淺談如何降低輪胎的滾動阻力

郁鎮寅

摘 要：隨著環境保護和能源節約意識的增強，全球各個國家和地區越來越重視汽車的節能減排，制定了日益嚴格的油耗法規，希望敦促汽車制造廠商提升技術，達到節能減排的目的。本文主要就輪胎的設計制造和消費者使用的兩個角度進行探討。

關鍵詞：輪胎：滾動阻力

隨著全球汽車保有量的急劇增加，對石油能源的依賴程度在逐漸增加，能源問題和環境問題變得尤為顯著。隨著環境保護和能源節約意識的增強，全球各個國家和地區越來越重視汽車的節能減排，制定了日益嚴格的油耗法規，希望敦促汽車制造廠商提升技術，達到節能減排的目的。汽車廠商除了在車輛白重，發動機技術等方面進行改善，也對輪胎制造商提出了更嚴格的要求，因為輪胎滾動阻力性能對整車油耗的影響非常顯著。

汽車在行駛過程中受到的主要力有行駛阻力，驅動力。其中行駛阻力主要包括滾動阻力，空氣阻力，內部摩擦力，有坡度時還需克服重力。滾動阻力主要是因為輪胎在行駛過程中與路面接觸，因承重所產生的變形會導致組成部件變熱，將一部分由發動機傳輸來的能量損耗。而低滾動阻力輪胎的出現，通過更低的滾動阻力減少所需驅動力，從而降低汽車的油耗。有研究表明，滾動阻力每降低10%，乘用車的燃油經濟性能可提高1%～2%。

影響滾動阻力的因素有很多，本文主要就輪胎的設計制造和消費者使用的兩個角度進行探討。

1 輪胎設計制造

輪胎的設計制造，包括結構設計和配方設計兩大方面。

1.1 結構設計

1.1.1 輪胎子午化.無內胎化

斜交胎是早期出現的一種輪胎結構，它的優點是胎體堅固、負荷變形小、胎側不易損傷、轉向與制動性能良好等。但同時因為結構所限，斜交胎耐磨性能較差，同時滾動阻力比較高，因此并不能滿足快速發展的汽車對輪胎提出的性能要求。子午線輪胎是由法國米其林輪胎公司于1946年4月最先制造出來的，與斜交輪胎相比，子午線輪胎的結構特點是胎體簾線與輪胎徑向成Oo角，相鄰層的簾線不是相交而是相互平行，胎面與胎體之間有起箍緊作用的帶束層。相對斜交輪胎，子午線輪胎具有耐磨、抓著性能好、行駛溫度低及使用壽命長等的優點。從全球來看，目前歐美、日本等發達國家轎車輪胎的子午化率已達100%，載重輪胎子午化率也已達90%以上。隨著經濟發展和汽車產業日益嚴苛的要求，我國的子午化率也在不斷提升，截至2013年輪胎子年化率也已達到8g%。

無內胎輪胎沒有內胎，因此輪胎整體質量減輕，滾動阻力降低。試驗表明，無內胎輪胎的滾動阻力平均降低10%。另一方面，無內胎輪胎由于其接地壓力比較均勻，偏磨現象少，因而可以延長輪胎的使用壽命。對于無內胎輪胎來說，空氣只能經由胎體滲漏。當輪胎被扎破后，空氣只能從被刺穿的胎孔中泄出，因而漏氣較慢，壓力并不會急劇下降，這樣輪胎在短時間內仍能安全地繼續行駛，安全性能更好。目前在我國，有內胎輪胎已經基本退出轎車市場，而卡客車輪胎的無內胎化也在逐步增長。

1.1.2 新型骨架材料

開發高性能新材料，是實現輪胎輕量化非常重要的一個層面。其中鋼絲是輪胎中用量最大的骨架材料，也是輪胎輕量化的主力軍。可以從兩個方面著手，一方面提高鋼簾線強度，通過對比可以發現，高強型鋼簾線的強度比普通型鋼簾線的強度高15%；超高強型鋼簾線可以提高25%；極高強型鋼簾線可以提高34%。提高鋼簾線強度，可以適當減少鋼絲用量，減輕輪胎的重量。鋼絲制造商Bekaert公布的數據顯示，當鋼絲簾線強度從普通型提高到高強度型時，輪胎可以減輕2.5kg。另一方面是開發高強度胎圈鋼絲，比如采用1.55的強度，每條輪胎可減少0.45kg左右的胎圈鋼絲用量，這相當于輪胎重量的4%左右。

此外，很多輪胎公司已嘗試將芳綸材料應用于高性能輪胎中，在提高輪胎性能的同時，可使輪胎重量降低1 0%，進一步降低滾動阻力。因此芳綸也是近些年應用增長最快的骨架材料之一。

1.2 配方設計

配方設計主要可以從兩方面考慮，一種方式可以采用新材料替代常規材料進行優化.另一種則可使用完全不同的先進高分子材料替代輪胎某個部件來降低重量。

1.2.1 橡膠、填料

過去的輪胎配方主要使用乳聚丁苯橡膠（ E-SBR），鎳系順丁橡膠（NiBR），天然橡膠作為橡膠體系，炭黑作為填料體系。80年代初，日本首先開發出相對分子量可調的溶聚丁苯橡膠（ S-SBR），這種橡膠在微觀結構、苯乙烯含量、相對分子質量及其分布以及乙烯基含量等方面都比乳聚丁苯橡膠有更大的變化范圍。這種分子特性使其滾動阻力比乳聚丁苯橡膠低，因而已被廣泛應用于低滾動阻力輪胎的胎面膠中。另外稀土順丁橡膠相較于普通鎳系順丁橡膠，具有抗濕滑、低生熱及滾動阻力低的特點，近些年也逐漸在低滾阻輪胎的胎面和胎側被應用。 炭黑多年來一直是橡膠制品的重要補強劑。20世紀90年代初，米其林通過用高分散性白炭黑替代胎面膠中的炭黑創立了低滾動阻力的概念。從此之后，白炭黑被逐漸廣泛應用于輪胎行業，是推進低滾動阻力輪胎發展史上的重要功臣。白炭黑作為補強材料，最主要的優點是提高并平衡輪胎的滾動阻力與濕地抓地力[4]。除了可以應用在胎面，白炭黑也被應用于輪胎胎側來降低滾動阻力。

1.2.2 新型材料的應用

除了在傳統材料選擇方面可以進行調整外，有一些廠商推出了創新性的材料概念，可以替代傳統材料，達到輕量化目的。

美國ExxonMobil公司開發出一種新型熱塑性彈性體，商品名為埃馳固的DVA樹脂。該樹脂由尼龍和Exxpro特種彈性體動態硫化而成，埃馳固動態硫化合金的主要終端應用是替代傳統輪胎氣密層，它獨特的材料特性能夠實現優異的滲透性、提高輪胎耐用性并促進輪胎輕量化。目前大部分轎車車胎的鹵化丁基橡膠氣密層厚約0.8mm，重約lkg。采用新材料替代這一設計，使用吹膜工藝，就像塑料袋一樣，制造出的氣密層又薄又輕。這種新型氣密層可使傳統的氣密層部件減重近80%，而且在氣密性方面表現更佳。利用它可以生產出更輕、更耐用的輪胎，同時更好地保持胎壓。

2用戶使用

除去生產環節中的輪胎設計等影響因素，在實際使用中，消費者的使用習慣也會對輪胎的滾動阻力產生影響。

2.1 輪胎的選擇

選擇尺寸和規格符合車輛設計的輪胎。一般來講，輪胎與地面接觸面積越大，摩擦阻力也就愈大，車子行進的動力也就越大。選用更寬的輪胎，增加了接觸面，雖然操控性能可以有一定程度的提升，但滾動阻力必然也會增加。所以不能盲目加寬輪胎，要協調好車輛的動力和經濟性能。

2.2 保持合適胎壓

胎壓對于輪胎實際使用中的滾動阻力有著至關重要的影響。因為胎壓高低直接決定輪胎的接地面積，也就是接觸面的大小。如果輪胎氣壓不足將導致行駛阻力增加，造成耗油上升。而如果在輪胎氣壓過高，雖然一定程度上有利于降低油耗，但胎壓過高會導致輪胎胎面異常磨損，并且影響行駛安全。確保最佳胎壓的幾點注意事項，首先要了解適合的胎壓，一般胎壓提示牌位于司機門門框處或油箱門內；其次必須在輪胎冷卻條件下測量胎壓，車輛行駛后胎壓會因輪胎溫度上升而上升；最后應定期檢查胎壓，保持合適范圍。

2.3 使用氮氣

輪胎內部結構的老化主要是因為空氣之中的氧氣與之反應氧化所引起，老化后強度變差甚至出現龜裂現象，這是造成輪胎使用壽命縮短的原因之一。氮氣是惰性氣體，化學性質極不活潑，分子比氧氣分子大，不易熱漲冷縮，變形幅度小，其滲透胎壁的速度只有空氣的30%～40%[6]。因此可減緩輪胎老化速度低，提高輪胎的保氣性能，保持穩定的胎壓。從而降低了滾動阻力，達到節油減排的目的。

3 結語

以上分析表明，輪胎的滾動阻力受到多方面因素的影響，在輪胎設計中起決定作用的是輪胎變形產生的滯后損失以及所用材料本身的滯后損失。因此，要降低輪胎的滾動阻力，必須減小輪胎的變形，因此我們要在結構設計上子午化和無內胎化，提高骨架材料的強度。另外，使用S-SBR、Nd-BR、白炭黑等滯后損失小的材料，或者采用新高分子材料替代輪胎某個部件減少重量，也可以降低滾動阻力。同時，消費者在使用中如果可以保持良好的使用習慣，也可以幫助降低輪胎的滾動阻力。