影響輪胎滾動(dòng)阻力的因素分析

Analysis on the Factors Affecting Tire Rolling Resistance

羅　俊

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn)　333403)

影響輪胎滾動(dòng)阻力的因素分析

Analysis on the Factors Affecting Tire Rolling Resistance

羅俊

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn)333403)

摘要：輪胎滾動(dòng)阻力的大小會(huì)影響到汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，而輪輞直徑和輪胎高寬比、輪胎表面材料、輪胎氣壓和負(fù)荷、車速對輪胎的滾動(dòng)阻力又有較大影響。在查詢和研究了近10年來有關(guān)輪胎滾動(dòng)阻力影響因素方面的文獻(xiàn)以及國際品牌公司最新研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合臺(tái)式試驗(yàn)與實(shí)際路面狀況分析，歸納總結(jié)出輪胎滾動(dòng)阻力各種影響因素的相互聯(lián)系，從而評定輪胎滾動(dòng)阻力。

關(guān)鍵詞：輪胎滾動(dòng)阻力臺(tái)式試驗(yàn)實(shí)際路面影響因素胎面膠胎體簾線輪胎結(jié)構(gòu)

Abstract：Tire rolling resistance may affect the power performance of vehicle and the economic property of fuel, while the diameter of wheel rim and ratio of height and width of tire as well as the surface materials, tire pressure and load, and the speed of vehicle may affect the tire rolling resistance too. The literatures in recent 10 years about the factors affecting tire rolling resistance are researched, especially the literatures related the newest research of international famous enterprise are investigated and analyzed， combining with the workbench experiments and actual road surface conditions. The interrelation of various factors affecting tire rolling resistance is summarized and concluded, and the tire rolling resistance is evaluated on this basis.

Keywords：Tire rolling resistanceWorkbench experimentActual road surfaceInfluencing factorsTread compoundCarcass cordTire structure

0引言

人類生存活動(dòng)對環(huán)境的影響已引起特別關(guān)注，減少燃油的消耗、降低機(jī)動(dòng)車尾氣排放是減少二氧化碳排放量、防止全球變暖以及保護(hù)人類生存環(huán)境的重要舉措。而輪胎滾動(dòng)阻力與汽車能量的消耗又是密切相關(guān)的。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，機(jī)動(dòng)車約有3.5 %~6.6% 的燃油消耗是用于克服輪胎的正常滾動(dòng)阻力，而對裝有子午線輪胎的機(jī)動(dòng)車載重后約有12.5%~16.5%的燃料消耗都是用于克服輪胎的滾動(dòng)阻力。當(dāng)滾動(dòng)阻力降至10%左右時(shí)，機(jī)動(dòng)車將會(huì)節(jié)省燃油約1.2%[1-2]。所以滾動(dòng)阻力是輪胎的一個(gè)極為重要的特性，對此種特性的研究對輪胎工業(yè)乃至整個(gè)汽車工業(yè)均有較為深遠(yuǎn)的影響意義。

大量的道路試驗(yàn)已經(jīng)表明，輪胎滾動(dòng)阻力并非定值，而是隨行駛條件變化的變量。因此，滾動(dòng)阻力的準(zhǔn)確度將會(huì)直接影響到汽車動(dòng)力性檢測的準(zhǔn)確性，從而影響汽車技術(shù)等級(jí)的評定結(jié)果的可信度[3-4]。所以準(zhǔn)確地分析和測量輪胎的滾動(dòng)阻力十分重要。

目前，國內(nèi)外針對滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因，大致提出了影響滾動(dòng)阻力的幾個(gè)主要因素：輪胎表面材料、輪輞直徑和輪胎高寬比、輪胎氣壓和負(fù)荷、車速、輪胎花紋[5-6]。本文除了簡單闡述現(xiàn)行的各個(gè)影響因素如何影響滾動(dòng)阻力之外，還會(huì)綜合考慮路試與臺(tái)式試驗(yàn)的差異性，并對這些影響因素進(jìn)行分析比較，以期為滾動(dòng)阻力的準(zhǔn)確測量提供可靠的參考。

1輪胎表面材料的影響

1.1　胎面膠的影響

胎面膠的材質(zhì)對滾動(dòng)阻力的大小影響較大，一般情況下胎面與地面所產(chǎn)生的接觸阻力約占輪胎滾動(dòng)阻力的50%。因此，對輪胎滾動(dòng)阻力分析的重點(diǎn)要放在胎面膠的材質(zhì)進(jìn)行研究。胎面膠主要由填充劑、油、SR 、NR、硫化劑和其他輔助劑組成，不同材料對輪胎的滾動(dòng)阻力影響程度大小不同。羅懷和等人通過采用載重輪胎胎面膠為試驗(yàn)對象在固定影響因素的前提下，分別對生膠體系、補(bǔ)強(qiáng)體系和硫化體系進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。結(jié)果如下。

① 在固定負(fù)荷條件下，不同膠種的胎面膠滾動(dòng)阻力的大小為fBR

② NR與BR或SBR在用生膠體系時(shí)對降低滾動(dòng)阻力效果顯著。

③ 如果油的含量增加，輪胎滾動(dòng)阻力會(huì)相應(yīng)地減小。同時(shí)滾動(dòng)阻力隨配方中炭黑用量的增加而增大，但并非無限制而是存在一個(gè)平衡點(diǎn)。

④ 增加硫化體系的用量可增大滾動(dòng)阻力[7-9]。

1.2　胎體簾線的影響

不管是國內(nèi)還是國外，現(xiàn)如今多采用尼龍和聚酯簾線作為子午線輪胎的胎體簾線。而在轎車子午線輪胎中大多使用人造絲作為其胎體簾線。考慮到人造絲生產(chǎn)過程會(huì)對環(huán)境造成極大的影響，因此人造絲作為胎體簾線的使用逐漸不被使用，取而代之的是聚酯簾線。聚酯簾線的出現(xiàn)，特別是那種高模量、低收縮的聚酯簾線，因?yàn)樗膹?qiáng)度大，耐高溫，故其彈性遲滯損失相對普通簾線來說顯著降低，因此在輪胎工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，如要進(jìn)一步降低阻力，還可將芳綸以及玻璃纖維等相關(guān)材料加入胎體帶束層中。吳桂忠等[10-11]通過測定出當(dāng)速度為80 km/h，普通聚酯和芳綸作為胎體材料165/70R13輪胎時(shí)，其滾動(dòng)阻力分別為68 N、65 N和45 N。由數(shù)據(jù)可見，使用同規(guī)格的輪胎但使用不同的胎體材料時(shí)，滾動(dòng)阻力差異性較大。當(dāng)胎體簾線為芳綸簾線時(shí)，輪胎的滾動(dòng)阻力最小;當(dāng)胎體簾線為聚酯簾線時(shí)，輪胎的滾動(dòng)阻力比芳綸簾線大,比普通聚酯簾線小。產(chǎn)生的原因：一方面是因?yàn)榉季]簾線的強(qiáng)度較高，輪胎的變形量較小，從而使滯后損失較小；另一方面是由于輪胎使用了芳綸簾線后質(zhì)量較輕，對降低滾動(dòng)阻力也起到一定效果。

1.3　輪胎結(jié)構(gòu)與阻力的關(guān)系

輪胎結(jié)構(gòu)不同，滾動(dòng)阻力也不相同。子午線輪胎與斜角線輪胎滾動(dòng)阻力大小比較的示意圖如圖1所示[12]。

圖1　滾動(dòng)阻力比較示意圖

子午線輪胎與斜交線輪胎滾動(dòng)阻力不同的根本區(qū)別在于：斜交線胎的胎體是斜線交叉的簾布層；而子午線胎的胎體是聚合物多層交叉材質(zhì)，其頂層是數(shù)層由鋼絲編成的鋼帶簾布。由于有帶束層，子午線輪胎著地后胎冠切向變形及相對滑移比普通斜交線輪胎要小很多，而且子午輪胎胎側(cè)薄，徑向變形恢復(fù)快。此特性有利于減少輪胎的內(nèi)磨損，故可有效減小阻力。所以現(xiàn)在大多數(shù)乘用車使用子午線輪胎。

2輪胎高寬和輪輞直徑比值的影響

斷面高寬比與輪胎與地面的接觸面積有直接關(guān)系，通常輪胎滾動(dòng)阻力隨著輪胎斷面高寬比的減小而減小。P. S.Pilla的研究[13]指出了輪胎的滾動(dòng)阻力F的具體計(jì)算公式。試驗(yàn)表明，滾動(dòng)阻力與輪胎的載荷L、下沉量d、粘彈性V以及印痕尺寸有直接關(guān)系。各影響因素可用下面的公式簡單表示為：

FR=K(LdVW/a)

(1)

式中:W和a分別為印痕的寬度、面積;K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

結(jié)果表示,當(dāng)輪胎的外緣直徑相同時(shí)，輪胎的滾動(dòng)阻力也相同，而且滾動(dòng)阻力的大小不會(huì)隨著輪胎斷面的高寬比變化而變化。試驗(yàn)同時(shí)給出了滾動(dòng)阻力與速度的關(guān)系，當(dāng)輪胎的斷面高寬比不變、輪胎的輪輞直徑改變時(shí)，測試在不同速度時(shí)輪胎的滾動(dòng)阻力。試驗(yàn)表明，在增大輪胎的輪輞直徑時(shí)，可以減小輪胎的滾動(dòng)阻力，但隨著速度的不斷增大，這種差別越來越小。產(chǎn)生這種情況的原因是在增大輪輞直徑時(shí)，垂直負(fù)荷基本不變而輪胎的變形會(huì)相對降低，從而使輪胎的遲滯損失減小，繼而達(dá)到減小輪胎滾動(dòng)阻力的目的。

3輪胎氣壓和負(fù)荷的影響

在汽車行駛過程中，輪胎的下沉量是影響輪胎滾動(dòng)阻力又一重要因素，而輪胎的垂直負(fù)荷和輪胎的充氣壓力又直接影響到輪胎的下沉量，所以分析輪胎下沉量的影響即分析輪胎氣壓和負(fù)荷的影響。輪胎下沉量隨著輪胎負(fù)荷的增大而增大，輪胎滾動(dòng)阻力隨著下沉量的增大而增大，在相同的負(fù)荷下輪胎的充氣壓力增大，滾動(dòng)阻力會(huì)相對減小。氣體種類對輪胎內(nèi)腔的氣體溫度和輪胎滾動(dòng)阻力的影響：當(dāng)充氣壓力從260kPa降到165kPa時(shí)，輪胎內(nèi)腔氣體溫度從36.7 ℃上升到41.0 ℃，且變化趨勢呈線性升高。當(dāng)使用氮?dú)獬錃鈺r(shí),氣體溫度并無變化。

由此可知，在充氣壓力損失量相同時(shí)，滾動(dòng)阻力的大小變化也基本相同。因此，滾動(dòng)阻力的大小主要受充氣壓力的影響，而不受充氣氣體種類的影響[14]。由于輪胎滾動(dòng)阻力相對垂直載荷來說很小且很難測量(約占1%～2%)，因此對測量精度的要求較高。基于汽車輪胎滾動(dòng)阻力測量的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/DIS8767)，并依靠相關(guān)的計(jì)算方法可以獲取高精度的數(shù)據(jù)[15-16]。由結(jié)果可知，滾動(dòng)阻力大小隨氣壓的升高而減小，而隨載荷的增大而增大。

4速度的影響

汽車行駛速度對輪胎滾動(dòng)阻力的影響相對來說比較復(fù)雜，因?yàn)樗俣鹊淖兓瘯?huì)影響其他影響因素的改變。當(dāng)汽車在中低速度下行駛時(shí)，輪胎滾動(dòng)阻力基本不受車速的影響；當(dāng)行駛速度逐漸增大時(shí)，輪胎的下沉量會(huì)減小，損耗因子(損耗因子是粘彈性材料的重要參數(shù)之一是指在正弦交變拉伸應(yīng)力作用下應(yīng)變滯后于應(yīng)力的相位角的正切值[17-18])也伴隨著減小，繼而使輪胎的滾動(dòng)阻力減小。但在輪胎處于較低的滾動(dòng)速度時(shí)，這兩種變化趨勢基本上可以相互抵消而不會(huì)對滾動(dòng)阻力產(chǎn)生較大的影響。而當(dāng)輪胎滾動(dòng)速度持續(xù)增大至臨界旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)駐波現(xiàn)象，駐波的產(chǎn)生會(huì)使汽車輪胎的損耗因子呈跳躍式增大，從而使輪胎滾動(dòng)阻力急劇變大。馬改陵等人[19]又指出行駛速度對輪胎滾動(dòng)阻力的影響程度同時(shí)還受到輪胎的高寬比和負(fù)荷的影響。滾動(dòng)阻力、速度及負(fù)荷率三者之間的關(guān)系圖如圖2所示。圖2中，1、2、3、4表示負(fù)荷率分別為60%、80%、100%、120%。

圖2　滾動(dòng)阻力、速度及負(fù)荷率三者之間的關(guān)系

5輪胎花紋的影響

常見的幾種輪胎花紋如圖3所示。

圖3　常見的輪胎花紋

輪胎與路面的接觸主要是指輪胎胎面花紋與路面的接觸。所以輪胎胎面花紋對滾動(dòng)阻力的影響也不可忽視，輪胎胎面花紋與路面作用的機(jī)理極其復(fù)雜，許多問題至今尚未能得到清晰解答，故在此只做簡單分析。

張彥輝等[20]對輪胎胎面花紋對胎面單元附著性能影響做過研究，研究發(fā)現(xiàn)，在選取的幾種胎面花紋中，交叉花紋對胎面滾動(dòng)阻力的影響最為明顯。

6臺(tái)式試驗(yàn)與路試之間的關(guān)聯(lián)性

通過分析比較臺(tái)試與路試時(shí)輪胎滾動(dòng)阻力的關(guān)聯(lián)性，有助于幫助認(rèn)清兩者的相關(guān)性，從而為建立兩者的關(guān)聯(lián)性模型奠定基礎(chǔ)。先分析臺(tái)試與路試的變形圖，如圖4所示。圖4中，Rs為輪胎自由滾動(dòng)半徑；W為車輪法向載荷；l為輪胎接觸面的長度；δ為輪胎形變量；L為滾筒中心線的間距；rs為滾筒半徑；δd為輪胎在滾筒上的形變量；θd為輪胎中心和輪胎與滾筒接觸面間的夾角；φd為滾筒中心和輪胎與滾筒接觸面間的夾角。

圖4　輪胎臺(tái)試與路試實(shí)驗(yàn)圖

由圖4可知，在建立臺(tái)試與路試輪胎滾動(dòng)阻力關(guān)聯(lián)性模型時(shí)，可以從以下兩方面進(jìn)行分析。針對兩種試驗(yàn)的滾動(dòng)阻力影響規(guī)律相同的因素時(shí)，可以直接選用臺(tái)式試驗(yàn)的研究結(jié)果(滾動(dòng)阻力模型)作為路試滾動(dòng)阻力的值直接使用;而針對影響規(guī)律不相同的因素時(shí)，只需找出兩者之間存在的差異量，然后對臺(tái)試滾動(dòng)阻力進(jìn)行補(bǔ)償。關(guān)聯(lián)性模型可表述為：

RRroad=ηrRRroller

(2)

式中：RRroad為單個(gè)輪胎在道路上行駛時(shí)的滾動(dòng)阻力；RRroller為單個(gè)輪胎在滾筒上的滾動(dòng)阻力；ηr為滾動(dòng)阻力關(guān)聯(lián)性因子[21-23]。

為了便于理解，可作如下假設(shè)：汽車在平直干燥瀝青路面上行駛，而且不考慮環(huán)境溫度對輪胎的影響，即使車輪輪胎處在相同車速、胎壓、軸荷條件下進(jìn)行測試。

由上述假設(shè)可知，影響臺(tái)試和路試輪胎滾動(dòng)阻力的主要因素有:支承面材質(zhì)、支承面曲率以及空氣流動(dòng)狀態(tài)。輪胎的變形主要是受支撐面曲率的影響；而材質(zhì)與空氣流動(dòng)狀態(tài)將對輪胎和外界熱交換產(chǎn)生影響，從而使輪胎熱平衡狀態(tài)下的溫升不同。

由上述假設(shè)可知，影響臺(tái)試和路試輪胎滾動(dòng)阻力的主要因素有:支承面材質(zhì)、支承面曲率以及空氣流動(dòng)狀態(tài)。輪胎的變形主要是受支撐面曲率的影響；而材質(zhì)與空氣流動(dòng)狀態(tài)將對輪胎和外界熱交換產(chǎn)生影響，從而使輪胎熱平衡狀態(tài)下的溫升不同。

7結(jié)束語

通過上面的研究分析可知，影響輪胎滾動(dòng)阻力的因素很多，所以對滾動(dòng)阻力的測量是一項(xiàng)高精度的試驗(yàn)，試驗(yàn)的每個(gè)步驟都必須認(rèn)真操作。通過對輪胎滾動(dòng)阻力測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果處理，可以為深入分析輪胎滾動(dòng)阻力的產(chǎn)生機(jī)理以及建立輪胎滾動(dòng)阻力力學(xué)模型等提供研究基礎(chǔ)，同時(shí)也可應(yīng)用于輪胎力學(xué)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析以及汽車動(dòng)力學(xué)分析與建模。

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中圖分類號(hào)：TP202

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502018

修改稿收到日期：2014-08-04。

作者羅俊(1983-)，男，現(xiàn)為景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)的研究。