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固铂轮胎姜升昊:电动车轮胎的设计概念和趋势——第八届中国汽车产业峰会现场实录

图为:Cooper 美国固铂轮胎亚太技术中心(ATC),OE开发总监 姜升昊

女士们,先生们,大家下午好,我是Peter姜,-现在任职Cooper美国固铂轮胎亚太技术中心的OE开发总监。今天我演讲的题目是关于电动汽车轮胎的设计和发展趋势。今天来到这里的嘉宾,我想大部分对于轮胎的技术并不是特别了解,所以我不讲很多的细节,我会讲一些基础的轮胎知识和设计方面的问题。

开始今天的主题前,首先我想简单地介绍一下Cooper美国固铂轮胎,同时也介绍下关于新能源汽车轮胎方面的一些挑战和性能的要求。对于Cooper来说,我们是一家美国的轮胎企业,创立于1914年,2014年刚刚庆祝了我们100周年的生日。Cooper美国固铂轮胎是在十年以前进入的中国市场。Cooper美国固铂轮胎在全球共有八家生产工厂,分别在北美、南美,还有两个工厂是在欧洲,另外两个工厂在中国,一个是昆山,在江苏省;另一个工厂在青岛,Cooper美国固铂轮胎每年能生产6000万条轮胎,我们的员工人数在9000名左右。

Cooper美国固铂轮胎有一个全球研发体系,包括一个全球研发中心和三个区域技术中心,其中全球研发中心和北美技术中心,都座落在美国的俄亥俄州,欧洲技术中心位于英国,亚太技术中心位于昆山,这三个区域技术中心和全球研发中心一起是相互关联的,可以相互提供技术支持。固铂亚太技术中心,是2008年建立的,我们在中国非常注重本土化,快速满足客户需求,是一个具有很强本土化特色的技术中心。我们开发了包含了轮胎设计及性能模拟的软件,并且有非常先进的轮胎测试设备。Cooper美国固铂轮胎可能比其他企业进入中国的时间要晚,但是我们在短时间内就获得了多方的认可,比如昆山的工厂拿到了福特Q1的认证,现阶段同时给20多种不同的车型供应原厂轮胎等等。

现在来谈谈今天的主要话题,我想从环境问题入手。环境的问题可以说是加速了新能源汽车的发展,环境的问题特别是大气污染,是一个非常值得研究的问题,尤其在中国。中国现在是最大的新能源汽车市场。有很多政府的政策,鼓励了新能源汽车的发展,中国政府也宣布要求改善燃油消耗量。燃油的消耗量要在2020年减少27.5%,这个对于新能源汽车来说,是非常利好的消息。新能源汽车肯定是改善燃油消耗量的一个解决方案,新能源汽车有很多的类型,不管是燃料电池,还是插电式的汽车,很多的理论是一样的。

新能源汽车的发展现状有两点挑战。第一个是电池的容量不够大,另一个是缺乏基础充电设施,所以这就是为什么人们可能很犹豫是否购买新能源汽车。电池的容量可以随着技术的发展来扩大,而轮胎的技术是如何能够解决这两点局限性呢,如何帮助我们来缓解这两方面的问题呢。我们看电动汽车特性对轮胎的要求,它对轮胎设计工作提出了挑战。第一个是电动汽车电池容量不足,这样我们就应该增加能源的利用效率,那么开发低滚动阻力轮胎才能提高能源效率。另外电动汽车没有内燃机的噪音,轮胎的噪音就会相对更加明显,所以电动汽车要求轮胎噪音也得非常小。因为车身加入电池,所以电动车可能会比传统的汽车要重,所以要求轮胎需要有更高的载荷能力,同时又希望能控制轮胎的重量(轻量化),这就要求我们在设计轮胎时,必须要考虑到这些方面。所以电动车对轮胎的性能要求即包括低滚动阻力、低噪音、轻量化、高载荷能力等方面。

轮胎对于车辆悬挂来说非常重要。一公斤的非悬挂重量相当于好几公斤的悬挂重量,这样当它滚动的时候,它就会需要更多的能源,会消耗更多的能源。我们如何来决定轮胎的大小和轮胎的重量,轮胎的大小是根据轮胎的负荷能力决定的,所以在我们设计的时候,就应该把轮胎的负荷能力考虑进来。这个图可以看到轮胎重量的分布,从材料的角度来说,轮胎由天然橡胶、合成橡胶等组成。从结构的角度来看,蓝色(胎面)这里占了30%。如何来给轮胎减重,有结构设计的限制,薄的轮胎可以减轻其重量但耐用性会受影响,还有撞击鼓包的问题。如何能够找到解决方案,如何能够减少轮胎的重量的同时又不会影响其他的性能。固铂研发应用了新型的轻质材料,同时不会影响轮胎的耐用度。新型材料的应用轮胎可以成功地减少20%的轮胎重量。

接下来要考虑到轮胎噪音的有效减少,大家可以看到,无论是标准内燃机车还是电动汽车,轮胎噪音对汽车的整体噪音贡献量还是较大的。我们可以看到车在路上,车辆的噪音随速度有所上升,但是因为我们电动汽车没有内燃机,换句话说,控制轮胎的噪音是极其重要的。对于轮胎的噪音或者路面的噪音,我们也可以把它分类成不同的类型,一种是车外的噪音,典型的车外噪音就是通过噪音,另外是车内的噪音,或者是我们车厢内的噪音,这对于整机厂来说是很重要的指标。噪音又可以从传播的途径分类,一个是空气传播,一个是结构传播,对于整机厂来说,结构传播这种轮胎的噪音是更重要的。

接下来来跟大家介绍一下车内和结构的噪音是如何产生的。首先轮胎与路面接触,把路面的振动激励传递给悬架、车身及底盘等构件。从而形成噪音,所以我们就可以听到这种噪音。车辆轮胎的共振也是一种噪音的来源,所以这两种噪音都需要来进行有效控制,我们需要清楚地明白,车辆轮胎振动的特性,与此同时,来优化我们胎面和结构的设计。接下来我们来看一下车辆的滚动阻力RR,这是轮胎最为重要的一个特性,滚动阻力指的是车辆在转动的时候,单位距离产生的能量损失。,轮胎滚动的时候,它因为跟地面车辆的接触,会经历一个从变形产生,到变形恢复的过程,在这种过程当中,轮胎的能量就会产生损失。这可以从下面的例子中得到更好的理解,一个小球落地地上,可以弹起来,但是弹回来的高度会降低,这就是因为发生了能量损失所造成的。所以大家看到,接下来是我们轮胎的一个应变的大小和轮胎恢复的情况。

可以看到轮胎产生变形之后,轮胎的负荷会产生一些变化,所以中间的这一部分的就是能源的损失。接下来看一下它的动态的三角区,这是用于一种轮胎性能的参数,所以这样的三角区就代表了能源的损失,这个比例越高,代表了能源损失越高,所以经过一般的分析,抓地力是越高越好,滚动阻力越低越好。整体来说,对于标准的汽车,普通汽车,可能他们如果要到C的曲线是最好的情况,但是电动汽车的轮胎要求的是低滚动阻力的同时达到好的抓地力,所以相对地会牺牲一些其他的性能。所以我们看到下面这条曲线是电动汽车的轮胎达到的最佳性能。

可以看到三种因素决定了轮胎的滚动阻力。第一个就是变形,第二个是体积和重量,尤其是橡胶的体积。最后就是低迟滞性的材料。设计轮胎的时候,让它更小的变形,尤其是接地的部分比较重要。接下来考虑到轮胎的体积,要尽量减少轮胎的体积和重量,要减少橡胶的使用量。

最后给大家介绍我们用什么样的技术改善轮胎的滚动阻力。首先会有一些非常好的人造的橡胶材料,包括新兴的材料,硅烷的材料,可以有更好的抓地力,更低的滚阻,磨耗性也会更好。另外我们还会对轮胎轮廓进行优化设计,减少轮胎的变形,并且来降低整体轮胎的重量,所以这些方面,对于电动汽车来说也是很重要的,对传统的汽车来说,也是要考虑到轮胎的滚动阻力,这就是为什么过去几十年来,轮胎的制造商不断努力地来降低轮胎的滚动阻力。这样的趋势相信在未来还会延续。

但是当我们进入电动汽车的时代,轮胎要求非常低的滚动阻力。对于当前的轮胎技术来说,我们可能还不能达到想要的结果。目前有一种新型轮胎概念,即“高&窄”型轮胎。跟标准轮胎比起来,它是直径更大一些,更高一些,胎面更窄。所以我们把它叫做高窄类型的轮胎轮胎的负荷能力是由轮胎的尺寸和充气压力决定的。可以看到它会考虑到轮胎整体的一个高度和宽度,就是它的一个尺寸。所以我们来比较一下这个表格显示的就是普通的轮胎和高窄型的新型轮胎,新型的轮胎是更大的,所以就整体的直径看,比普通的轮胎要多出11%。对于轮胎横截面的宽度降低了15%,负荷能力、载重能力和普通轮胎比起来没有受到影响。,我们就必须把轮胎的充气压力增大,在增大的充气压力情况下,新型的轮胎和标准的普通轮胎都是一样的。

为什么会出现高窄型的轮胎,就是因为轮胎在使用的时候,轮胎如果尺寸更小,它需要转动的圈数会更多,但是如果轮胎更大或者更高,所以这个轮胎同样的一个路程,与传统的轮胎相比,转动的次数会更少。所以旋转量更少,就意味着变形更小,变形更小,就意味着它的迟滞更小,所以轮胎的滚动阻力就更小。原则上轮胎直径每增加1%就会带来1%的滚动阻力的降低。第二个考虑,要把轮胎做的更窄,是为了减少空气的阻滞,所以在轮胎滚动的时候,尽量的减少空气的阻滞,能够降低滚动的阻力,这也可以来帮助降低轮胎的噪音。轮胎刚才说的充气压力更大,所以在滚动的时候,变形更小,阻力更小。

但是高窄型轮胎面临着技术挑战,可能影响其他轮胎性能,特别是动态稳定性。它是比较窄的一种轮胎,这就代表了它横向的抓地力是不足的,在转弯的时候,可能因为抓地量不足,会造成一定的不稳定,所以可以看到我们做了一个比较,标准轮胎和新型轮胎的一个性能比较。所以这种新型轮胎在包括噪音和滚动阻力等方面,都是有改善的。但是大家可以看到,它在操控性和抓地力方面还是有所不足,所以新型的轮胎现在推广应用较少。

我们来看一下在中国制造电动汽车轮胎的状况,我想大家应该很熟悉这些了。我们Cooper美国固铂轮胎做了一些调查,绝大多数的中国的电动汽车的轮胎还是标准的轮胎,并不是这种专门为了电动汽车设计的轮胎。同样,我们也看了一下对于它的一个性能的情况,对于整车厂的要求可以看到,它的滚动系数大约是8.5到7,这是一个相对来说比较低的要求,对于轮胎的重量和噪音这方面,并没有特殊的对于电动汽车轮胎的一个要求。

好的,我总结一下我的演讲,主要有三点,首先在中国市场上使用的大多是标准型的轮胎,而不是专门的新概念轮胎,我想也是绝大多数的轮胎制造商都有这样的观念,这样的一个趋势可能还会延续几年。我们要考虑到对于电动汽车的轮胎来说,滚动阻力、重量和噪音都是很重要的技术要求,很有趣的是这些要求和普通轮胎的研发趋势完全符合,相信在未来几年,新能源车专用轮胎可能不会成为一个非常主流的产品,也会存在一些性能和技术方面的限制,但是相信轮胎厂家将会继续致力于改善轮胎的性能。

好,这就是我的演讲,谢谢大家,谢谢大家的时间。

主持人:

因为我们姜总是用英文讲的,不知道现场大家有没有听明白,或者说有没有什么疑惑,如果大家有任何的问题可以提问,其实在讲的有两个主要问题,一个就是针对现在中国市场上的电动车对轮胎的需求,主要是对我们现有的轮胎做一些改进,做一些研发,去适应我们现在的电动车市场,包括尽可能地降低它的滚动阻力,并且不影响其他的性能。另外,因为电动车是没有内燃机产生噪音,所以轮胎的噪音会特别明显,所以就是尽可能降低轮胎的噪音。大家如果有什么问题,可以跟我们的姜总来提问。

提问:

我问一个,刚才姜总谈到一个观点,轮胎直径增加1%,滚动阻力就会减少1%。这有没有一个特定的范围,还是说这是一个普遍的规律?

姜升昊:

阻力滚动的时候才有,但是轮胎大,大的轮胎能持续滚动,但是小的轮胎滚动阻力变小,是这样的概念,你理解吗?

主持人:

轮胎的直径越大,同样的距离,它要转动的圈数就会越少。轮胎的滚阻怎么产生的,当它转动的时候会变型,再恢复,再变形,在这个过程中产生比较大的阻力。它比较大,会转的圈数比较少,所以相对而言它的滚动阻力会减少。

姜升昊:

轮胎更大的时候,轮胎的速度要传动过去,很小的话,很多次,20次,轮胎滚动,是不一样的,所以滚动阻力变形,造成这个。

提问:

我问一个问题,电动车的重量要比普通车大,如果你还是用窄一点的轮胎,刹车方面,是不是意味着刹车的距离效率会更差一点?

姜升昊:

对的,但它的距离比较长,长的话,满足基本的机动距离,直线的距离问题不大,更大的问题是转弯的时候,宽度很窄,可能会造成这个问题。

主持人:

直线距离是没有问题的,但是比较大的问题就是在转弯的时候,因为它的距离比较小,所以会有一定的困难。

提问:

怎么解决呢?

姜升昊:

很难的问题,我们将会继续努力。

主持人:

现在研发的重点,是如何在尽可能降低它的滚动阻力的同时,不影响其他的性能。

姜升昊:

所以将来四五年,这个目标不会变。

主持人:

所以高窄型的轮胎是一个概念,对于我们来说,是美国研发中心在研发的课题,我们在中国研发重点主要是如何将标准化的轮胎进行改善,让它去适应电动车轮胎。

文章来源:盖世汽车

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