影響輪胎滾動阻力的因素分析

Analysis on the Factors Affecting Tire Rolling Resistance

羅　俊

(景德鎮陶瓷學院機電工程學院，江西 景德鎮　333403)

影響輪胎滾動阻力的因素分析

Analysis on the Factors Affecting Tire Rolling Resistance

羅俊

(景德鎮陶瓷學院機電工程學院，江西 景德鎮333403)

摘要：輪胎滾動阻力的大小會影響到汽車的動力性和燃油經濟性，而輪輞直徑和輪胎高寬比、輪胎表面材料、輪胎氣壓和負荷、車速對輪胎的滾動阻力又有較大影響。在查詢和研究了近10年來有關輪胎滾動阻力影響因素方面的文獻以及國際品牌公司最新研究成果的基礎上，結合臺式試驗與實際路面狀況分析，歸納總結出輪胎滾動阻力各種影響因素的相互聯系，從而評定輪胎滾動阻力。

關鍵詞：輪胎滾動阻力臺式試驗實際路面影響因素胎面膠胎體簾線輪胎結構

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

人類生存活動對環境的影響已引起特別關注，減少燃油的消耗、降低機動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人類生存環境的重要舉措。而輪胎滾動阻力與汽車能量的消耗又是密切相關的。據相關數據顯示，機動車約有3.5 %~6.6% 的燃油消耗是用于克服輪胎的正常滾動阻力，而對裝有子午線輪胎的機動車載重后約有12.5%~16.5%的燃料消耗都是用于克服輪胎的滾動阻力。當滾動阻力降至10%左右時，機動車將會節省燃油約1.2%[1-2]。所以滾動阻力是輪胎的一個極為重要的特性，對此種特性的研究對輪胎工業乃至整個汽車工業均有較為深遠的影響意義。

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

目前，國內外針對滾動阻力產生的原因，大致提出了影響滾動阻力的幾個主要因素：輪胎表面材料、輪輞直徑和輪胎高寬比、輪胎氣壓和負荷、車速、輪胎花紋[5-6]。本文除了簡單闡述現行的各個影響因素如何影響滾動阻力之外，還會綜合考慮路試與臺式試驗的差異性，并對這些影響因素進行分析比較，以期為滾動阻力的準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

胎面膠的材質對滾動阻力的大小影響較大，一般情況下胎面與地面所產生的接觸阻力約占輪胎滾動阻力的50%。因此，對輪胎滾動阻力分析的重點要放在胎面膠的材質進行研究。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對象在固定影響因素的前提下，分別對生膠體系、補強體系和硫化體系進行了一系列試驗。結果如下。

① 在固定負荷條件下，不同膠種的胎面膠滾動阻力的大小為fBR

② NR與BR或SBR在用生膠體系時對降低滾動阻力效果顯著。

③ 如果油的含量增加，輪胎滾動阻力會相應地減小。同時滾動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平衡點。

④ 增加硫化體系的用量可增大滾動阻力[7-9]。

1.2　胎體簾線的影響

不管是國內還是國外，現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。考慮到人造絲生產過程會對環境造成極大的影響，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，特別是那種高模量、低收縮的聚酯簾線，因為它的強度大，耐高溫，故其彈性遲滯損失相對普通簾線來說顯著降低，因此在輪胎工業中被廣泛應用。當然，如要進一步降低阻力，還可將芳綸以及玻璃纖維等相關材料加入胎體帶束層中。吳桂忠等[10-11]通過測定出當速度為80 km/h，普通聚酯和芳綸作為胎體材料165/70R13輪胎時，其滾動阻力分別為68 N、65 N和45 N。由數據可見，使用同規格的輪胎但使用不同的胎體材料時，滾動阻力差異性較大。當胎體簾線為芳綸簾線時，輪胎的滾動阻力最小;當胎體簾線為聚酯簾線時，輪胎的滾動阻力比芳綸簾線大,比普通聚酯簾線小。產生的原因：一方面是因為芳綸簾線的強度較高，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量較輕，對降低滾動阻力也起到一定效果。

1.3　輪胎結構與阻力的關系

輪胎結構不同，滾動阻力也不相同。子午線輪胎與斜角線輪胎滾動阻力大小比較的示意圖如圖1所示[12]。

圖1　滾動阻力比較示意圖

子午線輪胎與斜交線輪胎滾動阻力不同的根本區別在于：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，其頂層是數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，而且子午輪胎胎側薄，徑向變形恢復快。此特性有利于減少輪胎的內磨損，故可有效減小阻力。所以現在大多數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系，通常輪胎滾動阻力隨著輪胎斷面高寬比的減小而減小。P. S.Pilla的研究[13]指出了輪胎的滾動阻力F的具體計算公式。試驗表明，滾動阻力與輪胎的載荷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為經驗常數。

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

3輪胎氣壓和負荷的影響

在汽車行駛過程中，輪胎的下沉量是影響輪胎滾動阻力又一重要因素，而輪胎的垂直負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荷的影響。輪胎下沉量隨著輪胎負荷的增大而增大，輪胎滾動阻力隨著下沉量的增大而增大，在相同的負荷下輪胎的充氣壓力增大，滾動阻力會相對減小。氣體種類對輪胎內腔的氣體溫度和輪胎滾動阻力的影響：當充氣壓力從260kPa降到165kPa時，輪胎內腔氣體溫度從36.7 ℃上升到41.0 ℃，且變化趨勢呈線性升高。當使用氮氣充氣時,氣體溫度并無變化。

由此可知，在充氣壓力損失量相同時，滾動阻力的大小變化也基本相同。因此，滾動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。基于汽車輪胎滾動阻力測量的國際標準(ISO/DIS8767)，并依靠相關的計算方法可以獲取高精度的數據[15-16]。由結果可知，滾動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阻力的影響相對來說比較復雜，因為速度的變化會影響其他影響因素的改變。當汽車在中低速度下行駛時，輪胎滾動阻力基本不受車速的影響；當行駛速度逐漸增大時，輪胎的下沉量會減小，損耗因子(損耗因子是粘彈性材料的重要參數之一是指在正弦交變拉伸應力作用下應變滯后于應力的相位角的正切值[17-18])也伴隨著減小，繼而使輪胎的滾動阻力減小。但在輪胎處于較低的滾動速度時，這兩種變化趨勢基本上可以相互抵消而不會對滾動阻力產生較大的影響。而當輪胎滾動速度持續增大至臨界旋轉轉速時，會出現駐波現象，駐波的產生會使汽車輪胎的損耗因子呈跳躍式增大，從而使輪胎滾動阻力急劇變大。馬改陵等人[19]又指出行駛速度對輪胎滾動阻力的影響程度同時還受到輪胎的高寬比和負荷的影響。滾動阻力、速度及負荷率三者之間的關系圖如圖2所示。圖2中，1、2、3、4表示負荷率分別為60%、80%、100%、120%。

圖2　滾動阻力、速度及負荷率三者之間的關系

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阻力的影響也不可忽視，輪胎胎面花紋與路面作用的機理極其復雜，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，研究發現，在選取的幾種胎面花紋中，交叉花紋對胎面滾動阻力的影響最為明顯。

6臺式試驗與路試之間的關聯性

通過分析比較臺試與路試時輪胎滾動阻力的關聯性，有助于幫助認清兩者的相關性，從而為建立兩者的關聯性模型奠定基礎。先分析臺試與路試的變形圖，如圖4所示。圖4中，Rs為輪胎自由滾動半徑；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　輪胎臺試與路試實驗圖

由圖4可知，在建立臺試與路試輪胎滾動阻力關聯性模型時，可以從以下兩方面進行分析。針對兩種試驗的滾動阻力影響規律相同的因素時，可以直接選用臺式試驗的研究結果(滾動阻力模型)作為路試滾動阻力的值直接使用;而針對影響規律不相同的因素時，只需找出兩者之間存在的差異量，然后對臺試滾動阻力進行補償。關聯性模型可表述為：

RRroad=ηrRRroller

(2)

式中：RRroad為單個輪胎在道路上行駛時的滾動阻力；RRroller為單個輪胎在滾筒上的滾動阻力；ηr為滾動阻力關聯性因子[21-23]。

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

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

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

7結束語

通過上面的研究分析可知，影響輪胎滾動阻力的因素很多，所以對滾動阻力的測量是一項高精度的試驗，試驗的每個步驟都必須認真操作。通過對輪胎滾動阻力測量的試驗數據及結果處理，可以為深入分析輪胎滾動阻力的產生機理以及建立輪胎滾動阻力力學模型等提供研究基礎，同時也可應用于輪胎力學試驗模態分析以及汽車動力學分析與建模。

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中圖分類號：TP202

文獻標志碼：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，現為景德鎮陶瓷學院材料工程專業在讀碩士研究生；主要從事自動化專業相關的研究。