輪胎滾阻與汽車(chē)油耗的試驗(yàn)研究

任軍鋒

(北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，北京 101400)

輪胎滾阻與汽車(chē)油耗的試驗(yàn)研究

任軍鋒

(北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，北京 101400)

說(shuō)明影響汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的各種因素；通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，重點(diǎn)分析輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)汽車(chē)燃油消耗的影響；并介紹了降低輪胎滾動(dòng)阻力的措施。

燃油消耗；滾動(dòng)阻力；試驗(yàn)研究

0　引言

汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力，節(jié)約燃油、保護(hù)環(huán)境已經(jīng)引起各國(guó)政府、汽車(chē)制造商及汽車(chē)用戶的重視。影響汽車(chē)燃油油耗的因素很多，其中包括輪胎的滾動(dòng)阻力，具體分布見(jiàn)表1。

表1　轎車(chē)汽車(chē)燃油消耗組成

因?yàn)闈L動(dòng)阻力的原因，輪胎所造成的燃油消耗量約占整個(gè)轎車(chē)燃油消耗的20%，在卡車(chē)中，則約占1/3。

1　輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)燃油的消耗

輪胎對(duì)汽車(chē)燃油能量的消耗主要表現(xiàn)在滾動(dòng)阻力，在不同的路況下輪胎滾動(dòng)阻力各不相同。輪胎的滾動(dòng)阻力可以從以下幾個(gè)方面來(lái)解釋?zhuān)?/p>

1.1輪胎滾動(dòng)阻力的定義

滾動(dòng)阻力是指每單位距離所消耗掉的能量，相當(dāng)于所有相切于測(cè)試面以及平行于輪胎平面的接觸力的標(biāo)量總和。滾動(dòng)阻力的單位是J/m或者簡(jiǎn)單表示為N，但從概念上來(lái)說(shuō)滾動(dòng)阻力被理解為單位行駛距離的能量損失比單純地理解為力更準(zhǔn)確一些。

1.2滾動(dòng)阻力的主要來(lái)源和表現(xiàn)

滾動(dòng)阻力主要來(lái)源是車(chē)輪滾動(dòng)時(shí)與路面接觸區(qū)域發(fā)生變形，此時(shí)由于輪胎的內(nèi)部(主要是胎面中部和胎側(cè)部)摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，使得輪胎變形時(shí)所做的功不能全部收回，而以熱量的形式損失。

輪胎滾動(dòng)阻力主要表現(xiàn)在空氣阻力、輪胎變形與慣性帶來(lái)的遲滯損失和摩擦阻力3個(gè)方面。其中空氣阻力占0～15%，輪胎遲滯損失占80%～90%，摩擦阻力不大于5%。可見(jiàn)輪胎滾動(dòng)阻力最主要的構(gòu)成是輪胎本身的變形和慣性帶來(lái)的能量消耗。

1.3滾動(dòng)阻力對(duì)燃油的影響

據(jù)統(tǒng)計(jì)：公路型汽車(chē)輪胎滾阻消耗的燃料占總?cè)剂系陌俜直仁牵恨I車(chē)8%～20%，即每100 L的燃油中，有8～20 L消耗于輪胎的能量損失；卡車(chē)25%～35%，即每100 L的燃油中，有25～35 L消耗于輪胎的能量損失。

為了更好地理解滾動(dòng)阻力對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，1988年Schuring提出了回報(bào)率因素(回系數(shù)α)的概念(也被叫作能量比或能源利用率)：

式中：a1為能量在燃燒消耗中的減少百分比；a2為能量在滾動(dòng)阻力中的減少百分比。

對(duì)乘用車(chē)和輕卡，回系數(shù)一般處于(1∶10)～(2∶10)之間。這說(shuō)明滾動(dòng)阻力10%的降低會(huì)形成燃油經(jīng)濟(jì)性1%～2%的改善；對(duì)于重卡，回系數(shù)更高，一般在(1∶10)～(3∶10)范圍內(nèi)，故而可以看出卡車(chē)的節(jié)油可能性比乘用車(chē)高[1]。

2　滾動(dòng)阻力與燃油消耗試驗(yàn)分析

2.1CAE分析計(jì)算

建立CAE計(jì)算模型，根據(jù)車(chē)型參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。表2 為某種車(chē)型在80 km/h下的等速油耗，可以看出：在80 km/h的車(chē)速下，輪胎滾動(dòng)阻力降低10%，燃油經(jīng)濟(jì)性得到4.9%～5.9%的改善。

表2　某種車(chē)型80 km/h等速油耗

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1試驗(yàn)策劃

為了驗(yàn)證滾動(dòng)阻力對(duì)燃油的影響，選取了3家輪胎供應(yīng)商同規(guī)格型號(hào)的輪胎進(jìn)行試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行：

(1)檢測(cè)輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)。利用臺(tái)架進(jìn)行檢測(cè)。

(2)檢測(cè)滑行阻力。利用整車(chē)試驗(yàn)檢測(cè)安裝不同輪胎時(shí)的滑行阻力。

(3)檢測(cè)油耗。利用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行等速油耗檢測(cè)，將每種輪胎的滑行阻力輸入轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)，其他參數(shù)保持一致。具體試驗(yàn)策劃見(jiàn)表3。

表3　滾動(dòng)阻力與燃油消耗試驗(yàn)策劃表

注：轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)車(chē)速分別是 80 km/h。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)策劃方案，分別測(cè)得各種輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)及對(duì)應(yīng)的燃油消耗，具體見(jiàn)表4。

表4　滾動(dòng)阻力系數(shù)與燃油消耗

2.2.3試驗(yàn)總結(jié)

CAE分析計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)得燃油消耗基本一致，從而得出降低輪胎滾動(dòng)阻力可以有效地提升燃油經(jīng)濟(jì)性。驗(yàn)證中的輪胎滾動(dòng)阻力降低約25%，燃油消耗降低約15%。以典型卡車(chē)為例(6輪)：每年行駛100 000 km，百公里油耗為35 L，則每年的油耗為35 000 L，通過(guò)降低輪胎滾動(dòng)阻力，每年可節(jié)省燃油5 250 L；每升燃油按6元計(jì)算，一年可節(jié)約成本31 500元。

3　降低輪胎滾動(dòng)阻力的措施

降低輪胎的滾動(dòng)阻力可以有效節(jié)約汽車(chē)燃油。為了達(dá)到節(jié)約燃油的目的，采取以下幾種措施可以減小輪胎的滾動(dòng)阻力。

3.1采用子午線結(jié)構(gòu)的輪胎

子午線輪胎簾布層簾線排列的方向與輪胎的子午斷面一致，簾布層數(shù)一般比普通斜交輪胎減少40%～50%，成輻射狀，胎側(cè)部分柔軟，胎面內(nèi)側(cè)有帶束層，從而提高了外胎面的剛度。由于胎面剛性大，而胎側(cè)部分柔軟，使其強(qiáng)度得到充分利用。輪胎在滾動(dòng)過(guò)程中，胎側(cè)變形較大，胎面變形較小，輪胎不斷發(fā)生加載壓縮與卸載恢復(fù)，兩者變形量的差值較小，所以子午線輪胎彈性遲滯損失小，附著性能好，胎面滑移小，對(duì)地單位壓力也小，滾動(dòng)阻力矩較小，燃油經(jīng)濟(jì)性就好[2]。見(jiàn)圖1、圖2。

3.2適當(dāng)提高輪胎氣壓

較高的輪胎氣壓減小了輪胎曲撓和層間剪切變形，從而降低輪胎的滾動(dòng)阻力，節(jié)約燃油。如果輪胎氣壓過(guò)高，接地面積減小，輪胎中部會(huì)出現(xiàn)異常磨損。

3.3優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)

通過(guò)優(yōu)化胎面花紋形狀、花紋深度、輪胎接地面積及帶束層布置方式等措施可以有效降低輪胎的滾動(dòng)阻力，達(dá)到節(jié)約燃油的目的。如米其林的X-one型輪胎，帶束層采用沿輪胎圓周0角度纏繞無(wú)接頭技術(shù)，可以降低燃油消耗10%左右。圖3 是兩個(gè)卡車(chē)輪胎在相同的負(fù)荷及充氣壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，利用紅外線照相機(jī)拍攝到的圖片，說(shuō)明不同的膠料配方和胎面花紋所產(chǎn)生的熱量不同，影響輪胎的滾動(dòng)阻力。

3.4改變輪胎胎面膠料配方

硅膠技術(shù)在胎面膠料配方中的成功應(yīng)用，有效地降低了輪胎滾動(dòng)阻力，與普通的炭黑輪胎相比，滾動(dòng)阻力最大可以降低15%，相應(yīng)可節(jié)約燃油2%～3%。

4　未來(lái)汽車(chē)輪胎的發(fā)展方向

4.1綠色輪胎成為主流(子午線化)

綠色輪胎是指由于應(yīng)用新材質(zhì)和設(shè)計(jì)，而導(dǎo)致滾動(dòng)阻力小，因而耗油低、廢氣排放少的子午線輪胎。

北京化工大學(xué)彈性體中心在和北京首創(chuàng)輪胎有限責(zé)任公司的合作下，成功研制出了3個(gè)規(guī)格的碳納米管復(fù)合材料高性能節(jié)油輪胎。北京化工大學(xué)彈性體中心通過(guò)與首創(chuàng)輪胎的合作，成功地將碳納米管復(fù)合材料應(yīng)用到了綠色節(jié)油輪胎的胎面膠中去，生產(chǎn)出了節(jié)油性能優(yōu)異的3種規(guī)格的碳納米管復(fù)合材料高性能節(jié)油輪胎，新的節(jié)油輪胎標(biāo)對(duì)比以往的炭黑輪胎可實(shí)現(xiàn)節(jié)油5%。

綠色輪胎具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)采用新材質(zhì)(如硅化合物)配方，降低了滾動(dòng)阻力和能量損耗；

(2)胎面縱向加強(qiáng)筋確保濕路性能，實(shí)現(xiàn)接地壓力均一化，提高制動(dòng)性；

(3)通過(guò)斷面形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保剛性最佳化，改善滾動(dòng)阻力。

4.2新一代寬斷面輪胎(扁平化)

在載重子午輪胎方面，重點(diǎn)發(fā)展無(wú)內(nèi)胎、扁平化載重胎。目前，大型載重貨車(chē)已向一條寬斷面輪胎取代兩條普通輪胎的方向發(fā)展。

4.3無(wú)內(nèi)胎化

無(wú)內(nèi)胎子午線輪胎現(xiàn)已廣泛應(yīng)用轎車(chē)、載重汽車(chē)、公共汽車(chē)及特種車(chē)輪上，與普通輪胎相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)外胎兼內(nèi)胎、簡(jiǎn)化了胎體結(jié)構(gòu)、減輕了輪胎質(zhì)量，有利于車(chē)輛輕量化發(fā)展；

(2)降低了輪胎的滾動(dòng)阻力和輪胎的溫升；

(3)與普通輪胎相比，制動(dòng)距離短、散熱快、抗刺穿、安全性好；

(4)堅(jiān)固耐用、維修方便[3]。

5　總結(jié)

輪胎滾動(dòng)阻力是影響汽車(chē)燃油消耗的重要因素之一，通過(guò)胎面膠料配方調(diào)整、輪胎結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法可以有效降低輪胎滾動(dòng)阻力，達(dá)到節(jié)約燃油的目的。通過(guò)試驗(yàn)分析可以得出，商用載貨汽車(chē)輪胎滾動(dòng)阻力降低10%，可以節(jié)約燃油5%～6%。隨著新材料的應(yīng)用及新技術(shù)發(fā)展，將會(huì)開(kāi)發(fā)出更小滾動(dòng)阻力的輪胎，以改善車(chē)輪運(yùn)動(dòng)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

【1】劉琦，陳強(qiáng)，楊建國(guó).輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響[J].汽車(chē)零部件，2011(8):77-80.

【2】陳強(qiáng)明.輪胎滾動(dòng)阻力與汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(1):46.

【3】楊敏.我國(guó)汽車(chē)輪胎市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車(chē)情報(bào),2003(25):19-21.

【4】莊繼德.現(xiàn)代汽車(chē)輪胎技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2001.

Experimental Study on Tire Rolling Resistance and Fuel Consumption

REN Junfeng

(R & D Center,Beijing Foton Daimler Automotive Co., Ltd.,Beijing 101400,China)

The various factors affecting vehicle fuel economy were described. Through experiment contrast analysis, the influence of tire rolling resistance on the fuel consumption was focused on. Some methods to reduce rolling resistance were introduced.

Fuel consumption; Rolling resistance; Testing study

2015-06-25

任軍鋒(1979—)，男，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)檢測(cè)與評(píng)價(jià)。E-mail:renjunfeng1727@sina.com。