影响轮胎滚动阻力的因素分析

Analysis on the Factors Affecting Tire Rolling Resistance

罗　俊

(景德镇陶瓷学院机电工程学院，江西 景德镇　333403)

影响轮胎滚动阻力的因素分析

Analysis on the Factors Affecting Tire Rolling Resistance

罗俊

(景德镇陶瓷学院机电工程学院，江西 景德镇333403)

摘要：轮胎滚动阻力的大小会影响到汽车的动力性和燃油经济性，而轮辋直径和轮胎高宽比、轮胎表面材料、轮胎气压和负荷、车速对轮胎的滚动阻力又有较大影响。在查询和研究了近10年来有关轮胎滚动阻力影响因素方面的文献以及国际品牌公司最新研究成果的基础上，结合台式试验与实际路面状况分析，归纳总结出轮胎滚动阻力各种影响因素的相互联系，从而评定轮胎滚动阻力。

关键词：轮胎滚动阻力台式试验实际路面影响因素胎面胶胎体帘线轮胎结构

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

人类生存活动对环境的影响已引起特别关注，减少燃油的消耗、降低机动车尾气排放是减少二氧化碳排放量、防止全球变暖以及保护人类生存环境的重要举措。而轮胎滚动阻力与汽车能量的消耗又是密切相关的。据相关数据显示，机动车约有3.5 %~6.6% 的燃油消耗是用于克服轮胎的正常滚动阻力，而对装有子午线轮胎的机动车载重后约有12.5%~16.5%的燃料消耗都是用于克服轮胎的滚动阻力。当滚动阻力降至10%左右时，机动车将会节省燃油约1.2%[1-2]。所以滚动阻力是轮胎的一个极为重要的特性，对此种特性的研究对轮胎工业乃至整个汽车工业均有较为深远的影响意义。

大量的道路试验已经表明，轮胎滚动阻力并非定值，而是随行驶条件变化的变量。因此，滚动阻力的准确度将会直接影响到汽车动力性检测的准确性，从而影响汽车技术等级的评定结果的可信度[3-4]。所以准确地分析和测量轮胎的滚动阻力十分重要。

目前，国内外针对滚动阻力产生的原因，大致提出了影响滚动阻力的几个主要因素：轮胎表面材料、轮辋直径和轮胎高宽比、轮胎气压和负荷、车速、轮胎花纹[5-6]。本文除了简单阐述现行的各个影响因素如何影响滚动阻力之外，还会综合考虑路试与台式试验的差异性，并对这些影响因素进行分析比较，以期为滚动阻力的准确测量提供可靠的参考。

1轮胎表面材料的影响

1.1　胎面胶的影响

胎面胶的材质对滚动阻力的大小影响较大，一般情况下胎面与地面所产生的接触阻力约占轮胎滚动阻力的50%。因此，对轮胎滚动阻力分析的重点要放在胎面胶的材质进行研究。胎面胶主要由填充剂、油、SR 、NR、硫化剂和其他辅助剂组成，不同材料对轮胎的滚动阻力影响程度大小不同。罗怀和等人通过采用载重轮胎胎面胶为试验对象在固定影响因素的前提下，分别对生胶体系、补强体系和硫化体系进行了一系列试验。结果如下。

① 在固定负荷条件下，不同胶种的胎面胶滚动阻力的大小为fBR

② NR与BR或SBR在用生胶体系时对降低滚动阻力效果显著。

③ 如果油的含量增加，轮胎滚动阻力会相应地减小。同时滚动阻力随配方中炭黑用量的增加而增大，但并非无限制而是存在一个平衡点。

④ 增加硫化体系的用量可增大滚动阻力[7-9]。

1.2　胎体帘线的影响

不管是国内还是国外，现如今多采用尼龙和聚酯帘线作为子午线轮胎的胎体帘线。而在轿车子午线轮胎中大多使用人造丝作为其胎体帘线。考虑到人造丝生产过程会对环境造成极大的影响，因此人造丝作为胎体帘线的使用逐渐不被使用，取而代之的是聚酯帘线。聚酯帘线的出现，特别是那种高模量、低收缩的聚酯帘线，因为它的强度大，耐高温，故其弹性迟滞损失相对普通帘线来说显著降低，因此在轮胎工业中被广泛应用。当然，如要进一步降低阻力，还可将芳纶以及玻璃纤维等相关材料加入胎体带束层中。吴桂忠等[10-11]通过测定出当速度为80 km/h，普通聚酯和芳纶作为胎体材料165/70R13轮胎时，其滚动阻力分别为68 N、65 N和45 N。由数据可见，使用同规格的轮胎但使用不同的胎体材料时，滚动阻力差异性较大。当胎体帘线为芳纶帘线时，轮胎的滚动阻力最小;当胎体帘线为聚酯帘线时，轮胎的滚动阻力比芳纶帘线大,比普通聚酯帘线小。产生的原因：一方面是因为芳纶帘线的强度较高，轮胎的变形量较小，从而使滞后损失较小；另一方面是由于轮胎使用了芳纶帘线后质量较轻，对降低滚动阻力也起到一定效果。

1.3　轮胎结构与阻力的关系

轮胎结构不同，滚动阻力也不相同。子午线轮胎与斜角线轮胎滚动阻力大小比较的示意图如图1所示[12]。

图1　滚动阻力比较示意图

子午线轮胎与斜交线轮胎滚动阻力不同的根本区别在于：斜交线胎的胎体是斜线交叉的帘布层；而子午线胎的胎体是聚合物多层交叉材质，其顶层是数层由钢丝编成的钢带帘布。由于有带束层，子午线轮胎着地后胎冠切向变形及相对滑移比普通斜交线轮胎要小很多，而且子午轮胎胎侧薄，径向变形恢复快。此特性有利于减少轮胎的内磨损，故可有效减小阻力。所以现在大多数乘用车使用子午线轮胎。

2轮胎高宽和轮辋直径比值的影响

断面高宽比与轮胎与地面的接触面积有直接关系，通常轮胎滚动阻力随着轮胎断面高宽比的减小而减小。P. S.Pilla的研究[13]指出了轮胎的滚动阻力F的具体计算公式。试验表明，滚动阻力与轮胎的载荷L、下沉量d、粘弹性V以及印痕尺寸有直接关系。各影响因素可用下面的公式简单表示为：

FR=K(LdVW/a)

(1)

式中:W和a分别为印痕的宽度、面积;K为经验常数。

结果表示,当轮胎的外缘直径相同时，轮胎的滚动阻力也相同，而且滚动阻力的大小不会随着轮胎断面的高宽比变化而变化。试验同时给出了滚动阻力与速度的关系，当轮胎的断面高宽比不变、轮胎的轮辋直径改变时，测试在不同速度时轮胎的滚动阻力。试验表明，在增大轮胎的轮辋直径时，可以减小轮胎的滚动阻力，但随着速度的不断增大，这种差别越来越小。产生这种情况的原因是在增大轮辋直径时，垂直负荷基本不变而轮胎的变形会相对降低，从而使轮胎的迟滞损失减小，继而达到减小轮胎滚动阻力的目的。

3轮胎气压和负荷的影响

在汽车行驶过程中，轮胎的下沉量是影响轮胎滚动阻力又一重要因素，而轮胎的垂直负荷和轮胎的充气压力又直接影响到轮胎的下沉量，所以分析轮胎下沉量的影响即分析轮胎气压和负荷的影响。轮胎下沉量随着轮胎负荷的增大而增大，轮胎滚动阻力随着下沉量的增大而增大，在相同的负荷下轮胎的充气压力增大，滚动阻力会相对减小。气体种类对轮胎内腔的气体温度和轮胎滚动阻力的影响：当充气压力从260kPa降到165kPa时，轮胎内腔气体温度从36.7 ℃上升到41.0 ℃，且变化趋势呈线性升高。当使用氮气充气时,气体温度并无变化。

由此可知，在充气压力损失量相同时，滚动阻力的大小变化也基本相同。因此，滚动阻力的大小主要受充气压力的影响，而不受充气气体种类的影响[14]。由于轮胎滚动阻力相对垂直载荷来说很小且很难测量(约占1%～2%)，因此对测量精度的要求较高。基于汽车轮胎滚动阻力测量的国际标准(ISO/DIS8767)，并依靠相关的计算方法可以获取高精度的数据[15-16]。由结果可知，滚动阻力大小随气压的升高而减小，而随载荷的增大而增大。

4速度的影响

汽车行驶速度对轮胎滚动阻力的影响相对来说比较复杂，因为速度的变化会影响其他影响因素的改变。当汽车在中低速度下行驶时，轮胎滚动阻力基本不受车速的影响；当行驶速度逐渐增大时，轮胎的下沉量会减小，损耗因子(损耗因子是粘弹性材料的重要参数之一是指在正弦交变拉伸应力作用下应变滞后于应力的相位角的正切值[17-18])也伴随着减小，继而使轮胎的滚动阻力减小。但在轮胎处于较低的滚动速度时，这两种变化趋势基本上可以相互抵消而不会对滚动阻力产生较大的影响。而当轮胎滚动速度持续增大至临界旋转转速时，会出现驻波现象，驻波的产生会使汽车轮胎的损耗因子呈跳跃式增大，从而使轮胎滚动阻力急剧变大。马改陵等人[19]又指出行驶速度对轮胎滚动阻力的影响程度同时还受到轮胎的高宽比和负荷的影响。滚动阻力、速度及负荷率三者之间的关系图如图2所示。图2中，1、2、3、4表示负荷率分别为60%、80%、100%、120%。

图2　滚动阻力、速度及负荷率三者之间的关系

5轮胎花纹的影响

常见的几种轮胎花纹如图3所示。

图3　常见的轮胎花纹

轮胎与路面的接触主要是指轮胎胎面花纹与路面的接触。所以轮胎胎面花纹对滚动阻力的影响也不可忽视，轮胎胎面花纹与路面作用的机理极其复杂，许多问题至今尚未能得到清晰解答，故在此只做简单分析。

张彦辉等[20]对轮胎胎面花纹对胎面单元附着性能影响做过研究，研究发现，在选取的几种胎面花纹中，交叉花纹对胎面滚动阻力的影响最为明显。

6台式试验与路试之间的关联性

通过分析比较台试与路试时轮胎滚动阻力的关联性，有助于帮助认清两者的相关性，从而为建立两者的关联性模型奠定基础。先分析台试与路试的变形图，如图4所示。图4中，Rs为轮胎自由滚动半径；W为车轮法向载荷；l为轮胎接触面的长度；δ为轮胎形变量；L为滚筒中心线的间距；rs为滚筒半径；δd为轮胎在滚筒上的形变量；θd为轮胎中心和轮胎与滚筒接触面间的夹角；φd为滚筒中心和轮胎与滚筒接触面间的夹角。

图4　轮胎台试与路试实验图

由图4可知，在建立台试与路试轮胎滚动阻力关联性模型时，可以从以下两方面进行分析。针对两种试验的滚动阻力影响规律相同的因素时，可以直接选用台式试验的研究结果(滚动阻力模型)作为路试滚动阻力的值直接使用;而针对影响规律不相同的因素时，只需找出两者之间存在的差异量，然后对台试滚动阻力进行补偿。关联性模型可表述为：

RRroad=ηrRRroller

(2)

式中：RRroad为单个轮胎在道路上行驶时的滚动阻力；RRroller为单个轮胎在滚筒上的滚动阻力；ηr为滚动阻力关联性因子[21-23]。

为了便于理解，可作如下假设：汽车在平直干燥沥青路面上行驶，而且不考虑环境温度对轮胎的影响，即使车轮轮胎处在相同车速、胎压、轴荷条件下进行测试。

由上述假设可知，影响台试和路试轮胎滚动阻力的主要因素有:支承面材质、支承面曲率以及空气流动状态。轮胎的变形主要是受支撑面曲率的影响；而材质与空气流动状态将对轮胎和外界热交换产生影响，从而使轮胎热平衡状态下的温升不同。

由上述假设可知，影响台试和路试轮胎滚动阻力的主要因素有:支承面材质、支承面曲率以及空气流动状态。轮胎的变形主要是受支撑面曲率的影响；而材质与空气流动状态将对轮胎和外界热交换产生影响，从而使轮胎热平衡状态下的温升不同。

7结束语

通过上面的研究分析可知，影响轮胎滚动阻力的因素很多，所以对滚动阻力的测量是一项高精度的试验，试验的每个步骤都必须认真操作。通过对轮胎滚动阻力测量的试验数据及结果处理，可以为深入分析轮胎滚动阻力的产生机理以及建立轮胎滚动阻力力学模型等提供研究基础，同时也可应用于轮胎力学试验模态分析以及汽车动力学分析与建模。

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中图分类号：TP202

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502018

修改稿收到日期：2014-08-04。

作者罗俊(1983-)，男，现为景德镇陶瓷学院材料工程专业在读硕士研究生；主要从事自动化专业相关的研究。