商用車輪胎花紋對車輛燃油經濟性的影響

肖磊，路遙，張佳琛，趙鵬昌，錢治富

商用車輪胎花紋對車輛燃油經濟性的影響

肖磊，路遙，張佳琛，趙鵬昌，錢治富

（陜西汽車控股集團有限責任公司技術中心，陜西 西安 710200）

輪胎作為車輛唯一與地面接觸的元件，輪胎狀態是整車性能表現關鍵的一環。輪胎花紋對汽車動力性、操控穩定性、整車舒適性和燃油經濟性都存在一定影響。其中，輪胎花紋對燃油經濟性的影響主要體現在對輪胎滾阻系數的影響，理清輪胎花紋形式和燃油經濟性的關系對整車輪胎選型有著重要的意義。

輪胎花紋；滾阻系數；燃油經濟性

引言

近年來，市場上汽車保有量與日俱增，在 2020年將達到15億。隨之而來的溫室效應和能源危機將嚴重制約世界經濟的可持續發展，各國相繼制定制定了一系列限制汽車排放的法規。汽車油耗與排放有著直接的正相關關系，即汽車的燃油經濟性越好，其節能效果越好，排放越低。提高車輛燃油經濟性的一個有效措施是降低輪胎的滾動阻力系數，研究表明，常用工況下，滾動阻力降低15%-30%，燃料消耗可降低3%-6%。

1 商用車輪胎花紋介紹

常用的商用車輪胎花紋形式有縱向花紋，橫向花紋，混合花紋及塊狀花紋，花紋示意圖見表1。

表1 花紋示意圖

1.1 縱向花紋

縱向花紋的結構特點是胎面縱向連續，橫向斷開。性能特點是防側滑能力強，滾動阻力較小，散熱性能好，噪音小，但花紋溝槽容易嵌入石子，抓地能力相對較弱。

1.2 橫向花紋

橫向花紋的結構特點是胎面橫向連續，縱向斷開。性能特點是動力性好，抗側滑能力弱，因此汽車以較高速度轉向時易發生側滑，滾動阻力較大，噪音大。

1.3 混合花紋

混合花紋的結構特點是在胎面中部有曲折形的縱向花紋，在胎面兩側設計為橫向花紋。性能特點是縱向和橫向的抗滑能力都得到了保證，動力性良好，散熱好，胎肩易產生磨損不均，應用廣泛適用于大部分路況。

1.4 塊狀花紋

塊狀花紋的結構特點是花紋溝槽深，突出面積小，花紋呈塊狀。性能特點是動力性強，滾動阻力大，行駛噪音大。

2 輪胎的彈性遲滯與滾動阻力

車輪在滾動過程中，輪胎與路面相接觸的區域產生法向及切向的相互作用力，輪胎及路面產生相應的變形，彈性輪胎在硬路面上滾動時，輪胎的變形占絕大部分。輪胎由自由狀態到壓縮變形狀態的過程中，車對輪胎做的功由輪胎的彈性變形轉化為輪胎的內能；在輪胎恢復變形的過程中，理想狀態下，彈性變形存儲的內能將全部返回給車輛。但由于實際在輪胎發生變形時，其內部各組成成分發生相互摩擦，橡膠、簾線等分子間的摩擦等，此部分摩擦產生的能量會轉化為熱能傳遞到大氣中，由此原因產生能量損失的現象被稱為輪胎的彈性遲滯。

以上是從能量守恒角度的分析，在實際過程中由于能量損失難以量化，因此從動力學角度考慮引入了滾動阻力的概念。輪胎靜止在地面上時，其接地點左右兩側受到的力是對稱的，當輪胎滾動時，由于彈性遲滯的影響，行駛方向的前端地面對輪胎的反作用力大于后端地面對輪胎的反作用力，因此總體體現為車輛行駛過程中對輪胎的阻力力偶矩Tf（圖1），這就是輪胎的滾動阻力。滾動阻力系數則為單位輪胎負荷所對應的滾動阻力[1]。

圖1 阻力力偶矩Tf

3 輪胎花紋與彈性遲滯的關系

從彈性遲滯的定義中可以發現，輪胎的變形量越大，輪胎內部摩擦越劇烈，損失的能量越多，彈性遲滯現象越明顯，整車的燃油經濟性越差[2]。

輪胎的變形程度由輪胎的承載負荷、車速、胎壓、輪胎花紋及內部結構都有關系，其中輪胎的花紋形式為主要影響因素。

物體變形程度的核心影響因素為受力的大小及物體本身剛度的大小，探討花紋與變形量的關系時主要談論的是不同花紋形式導致的花紋剛度不同對輪胎花紋變形的影響。

4 輪胎花紋與燃油經濟性的關系

4.1 胎面縱向剛度對燃油經濟性的影響

由于花紋形式的不同，不同花紋胎面的縱向剛度是不同的，縱向花紋由于花紋方向與行駛方向平行，因此縱向剛度大，橫向剛度小；橫向花紋由于花紋方向與行駛方向垂直，因此縱向剛度小，橫向剛度大；混合及塊狀花紋的縱向剛度介于縱向及橫向之間。不同花紋形式縱向剛度大小排序為：縱向花紋＞混合花紋＞塊狀花紋＞橫向花紋。

4.2 花紋深度對燃油經濟性的影響

花紋越深，突出橡膠越多，花紋剛度越差，花紋接地彈性變量大，車輪旋轉時，花紋塊回正遲滯時間會加大，遲滯損失的能量變大。市場上不同花紋形式花紋深度的一般規律為：縱向＜混合＜塊狀＜橫向。

4.3 花紋接地面積對燃油經濟性的影響

花紋溝數增加，與地面接觸面積變小，單個花紋塊受力變大，壓縮變形增加，遲滯損失的能量變大，滾阻增加，燃油經濟性變差，這是塊狀花紋滾阻值大的主要原因。

4.4 胎面花紋橡膠材料對燃油經濟性的影響

輪胎配方中炭黑是重要的橡膠補強劑。上個世紀90年代，米其林通過用高分散性白炭黑替代炭黑創立了低滾動阻力的概念。白炭黑最大的優勢是提高并平衡輪胎的滾動阻力與抓地力[3]。因此胎面花紋橡膠材料是否使用白炭黑作為補強劑對輪胎滾阻有著重要的影響。

5 總結

不同花紋形式的輪胎燃油經濟性不同。市場上的塊狀及橫向花紋輪胎通常使用的路況為礦區，山區等路面較差的環境，注重輪胎的驅動力、花紋強度和耐磨性等指標，對燃油經濟性要求較低，因此在整車對燃油經濟性有要求的車型可以優先選擇縱向花紋輪胎，若縱向花紋提供的驅動力或制動力不滿足要求，可以選擇性能均衡的混合花紋。

[1] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 何燕,張忠富.輪胎滾動阻力影響因素及其測試方法[J].輪胎工業, 2004,24(4):1006-8171.

[3] 董自龍.子午線輪胎結構設計參數對滾動阻力影響的研究[D].鎮江:江蘇大學,2014.

Effect of tread pattern on fuel economy of commercial vehicle

Xiao Lei, Lu Yao, Zhang Jiachen, Zhao Pengchang, Qian Zhifu

( Technology Center of Shaanxi Automobile Holding Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

as the only contact element between the vehicle and the ground, the tire state is a key part of the overall performance.The tire pattern has certain influence on the power performance, handling stability, vehicle comfort and fuel economy.the influence of tire pattern on fuel economy is mainly reflected in the influence on tire rolling resistance coefficient. It is of great significance to clarify the relationship between tire pattern and fuel economy for tire selection.

Tyre pattern; Rolling resistance coefficient; Fuel economy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.061

U463.341

A

1671-7988(2021)03-194-02

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肖磊，就職于陜西汽車控股集團有限責任公司技術中心。