轮胎配套的注意要点及关键技术探讨
张 勇1，王 君1，郝鹏程1，孙晓明1，王明杰1，马永禄2
（1.双星集团有限责任公司，山东青岛266400；2.黄岛区检验检测中心，山东青岛266400）
摘要：介绍轮胎配套的注意要点及关键技术。轮胎配套的注意要点包括前端分析、车辆信息分析及产品质量先期策划。90%以上的设计变更应在开发初期完成，以大幅降低费用。在轮胎配套的关键技术方面，重点介绍接地印痕对轮胎的转向、操控性、舒适性、噪声和水漂等性能的影响、低滚动阻力轮胎设计以及实车评价中舒适性的技术要点和解决方案。
关键词：轮胎；配套；产品质量先期策划；接地印痕；滚动阻力；舒适性；实车评价
中图分类号：TQ336.1 文章编号：2095-5448（2023）09-0444-09
文献标志码：A DOI：10.12137/j.issn.2095-5448.2023.09.0444
随着我国汽车行业的发展，轮胎企业越来越重视汽车的配套业务。不同车厂配套都有相应的开发流程，随
着市场竞争的不断深化，轮胎配套周期不断缩短，投资费用不断压缩，车厂对轮胎的配套要求越来越高，但都基本遵循IATF 16949汽车质量管理体系，包括产品质量先期策划、失效模式与影响分析、生产件批准程序、测量系统分析、统计过程控制及供应商体系审核等。
车厂对轮胎企业的基本要求是：产品要满足技术要求；项目节点要准时；要具备优异的产品开发能力、持续改进能力、快速反应能力和成本控制能力；轮胎供应商的真诚度要高。车厂也都有各自的特殊要求，如通用的全球产品质量先期策划、福特的产品质量先期策划现状报告、克莱斯勒的供应商质量保证程序、现代和起亚的新车零部件质量保证手册、雷诺的联合新产品质量程序以及大众的质量管理协议等。
本文主要介绍轮胎配套的注意要点（包括前端分析、车辆信息和产品质量先期策划）以及关键技术，如接地印痕对轮胎性能的影响、低滚动阻力轮胎设计以及实车评价等。1 轮胎配套的注意要点
1.1 前端分析
刚接触车厂新项目时，应首先进行充分的技术交流，然后才能确定报价和立项等。如果是新车厂，还要考虑车厂审核，毕竟获得车厂的准入供应商资格是做项目的前提条件。前端分析对于轮胎配套能否成功非常重要，分析领域涵盖市场、技术、质量、成本、生产、设备等，建议注意要点如下。
（1）首先确认车厂的持续成长能力以及是否符合轮胎企业的发展战略；项目开发是轮胎供应商与车厂同步开发新车型项目还是后期再参与车型配套的项目；对替换市场是否有贡献；如果是新车厂，需要确认审厂时间和审厂应对是否有问题；了解车型、销量、利润、竞品以及产品和质量等是否满足车厂的需求。
（2）对车厂要求规范进行分析，如轮胎的滚动阻力，制动性能，噪声、振动和声振粗糙度（NVH），舒适性，操控稳定性，电阻，气密性等是否满足车厂的需求；是否需要动力学和有限元分析模型；需要何种认证；考虑产品在市场的互换性，吸取成熟经验作为设计参考。
（3）根据项目有无经验、开发难度、车厂对轮胎企业的信赖度、项目成功能否提升品牌形象等进行评分，以最终分值作为项目开发的依据，分值
作者简介：张勇（1975—），男，山东青岛人，双星集团有限责任公司正高级工程师，硕士，主要从事轮胎研究工作。
E-mail：zy@doublestar OSID开放科学标识码 (扫码与作者交流)
越低代表项目越难推进，并制定一个限值，分值在限值以下的项目应舍弃。
1.2 车辆信息
轮胎要与车辆相匹配，满足车辆的各项技术指标，在项目考察阶段，对车辆信息的分析也至关重要，车辆信息应包括：①车辆类型、用途和尺寸；
②车辆自身质量、承载质量和满载质量；③驱动方式、轴距、悬架类型；④空载和满载时的前轴和后轴负荷；⑤车速；⑥最小离地间隙、最小转弯半径；
⑦轮胎和轮辋规格；⑧路况和行驶条件；⑨动力系统参数等。
1.3 产品质量先期策划
国内车厂在项目管理中一般采用产品质量先期策划。轮胎企业作为零部件公司在向车厂提供轮胎时，产品质量先期策划是必须要做的一项工作，用于确保所有的步骤按时完成，在轮胎生产前解决所有的问题，它是个复杂的过程，需要几个来回才能确定最后的策划结果。
产品质量先期策划既是质量计划，也是持续项目开发计划，它从项目正式启动一直到生产件批准程序结束，执行人是整个产品质量先期策划小组，正常量产后需要进行总结，如果没有问题，该项目才可以关闭[1]。产品质量先期策划是为了满足客户需求，建立具体的管理方法并保障产品的阶段，保证所有要求在计划的时间点完成，用于保证产品质量、产品交付和成本管理等。
1.3.1 产品质量先期策划的产生
由于克莱斯勒、福特和通用公司各自使用不同的产品质量计划指导书，导致供应商产生了不必要的损失，因此这3家车企共同开发了产品质量先期策划，用来管理全球的供应商及其二级供应商，使产品质量计划的复杂性降低，形成了统一。产品质量先期策划成为供应商与二级供应商之间针对产品质量计划的信息互换手段。产品质量先期策划是为了满足客户需求而提供的资源，保障供应商实际执行产品质量计划，针对变更及时采取措施，防止设计变更延迟，用最少的费用生产最好的产品。
1.3.2 产品质量先期策划的必要性
产品质量先期策划可以优化开发周期和设计变更次数。设计变更所造成的浪费由小到大依次为产品设计阶段、过程设计阶段、量产阶段，因此有必要在开发早期解决质量问题，减少量产后的变更。变更的原因可能有对技术要求的理解和分析不足、对客户的特殊要求理解不到位、产品量产的能力欠缺等。
1.3.3 产品质量计划
产品质量计划包括5个阶段，分别为项目计划及定义阶段、产品设计及开发验证阶段、过程设计及开发阶段、产品及过程有效性确认阶段、量产阶段。应注意的是需要将车厂的要求转化为产品设计要求，再将设计要求转化为合适的部件、过程和生产要求。
第1阶段，输入车厂要求规范、项目计划、车辆信息、可行性分析、产品/过程能力研究及竞品分析等。输出设计目标、质量目标、物料清单预测、初步过程流程图、产品及过程的特殊性、产品保障计划等。需要注意的是，应从车厂需求和提供更好产品的角度来制定设计目标。
第2阶段，输出设计失效模式与影响分析、设计验证、设计总结、试制总结、图纸、施工、变更、工装、模具、设备、产品及过程的特殊性、试制管理计划、检测设备、小组可行性分析及经营层支持等。该阶段是产品设计和开发完成的阶段，需要注意的是，应采取客户驱动的设计方法，包括产品试制和验证，以满足客户要求，并导出产品的特殊性以及过程管理所需要的特殊因子。
第3阶段，输出质量体系总结、过程流程图、过程分布计划图、特性矩阵图、过程失效模式与影响分析、小批量管理计划、测量系统分析计划、过程指导书、初期过程能力调查计划等。该阶段主要讨论制造系统的主要特征和产品的生产管理计划，目的就是保证有效的制造系统。
第4阶段，输出量产启动、测量系统评价、初期过程能力调查、量产认可、量产有效性确认、产品检验、量产管理计划、质量计划确认等。需要注意的是，该阶段用于检验是否满足客户的需求，通过小批量试制来评价制造过程的有效性，在小批量试制期间，质量部门应严格遵守管理计划和过程流程图要求。
第5阶段，输出减少过程能力分散分析、客户满足与否检验、效果及服务评价等。需要注意的是，量产阶段过程能力较为分散，需要针对异常情况和偶发情况进行分析，并进行系统的过程管理，采取相应的措施，并对产品质量计划的效果和服务进行评价。
1.3.4 特殊性分析工具的关联性
（1）质量功能展开。质量功能展开在产品设计阶段是一种非常有效的手段，可以有效地将车厂的需求分解到各阶段和部门，通过协调各部门的工作以保障产品质量，满足车厂的需求。
（2）失效模式与影响分析。失效模式与影响分析分为输出设计失效模式与影响分析和过程失效模式与影响分析，通过分析出潜在的失效模式及可能的后果，提前采取必要的预防措施，从而提高产品质量及可靠性，有效的失效模式与影响分析可以缩短开发时间及减少开发费用。
（3）控制计划。控制计划可以实现最优化的管理，由技术部门牵头制定文件，涉及研发、技术、质量、生产、销售、采购及工厂等各部门。当发生产品变更、工艺变更、过程能力不足及检验方法变更时，需要及时对控制计划做出修改。
（4）统计过程控制。统计过程控制通过抽样发现异常，并采取措施消除异常，以达到控制质量的目的。需要注意的是，对发生多频次和涉及特殊性的问题都要做控制图，用于监控和保证过程的稳定，并现场解决问题。
需要注意的是，客户的需求、输出设计失效模式与影响分析、设计验证计划和报告活动的关联性、过程失效模式与影响分析、控制计划、过程指导书的关联性、设计部门与制造部门之间的沟通、过程设计部门与制造部门之间的沟通都是产品质量先期策划的核心。汽车轮胎报价
2 轮胎配套的关键技术
随着我国汽车工业的飞速发展以及市场对汽车性能的要求逐步提高，对于配套轮胎的性能要求越来越高，在早期的载荷能力和耐磨性能等基础上，增加了低滚动阻力、高舒适性和操控性能等的匹配要求。对轮胎性能匹配的研究已成为汽车和轮胎企业的新课题[2]。2.1 接地印痕对轮胎性能的影响
轮胎有3个边界区域，一个是轮胎与路面的接触区域，另外两个是胎圈与轮辋的接触区域。轮胎与路面的接触区域就是接地印痕。接地印痕的形状与轮胎性能密切相关，如椭圆形接地印痕有利于舒适性、抗湿滑性能、水漂性能等；矩形接地印痕有利于转向、操控稳定性、干地抓着力、耐磨性能等。需要注意的是，蝴蝶形接地印痕虽然有利于制动性能，但对生产工艺的要求偏高，容易出现均匀性合格率低和耐磨性能差等问题，因此，出现蝴蝶形接地印痕是需要改善的，带束层宽度过小时容易出现这种印痕。
接地印痕参数主要包括长轴、短轴、接地系数、有效面积和总面积等，同时需要根据印痕形状和接地压力分布进行分析。影响接地印痕的因素有轮廓设计、胎面厚度、冠带条、带束层等，这些因素会导致接地印痕形状有很大差异。例如，在相同条件（充气压力、负荷和速度）下，接地印痕面积会随着带束层
宽度和角度的增大而增大。
（1）转向性能。车辆转向时，轮胎会产生侧向力和回正力矩。带束层的角度越大，接地印痕的形状越倾向于椭圆形，侧向力和回正力矩越大。一般来说，椭圆形接地印痕轮胎的回正力矩比矩形接地印痕轮胎大，在车辆转向时轮胎的刚度小，转弯轻松。
（2）操控稳定性。带束层的角度越小，胎冠的刚度越大，车辆进行变道测试时操控稳定性越好。另外，有轮辋保护设计或增加胎圈区域的胶料厚度都有利于提高操控稳定性。一般情况下，矩形接地印痕轮胎的操控稳定性优于椭圆形接地印痕轮胎。
（3）舒适性。带束层的角度越大，轮胎的刚性越小，车辆进行冲击测试时舒适性越好。一般情况下，椭圆形接地印痕轮胎的舒适性优于矩形接地印痕轮胎。
（4）噪声。轮胎因为带束层和胎体在径向产生振动，胎侧在横向也产生振动，在500 Hz以下时会产生噪声，带束层的角度越小，噪声越低，采用高硬度的三角胶有利于降低噪声。一般情况下，矩形接地印痕轮胎的噪声低于椭圆形接地印痕轮胎。
（5）水漂性能。带束层的角度越大，轮胎的接地印痕形状由矩形趋向于椭圆形，受到水的冲击力越小，水漂现象越不容易发生。不同接地印痕轮胎的水漂受力情况如图1所示，其中F 为冲击力，α为受力角度。
ⴕ
ṙ
F
F
α＝0° α＞0°
图1 不同接地印痕轮胎的水漂受力示意
冲击力计算公式如下：
cos F r V 2
12a =
^
h 式中，
r 为接地长度，V 为行驶速度，α为受力角度（行驶方向为0°）。
受力角度越大，冲击力越小，因此椭圆形接地印痕轮胎比矩形接地印痕轮胎更不容易发生水漂。2.2 低滚动阻力轮胎技术
车厂不仅对电动汽车轮胎的滚动阻力要求很
高，对燃油汽车的轮胎也有同样要求，轮胎的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[3]
，因此车厂对轮胎的滚动阻力要求越来越高。2.2.1 滚动阻力的产生机理
通常来讲，构成轮胎的橡胶呈粘弹性，由于橡胶具有粘性，变形时的能量无法完全恢复，一部分能量会以热能损耗，这部分热能就是滞后损失。轮胎在行驶过程中，由于自身变形、道路变形引起冲击，产生滚动能量、变形能量、反弹能量、热能量和运动能量等能量损失，机械能转变为热能，轮胎消耗了传递给车轮的部分能量，只剩下较少的能量来驱动车辆。
轮胎的滚动阻力主要与3个因素有关，即各部件胶料的单位体积应变能、能量损耗因子和体积，对各部件胶料的3个参数乘积求和，即得到整体轮胎的滚动阻力[4]
。因此轮胎滚动阻力与变形、滞后生热和体积相关，要降低滚动阻力，应减小轮胎的变形，降低胶料的滞后生热以及减轻轮胎的质量。
无论是利用有限元分析，还是从实际使用中的损坏结果都可以看出，轮胎滚动阻力的分布主
要集中在橡胶变形较多的区域，即胎肩和胎圈部
位。轮胎横截面如图2所示，
A 与A ′为胎肩部位，
B ′为轮胎前部，
B 为轮胎后部。轮胎截面A -O -A ′和B ′-O -B 的接地压力、充气压力及滚动阻力分布如图3和4所示。
从图3和4可以看出：轮胎肩部区域的刚度比中心位置大，接地压力大，能量损耗多，产生的滚动阻力大；按照轮胎行驶方向，接地前部的滚动阻力比接地后部大；
充气压力分布基本一致。
图2 轮胎横截面示意
ԌҦ Ќ ԌҦ Ү Ҧ
1—接地压力分布；2—充气压力分布；3—滚动阻力分布。
图3 轮胎截面A -O -A ′的接地压力、充气压力和
滚动阻力分布示意
ԌҦ Ќ ԌҦ Ү Ҧ
注同图3。
图4 轮胎截面B ′-O -B 的接地压力、充气压力和
滚动阻力分布示意
降低滚动阻力就是减小阻碍轮胎前进方向上的力和力矩。轮胎接地区域压力分布如图5所示，Z 向合力在轮胎中心线靠前部分，行驶的轮胎前后区域所受到的接地压力会有差异；
X 向合力向后，阻止轮胎向前运动，从而产生阻碍轮胎前进的滚动阻力。
X ՓՋҦ
图5 轮胎接地区域压力分布示意
滚动阻力计算公式：
F R
z R f
=
式中，
F R 为滚动阻力，z 为垂直方向合力，ε为垂直方向合力与中心间的偏差距离，R 为地面与轮胎滚动中心之间的距离。
因此降低滚动阻力，应减小垂直方向合力或偏差距离，或使用直径大的轮胎。2.2.2 低滚动阻力轮胎的设计2.2.2.1 减小胎面变形
轮胎滚动阻力耗油量约占燃油的20%，通常轮胎的滚动阻力每降低10%，燃油消耗量可减小1%～2%。轮胎各部位对滚动阻力贡献最大的是胎面，约占65%，胎侧和胎圈约占25%。轮胎部件胶料的滞后损失占90%～95%，轮胎移动时空气阻力及轮胎与路面的摩擦力占5%～10%。不同结构、材料和花纹的轮胎的滚动阻力是不同的，因此，同样车辆配备不同的轮胎，其滚动阻力的差别可达到50%[5]
。
为减小胎面变形，应采用低滚动阻力的胎面胶和基部胶配方，如确实因为舒适性等的需要，可以改善影响较小的胎侧轮廓设计。
（1）胎面胶。胎面胶采用丁苯橡胶，可以改善抗湿滑性能和操控性能，但会增大滚动阻力，采用天然橡胶（NR ）和顺丁橡胶（BR ）有利于降低滚动阻力，但抗湿滑性能和操控性能较差。可以考虑采用化
学改性的溶聚丁苯橡胶与NR 或BR 并用的体系；补强体系采用白炭黑/炭黑并用体系，并对白炭黑进行化学改性，粒径大的炭黑有利于降低滚动阻力；硫化体系可以适当增大促进剂的用量。应该注意的是，随着芳烃油用量的增大，胶料的抗湿滑性能提高，但滚动阻力也随之增大。
（2）基部胶。基部胶具有滞后损失小、生热低的特点，通过改变基部胶厚度，可以降低滚动阻力，也可以对平顺性、噪声和操控性能稍作调整。
（3）肩部变形。在轮胎肩部区域滚动阻力较大，弯曲、压缩、剪切等同时产生，因此肩部的设计
尤其重要。轮廓设计时应尽量将接地印痕前端的直线距离最小化，肩部下沉量应减小，胎面弧度应增大。
（4）结构设计。应提高胎面的刚性，如使用较强的冠带条，提高花纹块刚性，必要时减小花纹沟深度和钢片厚度等。减小胎冠帘线角度可以增大轮胎的径向刚度，减小滞后损失，从而降低滚动阻力。
胎侧的结构刚性增大时，胎肩部位的屈挠加重会增大变形。因此，胎侧轮廓设计时，断面宽应增大，结构设计时胎侧刚性要小，包括使用小三角胶，减小上断面高和胎侧厚度等。2.2.2.2 轮胎轻量化
轮胎总质量每减小10%，滚动阻力降低约12%。质量最小化是为了降低轮胎的运动能量，可以通过轮廓设计如减小行驶面宽度、胎面厚度、带束层宽度和胎侧厚度等来实现。
另外，为降低轮胎滚动阻力，可对模具内轮廓的肩部进行局部优化设计，最终目的就是减小肩部体积，减轻质量，这不仅有利于降低轮胎的滚动阻力和噪声，而且提高了车辆转弯时轮胎的外侧支撑。
2.2.2.3 增大轮胎外直径
要增大轮胎的外直径，可以增大地面与轮胎滚动中心之间的距离，轮胎断面高越大，滚动阻力越低。研究表明，轮胎外直径每增大10 mm ，滚动阻力降低1%左右。结构设计时可考虑增大轮胎的膨胀率，如增大带束层角度等。选择轮胎时可考虑使用行驶面宽度小、外直径大的轮胎，这是因为轮胎的接地面积小，滚动阻力会降低。2.2.2.4 提高充气压力
车辆在高速公路上行驶时，轮胎的滚动阻力
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