輪胎滾動阻力與花紋特性的相關性研究

胡德斌，王劍波，李 磊

（中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

為改善環(huán)境，世界各國都在削減二氧化碳排放，強化環(huán)保類的法律法規(guī)，歐盟ECE法規(guī)最早提出法案規(guī)定了輪胎滾動阻力限值[1-3]。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，國內對輪胎滾動阻力的要求也隨之提高，多家汽車生產商已經(jīng)加大綠色車型的開發(fā)力度[4-8]。2008年特斯拉公司作為專業(yè)的電動汽車生產商進入汽車市場，2011年比亞迪股份有限公司和日產自動車株式會社也均進軍電動汽車市場。目前，許多知名車企都有電動汽車在市場銷售。

輪胎滾動阻力會導致能量的消耗，與滾動輪胎相關的機械能損失都轉化為熱量[9]，這是輪胎材料機械滯后的結果。輪胎滾動阻力計算公式如下：

式中，R為輪胎滾動阻力，Ui為單位體積的應變能量，Vi為體積，tanδi為應力應變滯后相位，i為自然數(shù)。

由式（1）可知，滾動阻力來源于輪胎應變能量與對應體積和材料應力應變滯后相位的乘積。轎車子午線輪胎的能量損失分布（典型值）如下：胎冠 70%，胎側 15%，胎圈 15%。因胎冠部位對滾動阻力的貢獻最大，本工作重點討論胎冠部位的應變。

輪胎胎面在接地區(qū)域有胎面彎曲、壓縮和剪切3種主要變形，如圖1所示。

圖1 輪胎胎面接地區(qū)域的胎冠變形

進入接地區(qū)域時，胎冠先彎曲，導致曲率半徑小于未變形的輪胎；在接地區(qū)域，胎冠變平，曲率半徑變?yōu)闊o窮大，此時花紋塊受到壓縮和剪切作用；在接地區(qū)域末端，存在一個低曲率半徑的區(qū)域，本質上與進入接地區(qū)域相同。最后，在接地區(qū)域外，胎冠恢復到原來的狀態(tài)。

以無側偏自由滾動輪胎為例，單個花紋塊在接地過程中的變形如圖2所示，圖中紅色方框內為變形中的單個花紋塊。

圖2 無側偏自由滾動輪胎胎面單個花紋塊通過接觸區(qū)域示意

花紋飽和度即輪胎在接地范圍內的花紋塊實際面積與接地面積之比，也可以使用空隙率的表征方法，即空隙率＝100%－花紋飽和度。胎面花紋飽和度和單個花紋塊的大小對胎面應力和應變有重要影響，進而影響輪胎滾動阻力，如圖3所示。圖中，h為高度，α為剪切變形角度，d為剪切變形位移。

圖3 單個花紋塊的受力變形

本工作通過花紋設計并雕刻光面輪胎，研究花紋特性（飽和度及形態(tài)）對輪胎滾動阻力的影響，并得到其相關性，可對低滾動阻力輪胎的花紋設計提供參考。

1 實驗

1.1 試驗輪胎

選用205/55R16 91V光面輪胎，輪胎結構和材料均一致。

1.2 試驗設備

MTS滾動阻力測試機，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司產品。

1.3 試驗方法和試驗條件

采用ISO 28580—2018穩(wěn)態(tài)測試方法—單點法[10]進行試驗。

試驗條件如下：充氣壓力 210 kPa，速度80 km·h-1，負荷 4.822 kN，輪輞 6.5J×16。

1.4 試驗設計和試樣制備

1.4.1 試驗設計

胎面花紋設計方案如表1所示。其中，A，B，C方案花紋分別為縱向、橫向和混合花紋（見圖4），縱向、橫向和混合花紋溝深度均為6 mm。所示。

圖4 胎面花紋示意

表1 胎面花紋設計方案

1.4.2 試樣制備

為確保試驗精度，光面輪胎均為同批次制備的產品。

由專業(yè)人員按照胎面花紋設計方案雕刻輪胎，全部輪胎雕刻均由同一操作人員在同一設備上完成。雕刻花紋后的輪胎（刻花輪胎）如圖5—7

圖5 縱向花紋刻花輪胎示意

圖6 橫向花紋刻花輪胎示意

圖7 混合花紋刻花輪胎示意

2 結果與討論

滾動阻力測試結果如表2所示。其中，滾動阻力系數(shù)為輪胎滾動阻力與其試驗負荷的比值。

表2 滾動阻力測試結果

2.1 花紋飽和度對滾動阻力的影響

2.1.1 縱向花紋飽和度對滾動阻力的影響

縱向花紋飽和度對滾動阻力的影響見圖8。

從圖8可以看出，A1—A4方案輪胎花紋的飽和度依次降低，其對應的滾動阻力系數(shù)基本保持不變。原因主要為縱向花紋在周向的剪切變形受到限制（見圖9）。縱向花紋胎冠處滾動阻力的來源為花紋塊的壓縮應變及其體積變化，當輪胎花紋飽和度降低后，其帶來的壓縮應變增大與體積減小對輪胎滾動阻力的影響相互抵消，滾動阻力基本保持不變。

圖8 縱向花紋飽和度對滾動阻力的影響

圖9 花紋塊剪切應變示意

光面輪胎的滾動阻力系數(shù)為0.91%，A1—A4方案輪胎滾動阻力系數(shù)約為0.88%。隨著A1—A4方案輪胎花紋飽和度降低，橡膠體積減小（滾動阻力趨勢減小），壓縮應變增大（滾動阻力趨勢增大）。相比光面輪胎，刻花輪胎橡膠體積對滾動阻力的貢獻比壓縮應變更大。

2.1.2 橫向花紋飽和度對滾動阻力的影響

橫向花紋飽和度對滾動阻力的影響見圖10。

圖10 橫向花紋飽和度對滾動阻力的影響

從圖10可以看出，B1—B4方案輪胎橫向花紋飽和度依次降低，對應滾動阻力系數(shù)持續(xù)增大。橫向花紋胎冠處滾動阻力的來源為花紋塊的壓縮、剪切應變和體積變化。與縱向花紋對比，橫向花紋有更大的縱向剪切應變。B1—B4方案輪胎花紋飽和度降低帶來的壓縮、剪切應變增大對滾動阻力的影響（增大）超過其體積減小對滾動阻力的影響（減小），因此滾動阻力持續(xù)增大。B4方案輪胎的滾動阻力系數(shù)（0.92%）甚至超過了光面輪胎的滾動阻力系數(shù)（0.91%）。

2.1.3 混合花紋飽和度對滾動阻力的影響

混合花紋飽和度對滾動阻力的影響見圖11。

圖11 混合花紋飽和度對滾動阻力的影響

從圖11可以看出，C1—C4方案輪胎混合花紋的飽和度依次降低，對應滾動阻力系數(shù)先減小后增大。混合花紋胎冠處滾動阻力的來源為花紋塊的壓縮、剪切應變和體積變化。C1—C2方案輪胎花紋飽和度減小帶來的體積減小對滾動阻力的影響（減小）超過壓縮、剪切應變增大對滾動阻力的影響（增大），滾動阻力降低；C2—C4方案輪胎的情況正好相反，剪切應變的影響超過體積變化的影響，滾動阻力持續(xù)增大。

2.2 花紋形態(tài)對滾動阻力的影響

花紋形態(tài)對滾動阻力的影響見圖12。

圖12 花紋形態(tài)對滾動阻力的影響

從圖12可以看出：花紋飽和度相同時，橫向花紋輪胎滾動阻力更高，這與橫向花紋的縱向剪切應變相對較大有關；縱向花紋輪胎滾動阻力相對較低，這與縱向剪切應變受到限制有關；混合花紋輪胎滾動阻力介于橫向花紋與縱向花紋輪胎之間。

3 結論

（1）花紋飽和度與不同花紋形態(tài)交互作用后，其滾動阻力呈現(xiàn)不同的結果，隨著花紋飽和度降低，縱向花紋輪胎滾動阻力基本保持不變，橫向花紋輪胎滾動阻力持續(xù)增大，混合花紋輪胎滾動阻力先減小后增大。

（2）低滾動阻力輪胎的花紋飽和度宜在70%左右。

（3）輪胎滾動阻力與花紋形態(tài)有一定的相關性：縱向花紋對滾動阻力的貢獻相對較小；橫向花紋對滾動阻力的貢獻較大；混合花紋對滾動阻力的貢獻介于橫向花紋與縱向花紋之間。