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【技術(shù)分享】電動(dòng)汽車輪胎滾動(dòng)阻力與噪聲協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品開發(fā)

2019-04-23 22:31:48·  來(lái)源：《輪胎工業(yè)》  作者：殷瑞婧，雍占福，馮啟章，王昊，危銀濤  
　
摘要：提出電動(dòng)汽車輪胎滾動(dòng)阻力與噪聲協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)理論：選擇窄胎面、大外徑的輪胎尺寸，將標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力提高到320kPa，帶束層采用大角度設(shè)計(jì)方案（60～70），花紋設(shè)
摘要：提出電動(dòng)汽車輪胎滾動(dòng)阻力與噪聲協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)理論：選擇窄胎面、大外徑的輪胎尺寸，將標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力提高到320kPa，帶束層采用大角度設(shè)計(jì)方案（60°～70°），花紋設(shè)計(jì)和節(jié)距排列在考慮降低滾動(dòng)阻力的同時(shí)兼顧降低噪聲。以國(guó)內(nèi)一款B級(jí)純電動(dòng)汽車為例，為其開發(fā)一款電動(dòng)汽車專用155/65R17輪胎，并進(jìn)行有限元建模仿真和節(jié)距噪聲優(yōu)化，進(jìn)行滾動(dòng)阻力計(jì)算和六分力預(yù)報(bào)。結(jié)果表明，開發(fā)的155/65R17電動(dòng)汽車輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)為6. 36 kg·t-1，達(dá)到了A級(jí)指標(biāo)，噪聲和操縱穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)阻力、噪聲和操縱穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)控制。
 
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車輪胎；子午線輪胎；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；滾動(dòng)阻力；噪聲
 
輪胎作為汽車的唯一接地部件，其滾動(dòng)阻力直接影響汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，約20%的汽車燃油被輪胎滾動(dòng)阻力所消耗[1]。汽車行駛速度超過一定值時(shí)，輪胎噪聲就成為汽車噪聲的主要來(lái)源[2-3]。近年來(lái)，各國(guó)法規(guī)中對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力和噪聲的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，如2012年開始實(shí)施的歐盟輪胎標(biāo)簽法對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力、噪聲和濕滑性能進(jìn)行了分級(jí)和限制[4]。綠色輪胎及低噪聲輪胎一直是輪胎行業(yè)研究的熱點(diǎn)，而輪胎各方面性能的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)是研究的難點(diǎn)。
 
電動(dòng)汽車因?yàn)榄h(huán)保、零排放或低排放、能量來(lái)源廣泛和均衡、對(duì)環(huán)境友好等而發(fā)展迅猛，但由于電池儲(chǔ)能量低、續(xù)航里程短造成的便捷性差問題一直限制著電動(dòng)汽車的更快發(fā)展[5]。為了提高續(xù)航里程以及整車節(jié)能性，汽車制造商對(duì)輪胎提出更大程度地降低滾動(dòng)阻力的要求，同時(shí)輪胎領(lǐng)域的各大輪胎公司爭(zhēng)先為汽車制造商開發(fā)出適配于 新能源汽車的超低滾動(dòng)阻力輪胎。2012年，米其 林公司推出專用電動(dòng)汽車輪胎——雷諾ZOE電動(dòng) 汽車的原配胎，其滾動(dòng)阻力系數(shù)降低了20%，使得 汽車的續(xù)航里程提高了6%[6]。2013年，普利司通 公司推出綠歌伴EP150輪胎用于通用Spark系列電 動(dòng)汽車。2014年，普利司通公司為寶馬i3電動(dòng)汽車 提供一系列規(guī)格的Ecopia EP500 ologic輪胎，采用 了增大輪胎直徑的同時(shí)提高充氣壓力的方法，從 而在確保接地面積的同時(shí)，抑制了胎面變形，使?jié)L 動(dòng)阻力降低了30%左右[7]。2015年11月，在第13屆 中國(guó)廣州國(guó)際汽車展上，廣州市華南橡膠輪胎有 限公司推出萬(wàn)力概念輪胎“PIONEER先鋒”，它是 國(guó)內(nèi)首款新能源汽車專用的低滾動(dòng)阻力輪胎，滾 動(dòng)阻力比普通輪胎降低10%左右[8]。
 
以上這些電動(dòng)汽車輪胎產(chǎn)品的滾動(dòng)阻力比普通輪胎大幅降低，但對(duì)輪胎的噪聲都沒有提及，如何提出電動(dòng)汽車輪胎的設(shè)計(jì)理論以及如何進(jìn)行輪胎的滾動(dòng)阻力與噪聲的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，尚未見諸報(bào)道。本工作提出電動(dòng)汽車輪胎的設(shè)計(jì)理論，為了更好地說(shuō)明，針對(duì)國(guó)內(nèi)某款B級(jí)純電動(dòng)汽車進(jìn)行電動(dòng)汽車輪胎的滾動(dòng)阻力與噪聲協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品開發(fā)，對(duì)電動(dòng)汽車輪胎進(jìn)行有限元建模仿真和節(jié)距噪聲優(yōu)化，并進(jìn)行滾動(dòng)阻力計(jì)算和六分力預(yù)報(bào)，最終實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車輪胎滾動(dòng)阻力、噪聲和操縱穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)控制。
 
一、電動(dòng)汽車輪胎滾動(dòng)阻力與噪聲協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)理論
 
電動(dòng)汽車和燃油汽車除動(dòng)力不一樣外，載荷分布和速度要求也有一些差別，在輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料配方方面與傳統(tǒng)輪胎會(huì)有一些不同。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車需要更加節(jié)能，另外，電動(dòng)汽車沒有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，在高速行駛時(shí)由于沒有內(nèi)燃機(jī)噪聲的掩蔽，電動(dòng)汽車輪胎噪聲比較明顯[9]。因此，滾動(dòng)阻力和噪聲對(duì)于電動(dòng)汽車輪胎來(lái)說(shuō)是兩個(gè)相對(duì)比較重要的性能，設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)需要兼顧。設(shè)計(jì)目標(biāo)可以用式（1）表示。
（1）電動(dòng)汽車輪胎不再采用傳統(tǒng)的扁平化設(shè)計(jì)，而是采用大外徑、窄胎面、中等扁平比（65系列）的子午線輪胎設(shè)計(jì)。這是因?yàn)檎ッ孑喬ソ拥孛娣e小，滾動(dòng)阻力會(huì)降低。此外，通過窄胎面、大外徑的設(shè)計(jì)還可降低車輛行駛時(shí)的空氣阻力，與輪胎本身的空氣阻力相比，車身下部的氣流改善效果更大，可使車身的空氣阻力降低數(shù)個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)還能保持輪胎在濕滑路面上的出色抓地力。
（2）電動(dòng)汽車輪胎的標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力不再采用傳統(tǒng)的230～250kPa，而是300～320kPa。在保證輪胎安全性能的前提下，由于采用窄胎面大外徑的設(shè)計(jì)，因此使輪胎充氣壓力可提高至320kPa，使輪胎與地面的接觸變形減小，滾動(dòng)阻力降低。
（3）電動(dòng)汽車輪胎采用新型大角度帶束層設(shè)計(jì)，其目的一是彌補(bǔ)由于窄胎面、大外徑帶來(lái)的側(cè)向性能不足問題，二是實(shí)現(xiàn)了輪胎帶束層與冠帶層功能分工，減小了傳統(tǒng)帶束層的環(huán)變形和縱向變形，從而減小了胎面變形，降低了滾動(dòng)阻力。
（4）電動(dòng)汽車輪胎的設(shè)計(jì)采用材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，由于帶束層角度變大，因此為了保證帶束層的箍緊系數(shù)不變，冠帶層的材料必然會(huì)發(fā)生變化。
（5）電動(dòng)汽車輪胎的花紋設(shè)計(jì)要同時(shí)考慮輪胎的滾動(dòng)阻力和噪聲，可以通過節(jié)距優(yōu)化方法降低噪聲。
 
二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析
 
為了更形象地說(shuō)明新型電動(dòng)汽車低滾動(dòng)阻力輪胎的設(shè)計(jì)理論，針對(duì)國(guó)內(nèi)主流的B級(jí)電動(dòng)汽車，進(jìn)行新型電動(dòng)汽車輪胎的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)。以國(guó)內(nèi)一款純電動(dòng)汽車為例，專門針對(duì)該車設(shè)計(jì)了一款新型低滾動(dòng)阻力輪胎——155/65R17電動(dòng)汽車子午線輪胎。
2. 1　技術(shù)要求
由于155/65R17電動(dòng)汽車子午線輪胎沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此參照歐盟ETRTO 2014，確定155/65R17電動(dòng)汽車子午線輪胎技術(shù)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞4.5J，充氣外直徑（D′）634（627.66～640.34）mm，充氣斷面寬（B′）157（151.51～162.50）mm，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷437kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力320kPa。
2. 2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)外直徑（D）取638mm，斷面寬（B）取161mm，行駛面寬度（b）取112mm，行駛面弧度高（h）取6.5mm，胎圈著合直徑（d）取436.6 mm，胎圈著和寬度（C）取127mm，斷面水平軸位置（H1/H2）取1.12。
胎面花紋采用3條縱向花紋溝，并結(jié)合傾斜的弧形橫向花紋溝槽設(shè)計(jì)，在確保排水性能的同時(shí)提高了抓著性能，兼顧了節(jié)能性和安全性。在各花紋塊上排布了很多鋼片，有利于提高輪胎的舒適性和操縱性能。胎面花紋展開如圖1所示。
圖1　胎面花紋展開示意
 
本電動(dòng)汽車輪胎采用2層鋼絲帶束層和2層0°帶束層結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)輪胎相比都有很大的不同。傳統(tǒng)的乘用子午線輪胎的帶束層角度為15°～22°，本設(shè)計(jì)帶束層采用大角度設(shè)計(jì)，為65°。該設(shè)計(jì)可降低輪胎的滾動(dòng)阻力并且提高輪胎的操縱穩(wěn)定性。
為了彌補(bǔ)大角度帶束層箍緊力不足的問題，0°帶束層采用芳綸材料，彈性模量可達(dá)到90GPa。一般轎車子午線輪胎胎體采用聚酯、改性錦綸、人造絲和鋼絲簾線等材料，本設(shè)計(jì)胎體骨架材料選用人造絲。鋼絲圈鋼絲直徑為0.95mm，鋼絲排列方式為4-5-4，滿足設(shè)計(jì)要求。
 
2. 3　有限元建模與分析
先繪制155/65R17輪胎的材料分布圖，再根據(jù)材料分布圖在Hypermesh中畫分其二維有限元網(wǎng)格。二維有限元模型具有11種橡膠單元選擇集，6種骨架材料單元選擇集，共有1205個(gè)節(jié)點(diǎn)、1104個(gè)單元。橡膠的二維單元采用4節(jié)點(diǎn)雙線性軸對(duì)稱雜交元CGAX4H和3節(jié)點(diǎn)線性軸對(duì)稱雜交元CGAX3H，其中又以CGAX4H為主。充氣輪胎的二維和三維有限元模型如圖2所示。輪胎的胎體簾布層、帶束層、冠帶層、鋼絲圈是由簾線和橡膠組成的復(fù)合材料，對(duì)于復(fù)合材料的模擬，Abaqus軟件以Rebar單元代表簾線，通過Rebar單元嵌入到橡膠單元的方法進(jìn)行模擬，Rebar單元的類型是2節(jié)點(diǎn)線性軸對(duì)稱單元SFMGAX1。
三維模型是利用Abaqus中的旋轉(zhuǎn)與結(jié)果傳遞功能，由二維模型旋轉(zhuǎn)得到。三維模型通過Abaqus軟件提供的*Symmetric model generation功能直接生成對(duì)應(yīng)的六面體單元，輪輞和滾筒則簡(jiǎn)化為解析剛體[10]。圖2（b）所示的三維輪胎有限元模型在二維網(wǎng)格的基礎(chǔ)上按指定方式在3個(gè)方向上平均生成了100個(gè)相同的網(wǎng)格截面。
（a）二維網(wǎng)格和材料分布
（b）三維有限元模型
圖2　輪胎二維和三維有限元模型
 
2. 3. 1　材料模型
橡膠材料的靜態(tài)力學(xué)性能由橡膠材料的本構(gòu)模型來(lái)表征，材料本構(gòu)參數(shù)的確定是輪胎有限元結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，常用的本構(gòu)模型有Mooney-Rivlin，Ogden，Neo-Hookean，Yeoh 和Arruda-Boyce等[11]。本工作在考慮有限元計(jì)算的精確性和收斂性因素的情況下，在對(duì)155/65R17輪胎進(jìn)行有限元計(jì)算中最終選擇Ogden（n=3）本構(gòu)模型。
輪胎中的各類簾線材料直接采用Hooke定律彈性模型，同時(shí)采用Rebar單元直接定義簾線的間距、橫截面積、角度和模量等參數(shù)。
 
2. 3. 2　約束邊界條件及設(shè)置加載條件
輪胎在實(shí)際裝配和充氣過程中，輪輞是不動(dòng)的，因此給輪輞添加6個(gè)方向自由度的約束。為了保證輪胎充氣過程中在水平方向按照軸對(duì)稱方式變形，對(duì)二維對(duì)稱軸處添加水平平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度約束。輪胎和輪輞采用位移裝配方法，不但有利于有限元計(jì)算的收斂性，還可以提高裝配效率。充氣過程采用對(duì)輪胎表面添加均勻充氣壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，該壓力始終垂直作用于輪胎內(nèi)表面。仿真中輪胎的加載通過轉(zhuǎn)鼓實(shí)現(xiàn)。加載過程分兩步實(shí)施，第1步對(duì)轉(zhuǎn)鼓施加一個(gè)靠近輪胎中心的位移，實(shí)現(xiàn)位移加載，提高計(jì)算效率；第2步給轉(zhuǎn)鼓施加一個(gè)目標(biāo)載荷，方向從轉(zhuǎn)鼓中心指向輪胎中心。155/65R17輪胎的三維靜態(tài)仿真條件：充氣壓力為320 kPa，載荷為標(biāo)準(zhǔn)載荷的80%（3426N）。155/65R17輪胎的三維穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)仿真利用Abaqus的穩(wěn)態(tài)傳輸（Steady State Transport）分析選項(xiàng)，給輪胎施加80km·h-1的旋轉(zhuǎn)速度，其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)基于歐拉方式描述，變形采用拉格朗日方式描述。

2. 3. 3　滾動(dòng)阻力預(yù)報(bào)原理和方法
輪胎的滾動(dòng)阻力是一種能量損失的量度，即輪胎滾過單位距離所消耗的能量，其量綱為J·m-1，在形式上等于力的單位（N）[12]。滾動(dòng)阻力主要是輪胎體內(nèi)能量耗散的結(jié)果，實(shí)際上滯后損失占到了整個(gè)滾動(dòng)阻力的90%～95%[13]。
 
本工作滾動(dòng)阻力的預(yù)報(bào)方法采用文獻(xiàn)[14]中的輪胎熱-力學(xué)半耦合的三維非線性有限元方法。滾動(dòng)阻力的具體計(jì)算流程如圖3所示。
圖3　滾動(dòng)阻力的計(jì)算流程示意
 
典型的滾動(dòng)輪胎內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)是非諧變的[15]，針對(duì)此問題，Shida[16]對(duì)應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行傅里葉變換，同時(shí)考慮到輪胎在建模時(shí)被劃分為很多個(gè)單元，且每個(gè)單元的應(yīng)力、應(yīng)變有6個(gè)分量，則輪胎滾動(dòng)1周的滯后損失（EL）如式（2）所示：
滾動(dòng)阻力（FR）和滾動(dòng)阻力系數(shù)（f）采用式（3）和（4）計(jì)算。
（未完待續(xù)） 
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