复合工况下轮胎滚阻与抓地性能协同提升研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.02.009

摘要/Abstract

摘要：

轮胎滚阻和抓地性能是影响车辆动力性、经济性、制动性和安全性的重要因素。为实现滚阻与抓地性能协同提升，以205/55R16轮胎为研究对象，将轮胎分为胎面、带束层及非胎冠3个区域，依据车辆6种典型行驶工况，采用控制变量法探究各区域主要结构参数对两种性能的影响规律，进一步通过相关分析筛选出与滚动阻力和抓地力显著相关的结构参数，并采用响应面法进行参数寻优。结果表明，优化后轮胎在复合工况下滚动阻力减小22.39 N、抓地力增大6 N，实现了两种性能的协同提升。

关键词: 复合工况, 轮胎结构参数, 滚动阻力, 抓地性能, 响应面优化

Abstract:

Tire roll resistance and grip performance were important factors influencing the power delivery， fuel economy， braking capability， and safety performance of a vehicle. In order to achieve synergistic improvement of rolling resistance and grip performance， a 205/55R16 tire was selected as the research object. The tire was divided into three areas： tread， belt layer， and non-crown. According to six traditional driving conditions， the control variable method was used to explore the influence rules of the main structural parameters on two properties. Further more， structural parameters significantly related to rolling resistance and grip were selected through correlation analysis， and the response surface method was used for parameter optimization. The results show that the rolling resistance decreases by 22.39 N and the grip improves by 6 N for the optimized tire under composite working conditions， achieving a synergistic improvement of the two performance. The results have certain reference value for improving tire rolling resistance and grip performance.

Key words: composite working condition, tire structural parameter, rolling resistance, grip performance, response surface optimization

中图分类号:

U463.341

刘从臻, 王鹏, 朱辉, 赵鹏斌, 马强, 刘洪柱. 复合工况下轮胎滚阻与抓地性能协同提升研究[J]. 中国机械工程, 2026, 37(2): 342-352.

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图/表 30

图1 胎面胶与带束层胶试验及拟合曲线

Fig.1 Tread rubber and belt rubber test and fitting curve

表1 轮胎各胶料Yeoh参数拟合结果

Tab.1 Fitting results of Yeoh parameters of tire compounds

部件胶料	C₁₀	C₂₀	C₃₀
胎面胶	0.7079	$-$ 0.1851	0.0813
冠带胶	0.4513	$-$ 0.1574	0.0803
胎侧胶	0.4709	0.1643	0.0838
带束层胶	0.4437	$-$ 0.1548	0.0789
胎体层胶	0.4460	$-$ 0.1556	0.0793
耐磨胶	1.3161	$-$ 0.3538	0.1163
内衬层胶	0.4863	$-$ 0.1697	0.0865
三角胶	2.4607	$-$ 0.7485	0.2222

表1 轮胎各胶料Yeoh参数拟合结果

Tab.1 Fitting results of Yeoh parameters of tire compounds

部件胶料	C₁₀	C₂₀	C₃₀
胎面胶	0.7079	$-$ 0.1851	0.0813
冠带胶	0.4513	$-$ 0.1574	0.0803
胎侧胶	0.4709	0.1643	0.0838
带束层胶	0.4437	$-$ 0.1548	0.0789
胎体层胶	0.4460	$-$ 0.1556	0.0793
耐磨胶	1.3161	$-$ 0.3538	0.1163
内衬层胶	0.4863	$-$ 0.1697	0.0865
三角胶	2.4607	$-$ 0.7485	0.2222

图2 轮胎有限元模型

Fig.2 Tire finite element model

图3 电子压力试验机

Fig.3 Electronic pressure testing machine

图4 轮胎静载接地印痕对比

Fig.4 Comparison of tire static load grounding marks

表2 轮胎静载接地印痕参数对比

Tab.2 Comparison of tire static load grounding parameters

印痕参数		载荷
印痕参数		3 kN	4 kN	5 kN	6 kN
接地长度	试验值/mm	101.44	114.00	133.03	148.55
	仿真值/mm	98.61	112.06	131.11	146.45
	相对偏差/%	2.79	1.70	1.44	1.41
接地宽度	试验值/mm	144.91	150.00	151.17	156.37
	仿真值/mm	148.22	15308	153.43	158.25
	相对偏差/%	2.84	2.05	1.50	1.20

图5 径向刚度曲线对比

Fig.5 Comparison of radial stiffness curves

表3 行驶工况划分表［22］

Tab.3 Driving conditions division table［22］

工况	滑移率/%	侧偏角/ （°）	侧倾角/ （°）	权重/%
直线自由滚动	0	0	0.34	74.32
直线驱动	$-$ 15	0	0.42	6.48
直线制动	15	0	0.19	4.65
侧偏自由滚动	0	5	0.25	10.76
侧偏驱动	$-$ 15	5	0.25	2.19
侧偏制动	15	5	0.44	1.60

表3 行驶工况划分表［22］

Tab.3 Driving conditions division table［22］

工况	滑移率/%	侧偏角/ （°）	侧倾角/ （°）	权重/%
直线自由滚动	0	0	0.34	74.32
直线驱动	$-$ 15	0	0.42	6.48
直线制动	15	0	0.19	4.65
侧偏自由滚动	0	5	0.25	10.76
侧偏驱动	$-$ 15	5	0.25	2.19
侧偏制动	15	5	0.44	1.60

图6 胎冠接地轮廓结构

Fig.6 Crown grounding profile structure

表4 胎冠结构设计方案

Tab.4 Crown structure design scheme

方案编号	行驶面宽度 b₁ /mm	行驶面高度 h₁ /mm	肋条宽度比a
样胎	170	11.5	0.75
1	164	11.5	0.75
2	176	11.5	0.75
3	170	9.5	0.75
4	170	13.5	0.75
5	170	11.5	0.55
6	170	11.5	0.95

表5 不同胎面结构滚动阻力及抓地力

Tab.5 Rolling resistance and grip force of different tread structures

方案编号	轮胎滚动一周的能量损耗/J						复合工况能量损耗/J	滚动阻力/N	抓地力/N
方案编号	直线自由滚动	直线驱动	直线制动	侧偏自由滚动	侧偏驱动	侧偏制动	复合工况能量损耗/J	滚动阻力/N	抓地力/N
样胎	176.36	422.31	444.48	297.66	432.94	441.56	227.68	116.89	4333
1	199.24	450.55	474.73	318.80	465.78	472.47	251.41	129.07	4307
2	161.36	401.64	410.60	276.38	415.26	424.21	210.66	108.15	4336
3	162.02	407.93	425.16	280.59	415.60	430.79	212.81	109.25	4340
4	204.72	443.79	467.56	312.91	455.88	462.50	253.70	130.25	4318
5	184.91	429.86	452.52	302.66	441.13	449.11	235.73	115.68	4326
6	184.35	430.63	453.60	305.33	442.36	451.06	235.76	121.04	4336

图7 不同胎面结构接地印迹

Fig.7 Ground marks of different tread structures

图8 胎面结构参数对滚动阻力和抓地力的影响

Fig.8 Influence of tread structure parameters on rolling resistance and grip

图9 带束层结构

Fig.9 Structure of the belt layer

表6 带束层结构设计方案

Tab.6 Design scheme of belt layer structure

方案编号	1号带束层宽度b₂/mm	2号带束层宽度b₃/mm	帘线角度 θ/（°）
样胎	158	148	70
7	153	148	70
8	163	148	70
9	158	143	70
10	158	153	70
11	158	148	66
12	158	148	74

表7 不同带束层结构滚动阻力及抓地力

Tab.7 Rolling resistance and grip force of different belt structures

方案编号	轮胎滚动一周的能量损耗/J						复合工况能量损耗/J	滚动阻力 /N	抓地力 /N
方案编号	直线自由滚动	直线驱动	直线制动	侧偏自由滚动	侧偏驱动	侧偏制动	复合工况能量损耗/J	滚动阻力 /N	抓地力 /N
样胎	176.36	422.31	444.48	297.66	432.94	441.56	227.68	116.89	4333
7	176.83	419.03	441.08	294.81	428.75	441.33	227.26	116.67	4325
8	179.43	425.33	448.07	297.27	439.56	441.20	230.42	118.30	4328
9	158.86	398.76	420.98	273.44	411.78	415.53	208.57	107.08	4326
10	200.45	448.85	469.15	320.06	460.07	467.04	251.86	129.31	4335
11	151.62	390.70	412.82	273.03	407.61	409.69	202.06	103.74	4337
12	200.02	448.22	471.49	322.73	462.37	468.68	251.98	129.37	4323

图10 不同带束层结构接地印迹

Fig.10 Ground imprints of different belt-layer structures

图11 带束层结构参数对滚动阻力和抓地力的影响

Fig.11 Influence of structural parameters of the belt layer on rolling resistance and grip

图12 非胎冠结构

Fig.12 Non-crown structure

表8 非胎冠结构设计参数

Tab.8 Non-crown structure design parameters

方案编号	胎体反包高度h₄/mm	三角胶高度h₃/mm	耐磨胶高度 h₂/mm
样胎	68	40	27.55
13	63	40	27.55
14	73	40	27.55
15	68	35	27.55
16	68	45	27.55
17	68	40	22.55
18	68	40	32.55

表9 不同非胎冠结构滚阻及抓地力

Tab.9 Rolling resistance and grip of different non-crown structures

方案编号	轮胎滚动一周的能量损耗/J						复合工况能量损耗/J	滚动阻力/N	抓地力/N
方案编号	直线自由滚动	直线驱动	直线制动	侧偏自由滚动	侧偏驱动	侧偏制动	复合工况能量损耗/J	滚动阻力/N	抓地力/N
样胎	176.36	422.31	444.48	297.66	432.94	441.56	227.68	116.89	4333
13	180.15	426.64	451.58	299.65	439.54	445.94	231.53	118.87	4337
14	179.32	421.78	445.19	294.85	432.49	440.28	229.55	117.85	4327
15	176.99	420.66	443.27	294.27	430.90	437.62	227.51	116.81	4328
16	181.62	429.11	452.41	298.57	439.87	448.83	232.77	119.50	4327
17	180.20	436.03	460.15	244.60	450.34	456.12	227.06	116.57	4335
18	181.72	419.12	437.16	291.10	428.62	435.30	230.21	118.19	4331

图13 不同非胎冠结构接地印迹

Fig.13 Ground blot of different non-crown structures

图14 非胎冠结构参数对滚动阻力和抓地力的影响

Fig.14 Effects of non-crown structure parameters on rolling resistance and grip

表10 相关性分析结果

Tab.10 Correlation analysis result

		b₁	h	a	b₂	b₃	θ	h₄	h₃	h₂
滚动阻力	r	$-$ 0.457	0.458	0.117	0.035	0.485	0.559	$-$ 0.022	0.059	0.035
滚动阻力	Sig	0.049	0.049	0.634	0.886	0.035	0.013	0.928	0.811	0.886
抓地力	r	0.612	$-$ 0.464	0.211	0.063	0.290	$-$ 0.295	$-$ 0.211	$-$ 0.021	$-$ 0.084
抓地力	Sig	0.005	0.045	0.386	0.797	0.236	0.220	0.386	0.932	0.731

表10 相关性分析结果

Tab.10 Correlation analysis result

		b₁	h	a	b₂	b₃	θ	h₄	h₃	h₂
滚动阻力	r	$-$ 0.457	0.458	0.117	0.035	0.485	0.559	$-$ 0.022	0.059	0.035
滚动阻力	Sig	0.049	0.049	0.634	0.886	0.035	0.013	0.928	0.811	0.886
抓地力	r	0.612	$-$ 0.464	0.211	0.063	0.290	$-$ 0.295	$-$ 0.211	$-$ 0.021	$-$ 0.084
抓地力	Sig	0.005	0.045	0.386	0.797	0.236	0.220	0.386	0.932	0.731

表11 试验参数及取值

Tab.11 Test parameters and values

变量代号	设计变量名称	编码因子
变量代号	设计变量名称	$-$ 1	0	1
x₁	行驶面宽度b₁/mm	164	170	176
x₂	行驶面高度h/mm	9.5	11.5	13.5
x₃	2号带束层宽度b₃/mm	143	148	153
x₄	帘线角度θ/（°）	66	70	74

表11 试验参数及取值

Tab.11 Test parameters and values

变量代号	设计变量名称	编码因子
变量代号	设计变量名称	$-$ 1	0	1
x₁	行驶面宽度b₁/mm	164	170	176
x₂	行驶面高度h/mm	9.5	11.5	13.5
x₃	2号带束层宽度b₃/mm	143	148	153
x₄	帘线角度θ/（°）	66	70	74

表12 试验方案及结果

Tab.12 Experimental scheme and results

方案	x₁	x₂	x₃	x₄	F₁（x_i ）	F₂（x_i ）
1	0	1	$-$ 1	0	110.40	4316
2	1	1	0	0	117.63	4324
3	1	0	0	1	125.85	4329
4	$-$ 1	0	$-$ 1	0	113.00	4307
5	1	0	0	$-$ 1	99.46	4330
6	0	$-$ 1	0	$-$ 1	104.73	4330
7	1	$-$ 1	0	0	106.67	4339
8	$-$ 1	0	0	$-$ 1	112.84	4308
9	1	0	1	0	121.55	4333
10	0	0	0	0	116.89	4333
11	0	0	$-$ 1	1	120.43	4328
12	0	0	0	0	116.89	4333
13	1	0	$-$ 1	0	102.13	4330
14	$-$ 1	$-$ 1	0	0	132.47	4318
15	$-$ 1	0	1	0	141.76	4312
16	0	0	0	0	116.89	4333
17	0	0	0	0	116.89	4333
18	$-$ 1	1	0	0	129.98	4304
19	0	1	0	$-$ 1	111.40	4317
20	0	$-$ 1	0	1	131.89	4332
21	0	1	1	0	128.22	4322
22	0	$-$ 1	1	0	128.48	4334
23	$-$ 1	0	0	1	139.91	4304
24	0	0	0	0	116.89	4333
25	0	0	$-$ 1	$-$ 1	94.55	4323
26	0	0	1	1	140.89	4327
27	0	0	1	$-$ 1	113.58	4325
28	0	1	0	1	133.90	4319
29	0	$-$ 1	$-$ 1	0	101.32	4335

表12 试验方案及结果

Tab.12 Experimental scheme and results

方案	x₁	x₂	x₃	x₄	F₁（x_i ）	F₂（x_i ）
1	0	1	$-$ 1	0	110.40	4316
2	1	1	0	0	117.63	4324
3	1	0	0	1	125.85	4329
4	$-$ 1	0	$-$ 1	0	113.00	4307
5	1	0	0	$-$ 1	99.46	4330
6	0	$-$ 1	0	$-$ 1	104.73	4330
7	1	$-$ 1	0	0	106.67	4339
8	$-$ 1	0	0	$-$ 1	112.84	4308
9	1	0	1	0	121.55	4333
10	0	0	0	0	116.89	4333
11	0	0	$-$ 1	1	120.43	4328
12	0	0	0	0	116.89	4333
13	1	0	$-$ 1	0	102.13	4330
14	$-$ 1	$-$ 1	0	0	132.47	4318
15	$-$ 1	0	1	0	141.76	4312
16	0	0	0	0	116.89	4333
17	0	0	0	0	116.89	4333
18	$-$ 1	1	0	0	129.98	4304
19	0	1	0	$-$ 1	111.40	4317
20	0	$-$ 1	0	1	131.89	4332
21	0	1	1	0	128.22	4322
22	0	$-$ 1	1	0	128.48	4334
23	$-$ 1	0	0	1	139.91	4304
24	0	0	0	0	116.89	4333
25	0	0	$-$ 1	$-$ 1	94.55	4323
26	0	0	1	1	140.89	4327
27	0	0	1	$-$ 1	113.58	4325
28	0	1	0	1	133.90	4319
29	0	$-$ 1	$-$ 1	0	101.32	4335

表13 响应函数回归模型的拟合度结果

Tab.13 The result of fit degree of response function regression model

	判定系数R²	变异系数/%	信噪比
F₁（x_i ）	0.93	0.32	16.91
F₂（x_i ）	0.93	0.40	14.53

图15 残差分布图

Fig.15 Residual distribution diagram

表14 优化方案结果验证

Tab.14 Optimization scheme results verification

方案	x₁/mm	x₂/mm	x₃/mm	x₄/（°）	F₁（x_i ）/N	F₂（x_i ）/N
优化方案	174.73	9.5	145.37	67.54	94.55	4338.49
仿真方案	174.73	9.5	145.37	67.54	94.50	4339
偏差/%					0.053	0.012

表15 复合工况仿真结果对比

Tab.15 Comparison of simulation results under composite conditions

方案	轮胎滚动一周的能量损耗/J						复合工况能量损耗/J	滚动阻力/N	抓地力/N
方案	直线自由滚动	直线驱动	直线制动	侧偏自由滚动	侧偏驱动	侧偏制动	复合工况能量损耗/J	滚动阻力/N	抓地力/N
样胎	176.36	422.31	444.48	297.66	432.94	441.56	227.68	116.89	4333
优化方案	138.93	356.99	378.86	242.15	366.56	373.42	184.06	94.50	4339
优化量	37.43	65.32	65.62	55.51	66.38	68.14	43.62	22.39	6

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