

（2）2019年全球电动汽车销量超过220 万辆，市场份额为2.5%。

（3）2020年全球电动汽车销量达到312.5 万辆，同比增长41%，市场份额达到4%。其中，2020年12月全球电动车销售达到创纪录的57.1 万辆，同比激增105%，当月市场份额达到6.9%。

1.2 国内发展情况

从绝对销量的角度来说，2017年中国以57.9 万的电动乘用车年销量一骑绝尘,排名世界第一，成为世界最大的电动汽车市场；2018年全球电动车的销售量为200 万辆，中国电动汽车销售125.6 万辆，占比超过全球销量的62.5%；从产销比来看，2021年3月11日，中汽协发布的最新数据显示，2021年1～2月，电动汽车产销分别完成31.7 万辆和28.9 万辆，同比分别增长3.9 倍和3.2 倍，远高于整体汽车产销同比88.9% 和76.2% 的增速。

而根据国务院办公厅发布的《新能源汽车产业发展规划（2021～2035年）》，到2025年，电动汽车新车销售量达到汽车新车销售总量20% 左右。这意味着电动汽车市场的增长空间十分巨大，并有望催生巨大的电动汽车轮胎配套市场。

除了配套市场，电动汽车轮胎零售市场也孕育着巨大的市场潜力。公安部交通管理局发布的数据显示，截至2020年底，全国电动车保有量达492 万辆，占汽车总量的1.75%。我国电动车保有量后续增长空间巨大，也将创造巨大的电动车轮胎替换市场。

电动车轮胎正成为轮胎企业的新增长引擎，成功开发适合电动汽车的专用轮胎将对轮胎生产企业产生显著的经济效益和重大的社会效益。

2 电动汽车轮胎特殊性能要求

电动汽车与燃油汽车在动力输出方式、能力供给便利程度、车重等方面的差异，对轮胎产生了特殊的性能要求。

（1）承载能力

电动汽车由于电池的限制，车身更重，另外，新能源汽车轮胎出于降低滚阻的考虑及承重需求，其气压相对较高，这对轮胎承受气压负荷的能量提出了更苛刻的要求。同时由于车身较重，需要在其他部件上尽量轻量化设计，轮胎作为重要组成部分，自然也需要进行轻量化设计，质轻且高强度的新材料开发、合理的结构搭配及排布是轻量化高承载能力实现的关键。

（2）滚阻系数

电动车充电慢，充电便利性差，单次充电续航里程短，续航里程无疑是制约电动车发展的最重要因素，因此要求电动车轮胎尽量低滚阻系数的重要性不言而喻，同样的充电量，低滚阻轮胎可以有效降低电池损耗，为车辆提供更长的续航里程[1]。

（3）噪音

电动汽车相比于传统燃油车没有发动机噪音掩盖，胎噪更明显，胎噪指所有轮胎造成的噪音，包括：结构噪音、管腔噪音、空腔噪音、花纹噪音、花纹块撞击以及黏滞等；电动车轮胎需要更优异的静音表现才能达到燃油车同等的驾乘体验。

（4）抓地力

电动汽车的电动机实现能量转化的方式是将电流转化为电磁场，与永磁体互斥驱动转子运转输出扭矩。其引擎输出方式没有复杂的化学反应，没有延时，转化率可以达到95% 以上，可在瞬间爆发出最大扭矩；电动车轮胎需匹配强抓地性能，可承受瞬时、巨大的扭矩输出，为车辆提供更优异的加速度。

（5）耐磨损

加速快是电动汽车公认的优势，但其带来的影响就是对轮胎耐磨损的考验。电动车轮胎需要匹配更优异的耐磨性能。

以上任意单个性能要求的满足不足以对轮胎企业构成挑战，最难的是轮胎企业需要从不同的角度平衡轮胎的多项性能，制定并达成设计目标。

3 性能及影响因素分析

3.1 滚阻

滚阻是由于轮胎滚动形变而产生的阻力。一部分来源于静摩擦力，一部分来源于弹性体回复滞后造成的压缩点与回复点之间的压力差造成的力。

（1）减小轮胎滚动阻力可从减轻轮胎质量出发

轮胎质量与滚阻关系见图2（以205/55R16 为例，采集12 条轮胎数据），但是为了保证轮胎的耐磨、操稳、舒适性以及耐撞击鼓包性能，要求纯胶部件满足一定厚度要求，轮胎的轻量化设计可从新材料的使用入手。

图2 轮胎重量与滚阻拟合线图

（2）减小轮胎材料的滞后损失可减小滚动阻力

试验测得，轮胎各部件能耗占轮胎能耗(图3) 为：胎面胶39%、胎圈包布14%、三角胶13%、带束层8%、胎侧7% 和帘布层6%。可以看出胎面胶料的滞后损失占比最大[2]，通过胎面胶料降低滚阻的有效手段是使用白炭黑填充，白炭黑表面强极性使其难以分散，故白炭黑常与硅烷偶联剂并用，可收获良好的滚阻和抗湿滑性能。

图3 轮胎各部件滞后损失占比

（3）轮胎滚动阻力

轮胎滚动阻力主要由轮胎变形阻力、风阻以及轮胎与道路间滑动阻力组成，其中轮胎运动过程中的变形阻力占总值的90% 以上，因此，从减小轮胎变形阻力的角度着手分析，可以有效降低滚阻。

采用有限元仿真，针对205/55R16 这个规格设计不同方案对滚阻系数进行仿真[3]，具体设计方案及仿真结果如表1所示。

表1 仿真方案及对应结果

增大三角胶高度及胎侧搭接宽度都增大了下胎侧刚度，造成胎面部位变形增大，并且增大三角胶高度一定程度上增大了轮胎质量，从而直接导致滚动阻力增大，如图4、图5所示。

图4 三角胶高度与滚阻结果

图5 胎侧搭接宽度与滚阻结果

改变冠带条的缠绕方式，分别从左-中-右各1层的缠绕方式1-1-1，调整至左-中-右分别为2 层、1 层、2 层的缠绕方式2-1-2，调整至左-中-右各2 层的缠绕方式2-2-2，如图6所示，滚动阻力依次增大，考虑三种缠绕方式使得动态胎面变形依次增大，且轮胎质量依次增大，造成滚阻增大。

3.2 噪音

（1）噪音的分类

按传播方式分类轮胎噪音分为直接噪音和间接噪音；直接噪音分为泵浦作用、胎面振动以及轮胎花纹块与路面相互作用直接辐射的噪声，经空气传递透过车身进入车内，集中在500 HZ 以上；间接噪音为轮胎激励产生的动态作用力，通过悬架系统传递到车身，引起车身振动产生的噪声，轮胎的不均匀性、不平衡性以及路面的粗糙为主要激励源，500 HZ 以下。

按产生机理分类轮胎噪音分为路噪、花纹噪音、通过噪音。其中路噪又分为轰鸣音（Booming）、空腔噪音（Cavity）、咆哮噪音（Rumble），产生频率依次增高，整体500 HZ 以内，以振动噪音为主，可以通过调整轮胎结构及生产工艺改善以上噪音；花纹噪音又分为泵浦噪音、管腔共振音、花纹块撞击噪音等，产生频率一般在500 HZ 以上，可以在开发阶段优化花纹设计以尽量降低此类噪音。

通过噪音主要是指按ECE R117 法规要求的测试方法测得的外部噪音，主要影响车外环境；

（2）噪音的改善手段

主要阐述轰鸣音（Booming）、空腔噪音（Cavity）、泵浦噪音的主要改善手段。

轰鸣音（Booming）：因轮胎上下/ 横向等振动模态发生的噪音，属于低频结构噪音，一般为40～200Hz，主要的改善手段为调整轮胎结构改变其的质量、刚性等进行移频降幅，移频的目的主要是防止轮胎的结构振动模态与车辆或车辆相关部件结构模态发生耦合，产生共振，对于配套胎此步骤需要在车辆的设计开发阶段介入同步开发以保证轮胎与车辆的最佳匹配；降幅主要是指调整轮胎的结构、材料或工艺条件以尽量降低轮胎振动对车辆的传递率，降低振动幅度；特别需要提到的是轮胎的动平衡均匀性，尤其是高速均匀性将对轮胎的震动噪音产生较大的影响。

空腔噪音（Cavity）：轮胎胎腔内部空气与输入激励发生共振，会在车轮上产生声压，从而导致车轮振动，车轮将振动传递至车轮中心，进而通过结构传播传递到乘客舱。主要发生频率180～250 Hz。

主要改善思路：

a.通过改变轮胎-车轮的耦合、车辆的耦合，使气柱的固有频率与车辆或乘用舱的固有频率不重合，可以减小空腔模态的扰动；

b.保证轮胎的均匀性，防止轮胎高速均匀性作为自激励引起空腔模态的扰动；

c.轮胎内部贴合吸音棉，是目前针对空腔噪音敏感规格的最经济有效的改善措施，由以下频谱图7、图8可以看出贴吸音棉后位于180～250 Hz 的空腔噪音峰值明显降低，且不同的吸音棉对空腔噪音的吸收程度不同。

图7 前座传感器测得频谱

图8 后座传感器测得频谱

泵浦噪声：是由于路面与花纹沟槽接触，胎面作为橡胶体发生挤压和变形，导致沟槽内气体随花纹槽的挤压与释放被高速地在前沿区挤压、后沿区膨胀，在胎前后沿产生压差，形成了空气涡流引发的噪音。

从泵浦噪声产生的原理可知，腔体的发声与腔体内空气流单位时间内的变化率有关。对于匀速行驶的汽车，各沟槽的体积压缩比相同，因此，沟槽体积越大，腔体内空气的变化率越大，沟槽体积可以通过沟槽长度、宽度以及深度进行调整。

花纹槽的走向对于槽的发声也有一定的影响，按走向的不同可划分为三种：横槽、斜槽、纵槽。实测证明横槽的声压级最大，斜槽次之，纵槽的声压级最低。

通过以上分析可知，泵浦噪音主要与沟槽长度、宽度、深度以及花纹沟角度有关，值得一提的是，花纹的设计除对噪音有显著影响以外，对湿地性能、操稳性能及滚阻等都有影响。因此，在产品开发前期花纹设计阶段需综合考虑各项性能的平衡及偏向。

3.3 抓地性能

（1）抓地力的概念

轮胎提供给车辆高效的行走能力，获得来自路面的多项支撑就是抓地力，简单来讲就是能够保持车辆操控的能力。抓地力通常可以分为横向和纵向抓地力，横向抓地力是指轮胎的转弯能力，纵向抓地力可以用制动性能或加速性能等来衡量。抓地力的影响因素非常多且复杂。

（2）力学分析

对于电动车轮胎来讲，准确地说我们需要的不是更强的抓地力，而是更快的抓地力建立能力及抗损失能力；

随着电动车扭矩的瞬时输出，轮胎的纵向力迅速建立，在较小的滑移率下达到足够的纵向力水平，即纵滑刚度足够大，对应车辆加速响应快，不至于在电动车突然加速时出现纵向抓地力不足造成打滑。

随着电动车扭矩的瞬时输出，轮胎的侧向力迅速建立，在较小的侧偏角下达到足够的侧向力水平，即侧偏刚度大，对应横向抓地力的快速建立，避免电动车突然转向时侧向力建立不及时造成侧向打滑，以致车辆出现转向不足或转向过度偏离行动轨迹。

事实上，实际轮胎与路面的作用机理非常复杂，驾驶员经常同时需要纵向和横向抓地力，然而我们不能同时获得抓地力的最佳值，因为纵向力和侧向力需要共享抓地力潜能，是相互竞争的关系，且遵循纵向力优先原则，两者的关系可以用摩擦椭圆来表示，如图9所示。

图9 摩擦椭圆

为了研究侧向力和纵向力的关系，设计固定纵向滑移率侧偏试验，试验结果如图10所示，可以看出在滑移率为10% 时，其侧向力损失严重，侧偏刚度相比于滑移率为0 时，损失多达60%。

图10 不同纵向滑移率下侧偏试验结果

电动车由于驱动时电机扭矩较大，容易出现纵向滑移，导致侧偏刚度急剧减小，侧向抓地水平损失严重，很容易出现甩尾失控；较大的纵滑刚度可以避免过快的出现纵向滑移，减弱对纵向滑移率对侧偏刚度的影响，从而提升轮胎侧向抓地力的抗损失能力。

（3）轮胎如何获取抓地力

车辆能够前进，减速，转向，都是由于轮胎与地面的接触，轮胎与地面的接触及相互作用使得轮胎具有抓地力，接地印痕是轮胎所有力与力矩的作用基础，而两者的接触及相互作用的情况可以从轮胎的印痕得到很好的体现，如图11所示，我们可以通过调整轮胎的接地印痕面积和形状来对轮胎的纵向及侧向抓地力进行调控，也可以通过建模来建立轮胎与不同表面接触时的工作状况，从而预测轮胎抓地力水平。

图11 印痕有效接地面积

一方面，增大轮胎的接地面积可以提供更强的抓地力，然而，轮胎实际有效的接触面积很有限，如图即使是总接触面积是160 cm2的轮胎，除去花纹沟及路面粗糙度，实际上仅有24 cm2的面积可用于转移全部的受力，另外轮胎在使用过程中动态的印痕面积也在不断的发生变化；

另一方面，增大轮胎的有效接地面积并减少操控过程中的接地面积损失可以增强抓地性能，较软的胎面胶配方之所以可以提供较强的抓地力，就是因为其可以更有效的与路面接触，但是相对的磨损也较快。

合适的胎压可以保证轮胎良好的接地印痕，若气压过高，则有效接地仅集中于印痕中心，若气压过低，则有效接地集中于胎肩，所以，只有保证合适的气压，才能保证轮胎良好、有效的接地；反言之，想要轮胎良好且有效的接地，需要按照轮胎的具体使用气压载荷进行匹配的结构设计，这一步的实现需要强大的轮胎性能数据库及轮胎建模仿真能力。

4 开发设计

4.1 整体设计思路

由于电动车与传统燃油车存在差异，电动车对轮胎有特殊的性能要求，如图12所示。

图12 电动汽车轮胎设计要求

各项性能间不可避免的存在相互牵制，不能同时达到最优性能，针对替换市场轮胎生产商需从产品定位出发，从不同角度平衡电动汽车轮胎性能，开发不同性能偏向的轮胎。

而对于电动车配套轮胎的开发，轮胎性能的研究与轮胎匹配整车性能的研究应相互结合，单纯讨论轮胎的性能并没有很大的意义。轮胎应与汽车悬架系统性能进行匹配，而二者匹配所构成的集成系统在很大程度上影响汽车的行驶性能，其主要表现在刚度和动力学性能上。一条轮胎与某一汽车匹配表现出良好的动态力学性能，而与另一汽车匹配则可能表现出较差的动态力学性能。因此，电动汽车配套轮胎需从车型设计开始阶段介入轮胎设计和分析工作。

4.2 花纹与轮廓设计

花纹及轮廓设计位于整个开发周期的前端，模具开发具有不可逆性，一旦开发完成，其调整空间非常有限，所以对于花纹及轮廓设计来讲需要进行充分的仿真研究，综合各项性能制定统一的花纹设计原则。

花纹与轮廓设计对于平衡滚阻与抓地性能，尤其是降低噪声方面非常重要；涉及多种性能的平衡，电动汽车轮胎的花纹设计多非对称设计，内侧花纹主要负责湿地性能、噪音及舒适度；外侧花纹主要负责抓地，保证刚性。

内侧花纹胎肩横沟打开、保证排水性能及噪音，增加节距数量或增加细刀槽将噪音分布在更广的频率带上；外侧花纹饱和度大于内侧花纹，保证花纹块刚度，减小花纹块移动变形幅度，提升抓地力建立能力保证精确操控，同时胎面变形减小，可有效降低滚阻。

纵向肋条边缘倒角，适当增大花纹块拔模角度，可优化接地压力分布，减小转向时的抓地力损失；

针对花纹与轮廓还可以对以下几点进行重点研究。

轮廓行驶面宽度、胎面弧度对滚阻的影响；胎侧轮廓对空气阻力的影响以至于对滚动阻力的影响；轮廓上下胎侧高度比对轮胎整体应力应变的影响，花纹特殊主动降噪设计；花纹具体形式对花纹排水性能的影响，以上需要建立一套较准确的仿真系统，进行系统的仿真研究，以缩短开发周期，定向设计，缩短开发周期。

4.3 配方设计

胎面胶配方对轮胎的滚阻、耐磨及抗湿滑性能均有重大影响，而三者之间分属轮胎的魔鬼三角，存在相互制约，往往是此消彼长的关系，因此胎面配方的设计至关重要。

通常用特定条件0 ℃时的tan 表征胶料的抗湿滑性，60 ℃时tan 表征胶料的滚动阻力。因此只要合理设计，抗湿滑性能和滚阻性能在某种程度上可以平衡[4]。

已知的通过白炭黑和硅烷偶联剂的并用，可以同时收获良好的滚阻和抗湿滑性能；电动汽车轮胎可以通过采用白炭黑-硅烷偶联剂填充体系，试验研究其作用机理，白炭黑-白炭黑，白炭黑-橡胶间的相互作用机理及制约关系，合理设计炼胶工艺，以实现各性能的平衡。

4.4 结构设计

结构设计阶段处于整个开发设计过程的后端，可以较为方便的对每个规格进行设计调整；作为电动车轮胎的结构设计应主要从三个方面考虑，第一：保证其他性能平衡的前提下，轻量化设计；第二：保证滚阻性能的前提下，适当增强骨架材料强度，提升轮胎的承载能力；第三，设计规范范围内调整结构，提升轮胎的操控、噪音、舒适等主观性能，此项主要与整车匹配考虑，单就轮胎而言，可以主要考虑轮胎印痕的调控能力。

芳纶帘线具有强度高、热收缩小、耐热性能好和蠕变性能极小的优点，可以用于电动车轮胎骨架材料，部分或全部用作带束，可以有效降低轮胎质量，并保证轮胎强度；用作冠带条材料，可以增强花纹块刚度，保证较好的抓地性能[5]，另外高模量低收缩胎体材料可以在不增加轮胎质量的前提下增强轮胎的模量，提升轮胎承载能力，尤其是电动车轮胎高内压趋势下。

轮胎接地面积越大，相同配方条件下，轮胎的抓地能力会越大，有利于轮胎的驱动制动性能。

轮胎的接地形状趋于椭圆形时，对轮胎的舒适性有利，对轮胎的低噪音有利，对轮胎的直行性能有利。

轮胎的接地形状趋于矩形时，对轮胎的操控稳定性有利，对轮胎的磨耗性能有利，同时对轮胎的承载能力有利。

通常我们调整带束角度、宽度，冠带条缠绕方式，三角胶高度、硬度，来统筹调整轮胎的印痕形状及参数；

4.5 工艺过程

工艺过程稳定性对轮胎性能有较大影响，主要体现在动均性能对轮胎操控及舒适性以及噪音的影响,由于轮胎是由复合材料经复杂工艺制作而成，无法做到绝对均匀，只能尽可能的控制工艺过程稳定性以保证轮胎的均匀性。

对于电动汽车轮胎来讲，没有了发动机噪音的掩盖，轮胎噪音会更突显，我们更应关注轮胎均匀性对噪音的影响。轮胎转速对各阶次谐波有显著的影响，同一条轮胎在不同速度下的力学特性存在较大差异，如图13所示。轮胎的不均匀性是结构噪音的主要激励源，我们要重点关注60～150 kph 下的第4～9 次谐波大小。

图13 不同速度下各次谐波的径向力差异

轮胎生产制造工艺对轮胎均匀性有较大影响，主要涉及材料偏差、成型和硫化工艺，在生产制造过程中需要严加控制，表2是均匀性常见影响因素。

表2 均匀性常见过程影响因素

5 小结

（1）国内外对电动汽车的推广力度日渐增强，电动汽车发展迅速，电动车轮胎市场潜力巨大，对电动车轮胎展开研究十分必要。

（2）普通轮胎不能满足电动车的特殊使用需求，电动车轮胎需要特殊设计以满足低滚动阻力，低噪音，强抓地性能，高耐磨性能等。

（3）零售市场与配套市场电动汽车轮胎设计思路不完全相同，零售市场应着眼全局，根据产品定位，确定整个系列的性能偏好，配套市场电动轮胎设计应从整车性能偏好出发，从车型设计开始阶段介入轮胎设计和分析工作，注重轮胎与车辆的性能匹配。花纹上采用内外侧非对称设计、优化节距排列兼顾操稳及噪音，配方采用白炭黑-硅烷偶联剂填充体系平衡湿地与滚阻性能，结构轻量化高强度设计、优化印痕保证承载、滚阻和抓地性能，工艺上贴合吸音棉避免空腔噪音、严控生产过程波动保证动均性能以满足对舒适性噪音的更高要求。