乘用車輪胎滾動阻力與行駛速度關系的研究

張一塵+張新峰+魏曉辰

摘 要：研究表明，汽車行駛過程中，20%的燃料消耗于輪胎滾動阻力上，輪胎滾動阻力每減少10%，整車油耗可降低2%～3%。輪胎滾動阻力影響因素眾多，包括輪胎材料、內部結構、花紋形式、行駛速度、充氣壓力、負荷重量等。開展輪胎滾動阻力性能研究，對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，對輪胎滾動阻力性能進行測試研究，定量分析乘用車在日常行駛速度區間內，輪胎滾動阻力的變化趨勢。

關鍵詞：乘用車輪胎；滾動阻力；行駛速度；單點試驗；多點連續試驗

中圖分類號：U463.341 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0163-03

前言

隨著我國交通設施的不斷完善，截止2016年底，我國高速公路里程已突破13萬公里，連續數年穩居世界第一。改革開放之后，國內經濟水平飛速提高，截止2016年底，全國GDP總額超過70萬億人民幣，達到74.4萬億，超過美國的三分之二。相伴經濟騰飛，車輛的使用需求不斷膨脹，汽車保有量不斷增長，與此同時，社會汽車燃油消耗總量也在不斷增加。汽車尾氣污染帶來的環境破壞日益嚴重，霧霾天數增多、四季氣溫反常、PM2.5濃度上升、溫室效應不斷凸顯，這些問題無一不充斥在人們的日常生活中，導致國人生活水平提高的同時，生活質量卻并沒有隨之提高。為了減少汽車污染物排放給環境帶來的破壞，北京從2008年開始就對機動車輛進行限號行駛，其他地方也隨之頒布了相似的政策。提高汽車的燃油經濟性，可在保持國人出行方便的同時，減少對環境的污染，保證生活質量。因此，汽車節能減排愈加受到社會的普遍重視。

降低輪胎的滾動阻力是提高汽車燃油經濟性的重要途徑。輪胎的低滾阻化已經是輪胎工業發展的趨勢，低滾阻輪胎在設計、生產過程中發展迅速。近年來，在國內外各大輪胎廠商及科研機構的努力下，輪胎滾動阻力系數不斷降低。

本文依托輪胎滾動阻力試驗設備，從輪胎滾動速度出發，通過實際試驗，測試研究不同速度下輪胎滾動阻力及滾動阻力系數的變化程度，分析乘用車輪胎滾動阻力與行駛速度的對應關系，為輪胎開發和匹配提供數據支持。

1 試驗設備

本試驗設備采用中國汽車技術研究中心汽車試驗研究所的輪胎滾動阻力試驗機，見圖1。

此設備采購自德國ZF，經TUV SUD（南德意志集團）與歐洲輪胎滾動阻力基準實驗室對標，其測量精度和穩定性已達到國際最先進水平，試驗結果精確可靠。

2 試驗原理

輪胎滾動阻力大小與輪胎材料、內部結構、花紋形式、行駛速度、充氣壓力、負荷重量等因素相關。本試驗所采用的試驗設備將輪組設置在轉鼓徑向外側，加載裝置通過徑向施加載荷將輪組壓向鼓面，并達到指定徑向壓力。此時驅動轉鼓，使輪組達到某一轉速，運轉一定時間使輪胎性能穩定后，通過輪組固定端傳感器測量輪胎所受切向阻力（或者通過轉鼓固定端傳感器測量轉鼓輸入扭矩或輸入功率）。此時測量的阻力包含輪胎滾動阻力、轉鼓和輪軸軸承摩擦力、轉鼓和輪組風阻。然后將輪組徑向壓力減小到100N，僅使輪組能跟隨轉鼓轉動而不滑動，此時的輪胎滾動阻力可忽略不計。測量輪胎切向力（或者轉鼓輸入扭矩、輸入功率），此時測得的阻力包含轉鼓和輪軸軸承摩擦力、轉鼓和輪組風阻。其中，輪組徑向壓力的減小會使設備軸承摩擦力減小，但其差值可忽略不計。將兩次測量值相減，即可得到輪胎的滾動阻力。

3 試驗方案

ISO 28580中規定了輪胎滾動阻力試驗方法，該方法可以橫向比較出特定條件下不同輪胎滾動阻力性能的差異。本實驗參考ISO 28580的試驗方法，試驗負荷為最大負荷的80%；標準型輪胎的充氣壓力為210kpa，增強型輪胎為250kpa，改變試驗速度，研究每條輪胎在不同速度下滾動阻力與滾動阻力系數的變化情況。

3.1 方案一：單點試驗

試驗速度選取40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h五個單點；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。分別測試每條輪胎在不同速度點的滾動阻力及滾動阻力系數。研究每條輪胎在不同速度下滾動阻力及滾動阻力系數的變化情況。同一條輪胎每兩次實驗間隔不少于3小時，保證每一次實驗開始前，輪胎輪輞組合體在25℃環境內得到充分熱平衡。

3.2 方案二：多點連續試驗

試驗速度選取40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h五個單點，輪胎選用米其林225/55R18 102V。做40km/h 至 120km/h不停歇連續試驗，再做120km/h至40km/h不停歇連續試驗。研究輪胎穩定運行時速度變化對于滾動阻力及滾動阻力系數的影響。

4 試驗過程

4.1 試驗準備

按照ISO 28580要求，將輪胎安裝在鋁合金高精度標準試驗輪輞上，充上相應氣壓，放在25℃恒溫的滾動阻力實驗室停放3小時以上，使輪胎與輪輞的組合體在測試環境中達到充分熱平衡。

4.2 試驗步驟

方案一：熱平衡之后，按照ISO 28580的要求進行氣壓調整；以40km/h的速度升溫運行30分鐘后，讀取轉鼓輸入功率、輸入扭矩、輪胎軸力；分離載荷升溫1分鐘后讀取相應參數；反向旋轉升溫20分鐘后讀取相應參數；分離載荷后1分鐘再次讀取相應參數。此時一條輪胎的一個單點測試完成。卸下輪組，在25℃環境中再次熱平衡3小時以上之后，重復以上步驟，進行下一個速度點的測試。完成3.1中要求的5個單點速度試驗后，此輪胎試驗結束，進行下一條輪胎的測試，或者若干條輪胎交替進行測試，保證熱平衡時間。endprint

方案二：熱平衡之后，按照ISO 28580的要求進行氣壓調整；以上述一個單點試驗程序為一個試驗周期，單個周期結束后輪胎不停轉，直接進入下一個試驗周期。為了讓輪胎達到穩定狀態，重復40km/h速度測試周期6次，并全部記錄，然后直接加速至60km/h，進入60km/h的試驗周期，后依次進行80km/h、100km/h、120km/h試驗周期。記錄每一個試驗周期的試驗數據。試驗完成后，卸下輪組，在25℃環境中再次熱平衡3小時以上，調整氣壓，再次安裝輪組于設備上，以120km/h為初始速度，重復運行120km/h周期6次，依次降速至100km/h、80km/h、60km/h、40km/h運行試驗周期。記錄所有周期試驗數據。

5 數據處理與分析

為了更好地研究速度對輪胎滾動阻力和滾動阻力系數的影響，將六條輪胎在不同的試驗速度下測得的7組滾動阻力數據放在表格中進行對比，并繪制試驗速度與輪胎滾動阻力及滾動阻力系數的關系圖。

由于篇幅所限，在這里每組試驗數據及關系圖就不贅述。其中，單點試驗中，米其林225/55R17 101W輪胎試驗速度由40km/h增加至120km/h，滾動阻力累計降低4.65N，滾動阻力系數累計降低0.73N/kN；單點試驗中，米其林235/45R18 94V輪胎試驗速度由40km/h增加至120km/h，滾動阻力累計降低4.87N，滾動阻力系數累計降低0.94N/kN；單點試驗中，米其林225/60R17 103V輪胎試驗速度由40km/h增加至120km/h，滾動阻力累計降低4.03N，滾動阻力系數累計降低0.60N/kN；單點試驗中，瑪吉斯225/60R17 103H輪胎試驗速度由40km/h增加至120km/h，滾動阻力累計降低2.43N，滾動阻力系數累計降低0.36N/kN；單點試驗中，瑪吉斯225/55R18 102V輪胎試驗速度由40km/h增加至120km/h，滾動阻力累計降低1.44N，滾動阻力系數累計降低0.22N/kN。

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

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

關于米其林225/55R18 102V 40km/h-120km/h 連續試驗結果及120km/h-40km/h 連續試驗結果可知，輪胎在前3個測試周期中狀態趨于穩定。加速試驗中五個測試點的滾動阻力分別是50.62N、50.10N、49.22N、48.56N、48.18N，滾動阻力系數分別是7.59N/KN、7.51N/KN、7.38N/KN、7.28N/KN、7.22N/KN；減速試驗中五個測試點的滾動阻力分別是48.07N、48.53N、48.97N、49.70N、50.32N，滾動阻力系數分別是7.20N/KN、7.27N/KN、7.34N/KN、7.45N/KN、7.55N/KN，匯總于如下對比圖中，分別繪制滾動阻力和滾動阻力系數的加減速試驗對比圖。

加速試驗相比較減速試驗，在40km/h-80km/h區間段滾動阻力大0.03-0.4N，滾動阻力系數大0.01-0.06N/kN，在100 km/h -120km/h，滾動阻力值及滾動阻力系數值十分接近。速度從40km/h增加到120km/h，輪胎滾動阻力累計下降2.44N，滾動阻力系數累計下降0.37N/kN；而減速試驗中輪胎滾動阻力累計上升2.25N，滾動阻力系數累計上升0.35N/kN。

6 結束語

經過以上多次單點試驗及連續加速減速試驗，得出結論，在乘用車日常行駛速度區間內，輪胎滾動阻力及滾動阻力系數值與其速度相關，且速度越快，滾動阻力及滾動阻力系數值越低，輪胎滾動阻力消耗的能源越少。

參考文獻：

[1]伍江濤，夏松茂.汽車輪胎滾動阻力及其測試方法[J].科技資訊，2007，23（21）：27-33.

[2]薛風先，王澤鵬，朱由鋒.輪胎滾動阻力（因數）測定和數值計算方法[J].橡膠工業，2006，53（3）：174-178.

[3]張學利，何勇.汽車動力性檢測中的滾動阻力[J].公路交通科技，2000，17（5）：93-95.

[4]高蔚，王建強，蘇建.雙滾筒上輪胎滾動阻力模型[J].公路交通科技，2003，20（6）：147-149.

[5]任禮行，劉青，張艾謙，等.輪胎滾動阻力測量與分析[J].汽車工程，2000，22（5）：316-319.

[6]李紅偉，孫炳光.輪胎滾動阻力測試分析[J].輪胎工業，2009，29（3）：179-182.

[7]王陽，張子鵬，朱其文，等.國內外輪胎滾動阻力試驗方法及影響因素分析[J].輪胎工業，2013（10）：628-633.

[8]ISO28580 Passenger car， truck and bus tyres-Methods of measuring rollingresistance-Single point test andcorrelation of measurement results.

[9]GB/T 29040-2012.汽車輪胎滾動阻力試驗方法單點試驗和測量結果的相關性[S].endprint