乘用車輪胎滾動(dòng)阻力與行駛速度關(guān)系的研究

張一塵+張新峰+魏曉辰

摘 要：研究表明，汽車行駛過(guò)程中，20%的燃料消耗于輪胎滾動(dòng)阻力上，輪胎滾動(dòng)阻力每減少10%，整車油耗可降低2%～3%。輪胎滾動(dòng)阻力影響因素眾多，包括輪胎材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、花紋形式、行駛速度、充氣壓力、負(fù)荷重量等。開(kāi)展輪胎滾動(dòng)阻力性能研究，對(duì)于降低汽車燃油消耗量有重要意義。文章從乘用車行駛速度的影響入手，對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力性能進(jìn)行測(cè)試研究，定量分析乘用車在日常行駛速度區(qū)間內(nèi)，輪胎滾動(dòng)阻力的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：乘用車輪胎；滾動(dòng)阻力；行駛速度；單點(diǎn)試驗(yàn)；多點(diǎn)連續(xù)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U463.341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0163-03

前言

隨著我國(guó)交通設(shè)施的不斷完善，截止2016年底，我國(guó)高速公路里程已突破13萬(wàn)公里，連續(xù)數(shù)年穩(wěn)居世界第一。改革開(kāi)放之后，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平飛速提高，截止2016年底，全國(guó)GDP總額超過(guò)70萬(wàn)億人民幣，達(dá)到74.4萬(wàn)億，超過(guò)美國(guó)的三分之二。相伴經(jīng)濟(jì)騰飛，車輛的使用需求不斷膨脹，汽車保有量不斷增長(zhǎng)，與此同時(shí)，社會(huì)汽車燃油消耗總量也在不斷增加。汽車尾氣污染帶來(lái)的環(huán)境破壞日益嚴(yán)重，霧霾天數(shù)增多、四季氣溫反常、PM2.5濃度上升、溫室效應(yīng)不斷凸顯，這些問(wèn)題無(wú)一不充斥在人們的日常生活中，導(dǎo)致國(guó)人生活水平提高的同時(shí)，生活質(zhì)量卻并沒(méi)有隨之提高。為了減少汽車污染物排放給環(huán)境帶來(lái)的破壞，北京從2008年開(kāi)始就對(duì)機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)行限號(hào)行駛，其他地方也隨之頒布了相似的政策。提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，可在保持國(guó)人出行方便的同時(shí)，減少對(duì)環(huán)境的污染，保證生活質(zhì)量。因此，汽車節(jié)能減排愈加受到社會(huì)的普遍重視。

降低輪胎的滾動(dòng)阻力是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的重要途徑。輪胎的低滾阻化已經(jīng)是輪胎工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，低滾阻輪胎在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展迅速。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外各大輪胎廠商及科研機(jī)構(gòu)的努力下，輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)不斷降低。

本文依托輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)設(shè)備，從輪胎滾動(dòng)速度出發(fā)，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，測(cè)試研究不同速度下輪胎滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)的變化程度，分析乘用車輪胎滾動(dòng)阻力與行駛速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為輪胎開(kāi)發(fā)和匹配提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車試驗(yàn)研究所的輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)，見(jiàn)圖1。

此設(shè)備采購(gòu)自德國(guó)ZF，經(jīng)TUV SUD（南德意志集團(tuán)）與歐洲輪胎滾動(dòng)阻力基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)標(biāo)，其測(cè)量精度和穩(wěn)定性已達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)水平，試驗(yàn)結(jié)果精確可靠。

2 試驗(yàn)原理

輪胎滾動(dòng)阻力大小與輪胎材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、花紋形式、行駛速度、充氣壓力、負(fù)荷重量等因素相關(guān)。本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)設(shè)備將輪組設(shè)置在轉(zhuǎn)鼓徑向外側(cè)，加載裝置通過(guò)徑向施加載荷將輪組壓向鼓面，并達(dá)到指定徑向壓力。此時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓，使輪組達(dá)到某一轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間使輪胎性能穩(wěn)定后，通過(guò)輪組固定端傳感器測(cè)量輪胎所受切向阻力（或者通過(guò)轉(zhuǎn)鼓固定端傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)鼓輸入扭矩或輸入功率）。此時(shí)測(cè)量的阻力包含輪胎滾動(dòng)阻力、轉(zhuǎn)鼓和輪軸軸承摩擦力、轉(zhuǎn)鼓和輪組風(fēng)阻。然后將輪組徑向壓力減小到100N，僅使輪組能跟隨轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)而不滑動(dòng)，此時(shí)的輪胎滾動(dòng)阻力可忽略不計(jì)。測(cè)量輪胎切向力（或者轉(zhuǎn)鼓輸入扭矩、輸入功率），此時(shí)測(cè)得的阻力包含轉(zhuǎn)鼓和輪軸軸承摩擦力、轉(zhuǎn)鼓和輪組風(fēng)阻。其中，輪組徑向壓力的減小會(huì)使設(shè)備軸承摩擦力減小，但其差值可忽略不計(jì)。將兩次測(cè)量值相減，即可得到輪胎的滾動(dòng)阻力。

3 試驗(yàn)方案

ISO 28580中規(guī)定了輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)方法，該方法可以橫向比較出特定條件下不同輪胎滾動(dòng)阻力性能的差異。本實(shí)驗(yàn)參考ISO 28580的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)負(fù)荷為最大負(fù)荷的80%；標(biāo)準(zhǔn)型輪胎的充氣壓力為210kpa，增強(qiáng)型輪胎為250kpa，改變?cè)囼?yàn)速度，研究每條輪胎在不同速度下滾動(dòng)阻力與滾動(dòng)阻力系數(shù)的變化情況。

3.1 方案一：?jiǎn)吸c(diǎn)試驗(yàn)

試驗(yàn)速度選取40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h五個(gè)單點(diǎn)；輪胎選用米其林225/55R17 101W、米其林235/45R18 94V、米其林225/60R17 103V、瑪吉斯225/60R17 103H、瑪吉斯225/55R18 102V五條輪胎。分別測(cè)試每條輪胎在不同速度點(diǎn)的滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)。研究每條輪胎在不同速度下滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)的變化情況。同一條輪胎每?jī)纱螌?shí)驗(yàn)間隔不少于3小時(shí)，保證每一次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，輪胎輪輞組合體在25℃環(huán)境內(nèi)得到充分熱平衡。

3.2 方案二：多點(diǎn)連續(xù)試驗(yàn)

試驗(yàn)速度選取40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h五個(gè)單點(diǎn)，輪胎選用米其林225/55R18 102V。做40km/h 至 120km/h不停歇連續(xù)試驗(yàn)，再做120km/h至40km/h不停歇連續(xù)試驗(yàn)。研究輪胎穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)速度變化對(duì)于滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響。

4 試驗(yàn)過(guò)程

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

按照ISO 28580要求，將輪胎安裝在鋁合金高精度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)輪輞上，充上相應(yīng)氣壓，放在25℃恒溫的滾動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)室停放3小時(shí)以上，使輪胎與輪輞的組合體在測(cè)試環(huán)境中達(dá)到充分熱平衡。

4.2 試驗(yàn)步驟

方案一：熱平衡之后，按照ISO 28580的要求進(jìn)行氣壓調(diào)整；以40km/h的速度升溫運(yùn)行30分鐘后，讀取轉(zhuǎn)鼓輸入功率、輸入扭矩、輪胎軸力；分離載荷升溫1分鐘后讀取相應(yīng)參數(shù)；反向旋轉(zhuǎn)升溫20分鐘后讀取相應(yīng)參數(shù)；分離載荷后1分鐘再次讀取相應(yīng)參數(shù)。此時(shí)一條輪胎的一個(gè)單點(diǎn)測(cè)試完成。卸下輪組，在25℃環(huán)境中再次熱平衡3小時(shí)以上之后，重復(fù)以上步驟，進(jìn)行下一個(gè)速度點(diǎn)的測(cè)試。完成3.1中要求的5個(gè)單點(diǎn)速度試驗(yàn)后，此輪胎試驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)行下一條輪胎的測(cè)試，或者若干條輪胎交替進(jìn)行測(cè)試，保證熱平衡時(shí)間。endprint

方案二：熱平衡之后，按照ISO 28580的要求進(jìn)行氣壓調(diào)整；以上述一個(gè)單點(diǎn)試驗(yàn)程序?yàn)橐粋€(gè)試驗(yàn)周期，單個(gè)周期結(jié)束后輪胎不停轉(zhuǎn)，直接進(jìn)入下一個(gè)試驗(yàn)周期。為了讓輪胎達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，重復(fù)40km/h速度測(cè)試周期6次，并全部記錄，然后直接加速至60km/h，進(jìn)入60km/h的試驗(yàn)周期，后依次進(jìn)行80km/h、100km/h、120km/h試驗(yàn)周期。記錄每一個(gè)試驗(yàn)周期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完成后，卸下輪組，在25℃環(huán)境中再次熱平衡3小時(shí)以上，調(diào)整氣壓，再次安裝輪組于設(shè)備上，以120km/h為初始速度，重復(fù)運(yùn)行120km/h周期6次，依次降速至100km/h、80km/h、60km/h、40km/h運(yùn)行試驗(yàn)周期。記錄所有周期試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)處理與分析

為了更好地研究速度對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響，將六條輪胎在不同的試驗(yàn)速度下測(cè)得的7組滾動(dòng)阻力數(shù)據(jù)放在表格中進(jìn)行對(duì)比，并繪制試驗(yàn)速度與輪胎滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)的關(guān)系圖。

由于篇幅所限，在這里每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及關(guān)系圖就不贅述。其中，單點(diǎn)試驗(yàn)中，米其林225/55R17 101W輪胎試驗(yàn)速度由40km/h增加至120km/h，滾動(dòng)阻力累計(jì)降低4.65N，滾動(dòng)阻力系數(shù)累計(jì)降低0.73N/kN；單點(diǎn)試驗(yàn)中，米其林235/45R18 94V輪胎試驗(yàn)速度由40km/h增加至120km/h，滾動(dòng)阻力累計(jì)降低4.87N，滾動(dòng)阻力系數(shù)累計(jì)降低0.94N/kN；單點(diǎn)試驗(yàn)中，米其林225/60R17 103V輪胎試驗(yàn)速度由40km/h增加至120km/h，滾動(dòng)阻力累計(jì)降低4.03N，滾動(dòng)阻力系數(shù)累計(jì)降低0.60N/kN；單點(diǎn)試驗(yàn)中，瑪吉斯225/60R17 103H輪胎試驗(yàn)速度由40km/h增加至120km/h，滾動(dòng)阻力累計(jì)降低2.43N，滾動(dòng)阻力系數(shù)累計(jì)降低0.36N/kN；單點(diǎn)試驗(yàn)中，瑪吉斯225/55R18 102V輪胎試驗(yàn)速度由40km/h增加至120km/h，滾動(dòng)阻力累計(jì)降低1.44N，滾動(dòng)阻力系數(shù)累計(jì)降低0.22N/kN。

從五條輪胎的滾動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力系數(shù)隨試驗(yàn)速度變化的曲線可以看出，隨著試驗(yàn)速度從40km/h增加到120km/h，輪胎滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，滾動(dòng)阻力分別累計(jì)下降4.65N、4.87N、4.03N、2.43N、1.44N，滾動(dòng)阻力系數(shù)分別累計(jì)下降0.73N/kN、0.94N/kN、0.60N/kN、0.36N/kN、0.22N/kN。

將五條輪胎測(cè)得的滾動(dòng)阻力值匯總于同一圖上進(jìn)行對(duì)比（如圖2、圖3），可以看出不同輪胎的滾動(dòng)阻力對(duì)于速度變化的敏感程度和特點(diǎn)并不一樣，如圖2中的滾動(dòng)阻力值1（米其林225/55R17 101W）和滾動(dòng)阻力值3（米其林225/60R17 103V），40km/h時(shí)輪胎1的滾阻值54.30N高與輪胎3的滾阻值54.09N，加速到120km/h時(shí)，輪胎1的滾阻值49.65N低于輪胎3的滾阻值50.06N。滾動(dòng)阻力值2/4/5，隨著速度的增加，滾阻值差距逐漸減小。整車匹配時(shí)輪胎時(shí)，推薦考慮輪胎滾動(dòng)阻力特性與車輛設(shè)計(jì)速度的關(guān)系。

關(guān)于米其林225/55R18 102V 40km/h-120km/h 連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果及120km/h-40km/h 連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果可知，輪胎在前3個(gè)測(cè)試周期中狀態(tài)趨于穩(wěn)定。加速試驗(yàn)中五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的滾動(dòng)阻力分別是50.62N、50.10N、49.22N、48.56N、48.18N，滾動(dòng)阻力系數(shù)分別是7.59N/KN、7.51N/KN、7.38N/KN、7.28N/KN、7.22N/KN；減速試驗(yàn)中五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的滾動(dòng)阻力分別是48.07N、48.53N、48.97N、49.70N、50.32N，滾動(dòng)阻力系數(shù)分別是7.20N/KN、7.27N/KN、7.34N/KN、7.45N/KN、7.55N/KN，匯總于如下對(duì)比圖中，分別繪制滾動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力系數(shù)的加減速試驗(yàn)對(duì)比圖。

加速試驗(yàn)相比較減速試驗(yàn)，在40km/h-80km/h區(qū)間段滾動(dòng)阻力大0.03-0.4N，滾動(dòng)阻力系數(shù)大0.01-0.06N/kN，在100 km/h -120km/h，滾動(dòng)阻力值及滾動(dòng)阻力系數(shù)值十分接近。速度從40km/h增加到120km/h，輪胎滾動(dòng)阻力累計(jì)下降2.44N，滾動(dòng)阻力系數(shù)累計(jì)下降0.37N/kN；而減速試驗(yàn)中輪胎滾動(dòng)阻力累計(jì)上升2.25N，滾動(dòng)阻力系數(shù)累計(jì)上升0.35N/kN。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上多次單點(diǎn)試驗(yàn)及連續(xù)加速減速試驗(yàn)，得出結(jié)論，在乘用車日常行駛速度區(qū)間內(nèi)，輪胎滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)值與其速度相關(guān)，且速度越快，滾動(dòng)阻力及滾動(dòng)阻力系數(shù)值越低，輪胎滾動(dòng)阻力消耗的能源越少。

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