超高速轮胎设计与性能分析

曲宾建，王 君，叶烔昕

（青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

随着汽车行业的不断发展，汽车的性能越来越好，特别是一些特殊性能车及跑车，对速度的追求越来越极致化。此外，欧洲部分国家的高速路不限速政策及全球蓬勃发展的赛车文化，使得车辆的极限速度也正屡次刷新着记录。迄今为止，最快的量产车布加迪Chiron Super Sport 300＋，其最高速度已达到490.484 km·h-1。同时随着新能源汽车市场的快速发展，超高速的新能源汽车也将很快出现。对车速起到关键作用的轮胎也相应被提出了越来越高的要求：既要能承受车辆超高的起步转矩，又要具备优异的高速耐久稳定性，并且要拥有良好的干、湿地抓着力，确保跑得稳、刹得住[1-8]。

本工作通过对某款具有代表性的超跑使用轮胎进行全面分析，得出超高速轮胎的设计开发理念和方向。

选取目前国际上极速水平最高的4款车型：Bugatti Chiron Super Sport 300＋，Hennessey Venom F5，Koenigsegg Jesko和SSC Tuatara，其极速水平分别为：490，484，483和483 km·h-1。

选择以上4款超跑车型所使用的轮胎作为超高速轮胎的代表产品进行分析研究。

3.1 花纹

（1）非对称花纹设计。可保证轮胎内侧的排水性能及外侧的抓着性能。车辆在过弯时，特别是入弯速度较大时，由于离心力的作用，车辆会在离心力的方向上产生明显侧倾，轮胎的接地面积和形状也会发生变化，即接地面积减小一半、外侧约1/2宽度紧紧压在地面上；
内侧1/2宽度悬浮接触地面。因此采用非对称花纹设计，外侧接地面积大于内侧接地面积，实现内侧排水、外侧抓地，可以最大程度地提升车辆高速过弯时的操控性。虽然与对称花纹相比，非对称花纹在起步和刹车时，内外侧所受到的抓着力不相等，会造成整体胎面轻微的“扭曲”现象，产生能量损失。其后果就是轮胎的滚动阻力比对称花纹轮胎稍大，理论上对燃油经济性略有影响，但对超跑汽车来说影响不大。

（2）3条主沟设计。取消外侧的1条主沟，增大外侧花纹的接地面积（外侧花纹占比45%），提高了外侧花纹刚性和抓着性能。

（3）无钢片设计。保持花纹整体刚性，最大程度地保证了轮胎的抓着性能。一般来说，对于舒适型轮胎的花纹，通常采用在花纹块上设计钢片或者细小的横沟，以打散花纹块的整体刚性，从而降低花纹块在与地面接触时的冲击和振动，同时降低噪声。而对于运动型轮胎的花纹设计正好相反，即花纹块特别是胎肩部的花纹块刚性大于舒适型轮胎，从而实现轮胎优异的抓着力，可以承受较高的起步、刹车扭矩。

（4）节距设计及排列方式。采用内外侧区分设计，内侧采用小尺寸、多数量设计（尺寸比例按照小∶中∶大＝0.87∶1.00∶1.18），保证了良好的排水性能及散热能力，防止高速行驶时热量集中，造成胎面脱层；
外侧采用大尺寸、少数量设计（尺寸比例按照小∶中∶大＝0.85∶1.00∶1.22），提升了轮胎的抓着性能和操控性能。

3.2 结构设计参数

3.2.1 外直径（D）和断面宽（B）

本 设 计D为695 mm，B为272 mm。对 比ETRTO的设计标准，均大1 mm。偏大的外缘尺寸设计，很好地平衡了轮胎的操控性和舒适性，且对滚动阻力也有正向的影响。

3.2.2 断面高（H）

本设计H为90 mm，上断面高（H2）设计为49 mm，下断面高（H1）为41 mm，H2/H为54.4%。一般来说，舒适型轮胎的设计多采用H2＜H1，有利于轮胎的噪声、舒适性和滚动阻力；
而运动型轮胎的设计方法则相反，多采用H2＞H1，对轮胎的操控稳定性更好。

3.2.3 行驶面宽度（b）

b按照大尺寸设计，设计值为238 mm，与名义断面宽的比值为90%。更大的行驶面宽度增大了胎面与地面的接触面积，提升了高速行驶时轮胎的抓着性能。

超高速轮胎断面轮廓如图1所示。

图1 超高速轮胎断面轮廓示意

3.3 接地印痕

接地宽度（w）为230 mm，中心部分接地长度（Lc）为118 mm，85%位置处接地长度（L85）为101.4 mm，矩形率（L85/Lc）为86%，接地形状为偏矩形设计。此设计可增大轮胎胎肩部位的接地面积，提升胎面的抓着性能，保证了轮胎在干、湿地均有优异的刹车性能和操控性能。同时，对比椭圆形的设计，矩形化的接地印痕中心部的接地长度较短，在轮胎与地面的接触过程中，胎面的变形量相对较小，因此轮胎的滚动阻力相对较低。

超高速轮胎接地印痕如图2所示。

图2 超高速轮胎接地印痕示意

3.4 施工设计

3.4.1 胎体

胎体采用单层高强度钢丝帘线设计，单丝直径达到1.2 mm以上。胎体作为轮胎整体的支撑部件，其强度直接影响轮胎整体刚性。在满足安全及强度的条件下，可考虑使用单层高强度胎体，以减小滚动阻力，且最大程度地降低高速行驶时胎体生热，提高高速耐久性能。

3.4.2 三角胶

胎侧是影响轮胎操控稳定性的重要部位。而对于低扁平比（30～40系列）的轮胎，对胎侧刚性和强度影响较大的半部件为三角胶。因此，三角胶采用了内外双层设计，高度较大，与H的比值达到50%。此设计最大限度地提升了胎侧的强度，既能承受车辆超高的起步转矩，又能提高车辆底盘的操控性能。

3.4.3 胎圈

胎圈钢丝采用双列（6＋7）设计，且胎体末端在两列钢丝之间。此排列方式最大限度地提升了轮胎胎圈部径向和纵向刚度，但此设计方法按照目前传统成型方式较难实现。推测可能使用了特殊的成型技术。

超高速轮胎结构如图3所示。

图3 超高速轮胎结构示意

通过对某款具有代表性的超跑使用轮胎进行全面分析，得出如下设计方向。

（1）花纹采用非对称设计，可最大限度地提升外侧花纹的刚性，增大接地面积；
节距尺寸和排列采用内、外侧区分设计。内侧节距采用小尺寸、多数量设计，保证内侧花纹优异的排水性能和散热能力；
外侧节距采用大尺寸、少数量设计，保证外侧花纹优异的抓着力和过弯的操控稳定性。

（2）轮廓采用大尺寸设计，胎面轮廓呈现平直的形象。断面高采用上断面高大于下断面高的设计。该设计方法不仅能在轮胎的舒适性和操控性上做出优化平衡，还能对轮胎的滚动阻力起到正向影响。

（3）接地印痕采用矩形化设计，不仅提高了轮胎在干湿地路面的抓着力和操控性，对轮胎的滚动阻力也有正向影响。

（4）结构设计方面，胎体可采用双层普通胎体或者单层加强胎体；
三角胶的高度和厚度以及胎圈钢丝均采用加强设计。结构设计整体思路按照高强度方向设计，最大程度地满足车辆在高速行驶过程中的操控稳定性和安全性。