轮胎滚阻与汽车油耗的试验研究

任军锋

(北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，北京 101400)

轮胎滚阻与汽车油耗的试验研究

任军锋

(北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心，北京 101400)

说明影响汽车燃油经济性的各种因素；通过试验对比分析，重点分析轮胎滚动阻力对汽车燃油消耗的影响；并介绍了降低轮胎滚动阻力的措施。

燃油消耗；滚动阻力；试验研究

0　引言

汽车工业的快速发展给环境带来了巨大的压力，节约燃油、保护环境已经引起各国政府、汽车制造商及汽车用户的重视。影响汽车燃油油耗的因素很多，其中包括轮胎的滚动阻力，具体分布见表1。

表1　轿车汽车燃油消耗组成

因为滚动阻力的原因，轮胎所造成的燃油消耗量约占整个轿车燃油消耗的20%，在卡车中，则约占1/3。

1　轮胎滚动阻力对燃油的消耗

轮胎对汽车燃油能量的消耗主要表现在滚动阻力，在不同的路况下轮胎滚动阻力各不相同。轮胎的滚动阻力可以从以下几个方面来解释：

1.1轮胎滚动阻力的定义

滚动阻力是指每单位距离所消耗掉的能量，相当于所有相切于测试面以及平行于轮胎平面的接触力的标量总和。滚动阻力的单位是J/m或者简单表示为N，但从概念上来说滚动阻力被理解为单位行驶距离的能量损失比单纯地理解为力更准确一些。

1.2滚动阻力的主要来源和表现

滚动阻力主要来源是车轮滚动时与路面接触区域发生变形，此时由于轮胎的内部(主要是胎面中部和胎侧部)摩擦产生弹性迟滞损失，使得轮胎变形时所做的功不能全部收回，而以热量的形式损失。

轮胎滚动阻力主要表现在空气阻力、轮胎变形与惯性带来的迟滞损失和摩擦阻力3个方面。其中空气阻力占0～15%，轮胎迟滞损失占80%～90%，摩擦阻力不大于5%。可见轮胎滚动阻力最主要的构成是轮胎本身的变形和惯性带来的能量消耗。

1.3滚动阻力对燃油的影响

据统计：公路型汽车轮胎滚阻消耗的燃料占总燃料的百分比是：轿车8%～20%，即每100 L的燃油中，有8～20 L消耗于轮胎的能量损失；卡车25%～35%，即每100 L的燃油中，有25～35 L消耗于轮胎的能量损失。

为了更好地理解滚动阻力对燃油经济性的影响，1988年Schuring提出了回报率因素(回系数α)的概念(也被叫作能量比或能源利用率)：

式中：a1为能量在燃烧消耗中的减少百分比；a2为能量在滚动阻力中的减少百分比。

对乘用车和轻卡，回系数一般处于(1∶10)～(2∶10)之间。这说明滚动阻力10%的降低会形成燃油经济性1%～2%的改善；对于重卡，回系数更高，一般在(1∶10)～(3∶10)范围内，故而可以看出卡车的节油可能性比乘用车高[1]。

2　滚动阻力与燃油消耗试验分析

2.1CAE分析计算

建立CAE计算模型，根据车型参数进行分析计算。表2 为某种车型在80 km/h下的等速油耗，可以看出：在80 km/h的车速下，轮胎滚动阻力降低10%，燃油经济性得到4.9%～5.9%的改善。

表2　某种车型80 km/h等速油耗

2.2试验验证

2.2.1试验策划

为了验证滚动阻力对燃油的影响，选取了3家轮胎供应商同规格型号的轮胎进行试验。整个试验分3个阶段进行：

(1)检测轮胎的滚动阻力系数。利用台架进行检测。

(2)检测滑行阻力。利用整车试验检测安装不同轮胎时的滑行阻力。

(3)检测油耗。利用转鼓试验台进行等速油耗检测，将每种轮胎的滑行阻力输入转鼓试验台，其他参数保持一致。具体试验策划见表3。

表3　滚动阻力与燃油消耗试验策划表

注：转鼓试验车速分别是 80 km/h。

2.2.2试验结果与数据

根据试验策划方案，分别测得各种轮胎的滚动阻力系数及对应的燃油消耗，具体见表4。

表4　滚动阻力系数与燃油消耗

2.2.3试验总结

CAE分析计算结果和试验测得燃油消耗基本一致，从而得出降低轮胎滚动阻力可以有效地提升燃油经济性。验证中的轮胎滚动阻力降低约25%，燃油消耗降低约15%。以典型卡车为例(6轮)：每年行驶100 000 km，百公里油耗为35 L，则每年的油耗为35 000 L，通过降低轮胎滚动阻力，每年可节省燃油5 250 L；每升燃油按6元计算，一年可节约成本31 500元。

3　降低轮胎滚动阻力的措施

降低轮胎的滚动阻力可以有效节约汽车燃油。为了达到节约燃油的目的，采取以下几种措施可以减小轮胎的滚动阻力。

3.1采用子午线结构的轮胎

子午线轮胎帘布层帘线排列的方向与轮胎的子午断面一致，帘布层数一般比普通斜交轮胎减少40%～50%，成辐射状，胎侧部分柔软，胎面内侧有带束层，从而提高了外胎面的刚度。由于胎面刚性大，而胎侧部分柔软，使其强度得到充分利用。轮胎在滚动过程中，胎侧变形较大，胎面变形较小，轮胎不断发生加载压缩与卸载恢复，两者变形量的差值较小，所以子午线轮胎弹性迟滞损失小，附着性能好，胎面滑移小，对地单位压力也小，滚动阻力矩较小，燃油经济性就好[2]。见图1、图2。

3.2适当提高轮胎气压

较高的轮胎气压减小了轮胎曲挠和层间剪切变形，从而降低轮胎的滚动阻力，节约燃油。如果轮胎气压过高，接地面积减小，轮胎中部会出现异常磨损。

3.3优化轮胎结构

通过优化胎面花纹形状、花纹深度、轮胎接地面积及带束层布置方式等措施可以有效降低轮胎的滚动阻力，达到节约燃油的目的。如米其林的X-one型轮胎，带束层采用沿轮胎圆周0角度缠绕无接头技术，可以降低燃油消耗10%左右。图3 是两个卡车轮胎在相同的负荷及充气压力下运转时，利用红外线照相机拍摄到的图片，说明不同的胶料配方和胎面花纹所产生的热量不同，影响轮胎的滚动阻力。

3.4改变轮胎胎面胶料配方

硅胶技术在胎面胶料配方中的成功应用，有效地降低了轮胎滚动阻力，与普通的炭黑轮胎相比，滚动阻力最大可以降低15%，相应可节约燃油2%～3%。

4　未来汽车轮胎的发展方向

4.1绿色轮胎成为主流(子午线化)

绿色轮胎是指由于应用新材质和设计，而导致滚动阻力小，因而耗油低、废气排放少的子午线轮胎。

北京化工大学弹性体中心在和北京首创轮胎有限责任公司的合作下，成功研制出了3个规格的碳纳米管复合材料高性能节油轮胎。北京化工大学弹性体中心通过与首创轮胎的合作，成功地将碳纳米管复合材料应用到了绿色节油轮胎的胎面胶中去，生产出了节油性能优异的3种规格的碳纳米管复合材料高性能节油轮胎，新的节油轮胎标对比以往的炭黑轮胎可实现节油5%。

绿色轮胎具有以下技术特点：

(1)采用新材质(如硅化合物)配方，降低了滚动阻力和能量损耗；

(2)胎面纵向加强筋确保湿路性能，实现接地压力均一化，提高制动性；

(3)通过断面形状的优化设计，确保刚性最佳化，改善滚动阻力。

4.2新一代宽断面轮胎(扁平化)

在载重子午轮胎方面，重点发展无内胎、扁平化载重胎。目前，大型载重货车已向一条宽断面轮胎取代两条普通轮胎的方向发展。

4.3无内胎化

无内胎子午线轮胎现已广泛应用轿车、载重汽车、公共汽车及特种车轮上，与普通轮胎相比具有以下优点：

(1)外胎兼内胎、简化了胎体结构、减轻了轮胎质量，有利于车辆轻量化发展；

(2)降低了轮胎的滚动阻力和轮胎的温升；

(3)与普通轮胎相比，制动距离短、散热快、抗刺穿、安全性好；

(4)坚固耐用、维修方便[3]。

5　总结

轮胎滚动阻力是影响汽车燃油消耗的重要因素之一，通过胎面胶料配方调整、轮胎结构优化设计等方法可以有效降低轮胎滚动阻力，达到节约燃油的目的。通过试验分析可以得出，商用载货汽车轮胎滚动阻力降低10%，可以节约燃油5%～6%。随着新材料的应用及新技术发展，将会开发出更小滚动阻力的轮胎，以改善车轮运动性能和燃油经济性，进而为环境保护做出贡献。

【1】刘琦，陈强，杨建国.轮胎滚动阻力对整车燃油经济性的影响[J].汽车零部件，2011(8):77-80.

【2】陈强明.轮胎滚动阻力与汽车燃油经济性的关系[J].兰州交通大学学报，2006，25(1):46.

【3】杨敏.我国汽车轮胎市场的发展趋势[J].汽车情报,2003(25):19-21.

【4】庄继德.现代汽车轮胎技术[M].北京：北京理工大学出版社,2001.

Experimental Study on Tire Rolling Resistance and Fuel Consumption

REN Junfeng

(R & D Center,Beijing Foton Daimler Automotive Co., Ltd.,Beijing 101400,China)

The various factors affecting vehicle fuel economy were described. Through experiment contrast analysis, the influence of tire rolling resistance on the fuel consumption was focused on. Some methods to reduce rolling resistance were introduced.

Fuel consumption; Rolling resistance; Testing study

2015-06-25

任军锋(1979—)，男，工程师，研究方向为车辆底盘系统检测与评价。E-mail:renjunfeng1727@sina.com。