改善輪胎滾動阻力和防滑能力的分析

呂飛躍 吳晨昊 樊高飛

（東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱150040）

現如今節能減排的發展理念已經得到大家普遍的認同，人們在選購汽車時也越來越關注汽車的燃油經濟性表現。汽車在行駛過程中依靠輪胎與路面接觸，地面向輪胎提供不同的力和力矩才能使汽車實現加速起步、勻速行駛、緊急制動以及轉彎等各種行駛狀況。汽車在行駛過程受到的滾動阻力消耗了相當一部分燃油，載重汽車輪胎滾動過程損失的能量可以（轉下頁）達到整體燃料消耗的10%～30%。[1-2]因此，在輪胎的設計和使用過程中充分考慮如何降低輪胎滾動能量消耗，對于提高汽車燃油經濟性表現，減少能源消耗有重大意義。

汽車在行駛過程中不可避免會受到滾動阻力，影響它的因素有很多，這些因素都是通過改變施加在車輪的負荷或滾動阻力系數f 來產生影響。本文通過對這些影響因素進行探究，進一步提出減小汽車行駛過程受到滾動阻力的建議。

汽車行駛安全性是人們一直以來所追求的，而陰雨天氣道路過于濕滑，使汽車更加容易發生滑水現象。陰雨天氣路面布滿積水，這些積水的存在使胎面與路面不能緊密接觸，地面附著系數與干燥地面相比處于較小值，在這種情況下對汽車進行操控會增加難度。駕駛員根據周圍的行車環境想要緊急制動時，地面上的積水就起到潤滑劑作用。積水使車輪不能與道路有效接觸，道路不能向車輪提供足夠的附著力而使制動力減小，制動距離與干燥地面相比大幅度增加。如果輪胎在陰雨濕滑路面仍然有較大的濕摩擦力，那么汽車在這種濕滑路面就有很好的防滑表現，從而使人們在陰雨天氣也可以更加安全的駕車行駛。

1 滾動阻力產生原因

機動車在前行過程依靠輪胎和道路接觸來傳遞力和力矩，輪胎的性能直接對整體穩定性表現和乘員的乘坐舒適性產生作用。隨著節能減排意識逐漸深入人心，人們在選購汽車時更加關注燃油經濟性表現。經過研究，如果能夠減少15%～30%的行駛過程滾動阻力，就可以節省3%～6%的燃料。[3]這對于減少能源消耗和減少污染物排放有重大意義。

汽車在道路上行駛，輪胎承受著整車載荷，故輪胎和道路之間存在相互作用力，這些作用力使兩者都形成一定的變形。輪胎不斷的滾動變形造成內部相互摩擦，摩擦過程消耗能量，并產生大量的熱傳遞給接觸的空氣。如果短時間內摩擦產生大量熱量又無法快速散發出去，輪胎溫度會急劇升高，造成輪胎的使用壽命大大減少。因為輪胎滾動時不可避免有內部摩擦產熱量，所以要不斷向車輪提供能量保持繼續運動。圖1 是385/55R22.5 型輪胎的斷面結構。

圖1 輪胎結構和材料分布

2 滾動阻力影響因素

如果輪胎的充氣壓力與標準值相差較遠，整車的重量作用在輪胎上會使胎側發生較大變形。輪胎在滾動行駛過程橡膠和簾線等物質的內部摩擦加劇，輪胎的滾動阻力系數增大，汽車需要消耗更多燃料來克服行駛過程的滾動阻力。美國曾發布相關法規，要求滿足一定條件的乘用車必須安裝輪胎氣壓檢測系統（TPMS），該系統可以對輪胎充氣壓力進行檢測，如果胎壓降低了規定值的25%，就對駕駛員發出提示信號。

當輪胎使用里程數不斷提高之后，溝槽深度也在慢慢變淺，即，胎面更加趨向平面。由于輪胎胎面與地面直接接觸，胎面上的膠料與地面發生擠壓變形，內部組成部分的摩擦產熱是輪胎行駛過程滾動阻力的主要產生原因，汽車在道路上受到滾動阻力大部分是胎面產生的。當輪胎溝槽深度較小時，相當于胎面膠的膠料體積處于較小值，輪胎內部摩擦消耗能量大大減小，輪胎具有較小的滾動阻力。

汽車的滾動阻力隨著車速增大表現出相應規律。當車速低于輪胎的駐波臨界速度Vc，f 隨速度增大變化并不明顯；當車速增加至Vc 之后，f 的變化速度極快，并且出現駐波現象。駐波現象是輪胎的一種固有特性，將車輪的滾動速度增加到某個值，輪胎的邊緣會持續發生與上次一樣的振動，從外界觀察振動波形基本保持靜止不動。在這種振動情況能夠被看到以前，輪胎的滾動阻力系數就保持固定的加速度快速增長。如果在達到駐波臨界車速之后，繼續增加車速，輪胎各個結構部件的變形量會急劇增大，振動幅度也相應增大。這些不正常的劇烈共振使輪胎溫度迅速超過100℃，造成輪胎的胎面和簾布層脫落，駐波現象甚至會造成輪胎爆炸。因此為了避免f 迅速增長，應該合理控制駕駛速度。

3 滑水現象

圖2 是輪胎與地面的接觸區域分析圖。當汽車在有水路面上行駛的時候，車輪在向前滾動過程中與路面的接觸情況也在變化。車輪和地面接觸區域之間有一層水膜，這個區域稱為完全上浮區。隨著車輪向前滾動，它們之間的水被輪胎擠壓出去。并且由于路面具有一定的不平度，道路的突出部分更容易跟車輪的胎面相接觸，這個區域稱為不完全接觸區。輪胎和地面之間的水膜被完全排出的接觸區域是完全接觸區，在這個區域兩者直接接觸并且向汽車提供附著力，以使汽車具有良好的行駛和轉向能力。汽車如果在有積水的路面以較高的速度行駛，車輪在飛速滾動前進擠壓水層，水具有一定的慣性而對車輪作用有動壓力。動壓力值的增大會使水膜進一步占據更多區域，完全接觸區的面積減小而不能提供足夠的附著力。當動壓力的作用使輪胎和地面徹底分離，即水膜占據了兩者之間的空間，這種滑水現象使得汽車在地面沒有足夠附著力，整體的方向操縱性變得很差，還會使汽車的制動距離大大增加。[4-5]

圖2 接觸區域圖

陰雨天氣造成的道路濕滑大大地增加了行車安全風險，這種情況下的交通事故發生率是正常情況的6 倍。[6]

4 滑水現象影響因素

車輪在路面上滾動前進，輪胎對水層的擠壓作用使完全接觸區的水被有效排出，而越遠離該區域的位置，水層越厚。車速增加時，在輪胎和路面接觸區域前方，由于水層與輪胎相對運動產生的動水壓力值也在增加，使得水層占據更多區域面積，導致接觸區的面積減小。因此車速增加時，汽車在這種布滿積水的路面附著力減小，更加難以對汽車進行操縱。

保持汽車輪胎充氣壓不變，增大施加在輪胎上的負荷，這時輪胎會發生更大的變形而且與道路的接觸面積增大。由于負荷的增大，汽車行駛過程垂直向下的力大于水層對汽車的升力，汽車不容易與道路脫離接觸，地面能夠向汽車車輪提供充足的附著力。汽車在行駛過程依靠輪胎與路面良好的接觸才能適應各種行駛狀況。

合理設計輪胎的花紋布局能夠使汽車在路面有較好的防滑表現。輪胎在長期使用過程中其表面的花紋也在被磨損，當表面的花紋被磨損至一定程度就會影響汽車行駛過程的附著力表現，在有積水路面行駛容易失去防滑能力而造成交通事故。美國的交通部門就曾經規定：乘用車輪胎的花紋深度必須超過1mm，以防止影響汽車的正常行駛性能。

光面輪胎沒有花紋溝槽布置，在積水路面滾動行駛時，輪胎和路面直接接觸區域的前方不斷有水流入，水流在動壓力作用下可以布滿輪胎表面和地面的接觸區，汽車行駛過程不能得到足夠的附著力。

而胎面上布置有花紋溝槽的輪胎能夠使汽車在路面有較好的防滑表現。車輪在滾動前進時，輪胎和路面直接接觸區域前方的積水受到擠壓作用力而沿著溝槽流出，水流的順暢程度與汽車在這種路面的附著性能表現具有關聯。輪胎要想具有良好的防滑性能，就需要設計調整溝槽的布置情況，盡可能使車輪前進方向的積水能夠順暢地通過溝槽流出，使路面能夠向輪胎提供足夠的附著力，而使汽車保持正常的制動能力和行駛穩定性，避免滑水現象這種危險情況的發生。

輪胎花紋溝槽體積直接對汽車在地面的附著能力產生作用。通過適當地增大體積，積水會更快速通過溝槽排至輪胎外側，能使汽車在濕滑路面也有良好的附著性能。反之，輪胎花紋溝槽體積較小時，水流不能夠順利排出，對輪胎產生動壓力，使汽車行駛過程的防滑能力減弱。但體積過大對于汽車的地面附著性能也有不利影響。輪胎與路面有足夠的接觸面積才能產生所需要的附著力，溝槽體積過大會造成輪胎跟地面之間的有效接觸面積減小，不利于汽車的穩定行駛。

輪胎花紋方向也會對車輪的防滑表現產生影響。汽車在行駛過程中不但會受到沿行駛方向的摩擦力，還會受到側向摩擦力的作用。橫向花紋方向的輪胎在滾動時，如果同時受到橫向和縱向兩個方向的外力，地面摩擦力對汽車的作用方向主要是縱向，所以汽車帶沿行駛方向有很好的防滑性。縱向花紋的輪胎行駛時主要受到來自橫向的摩擦力，故具有很好的橫向防滑表現，采用縱向和橫向組合的花紋可以使輪胎在整體上有良好的防滑性能。

5 結論

5.1 輪胎氣壓過低會使滾動過程內部摩擦加劇，汽車受到的滾動阻力增加。每3～6 個月對胎壓進行檢查并及時充氣，可以使汽車有更好的燃油經濟性。

5.2 車速處于較低值時，車輪的滾動阻力系數基本保持不變；車速超過臨界速度，滾動阻力系數迅速升高，容易發生駐波現象。

5.3 車速提高使車輪受到的附著力大大減小；增大輪胎所受載荷，附著力會相應增大。

5.4 適當增大花紋溝槽體積能夠使積水迅速排出，防滑性能得到提升，橫向和縱向花紋使汽車有不同方向的防滑水表現。