轮胎滚动阻力测试方法研究

陈绪飞 徐艳林

通力轮胎有限公司

轮胎滚动阻力测试方法研究

陈绪飞 徐艳林

通力轮胎有限公司

为了提高汽车的燃油经济性，最大限度地降低汽车行驶过程中的滚动阻力，选取不同规格的轮胎采用控制变量法进行速度、充气压力以及负荷对滚动阻力影响的试验。通过对试验数的分析表明，滚动阻力随汽车行驶速度的提高呈现先减小后增大的变化趋势，在整个速度范围内存在最佳行驶速度。随着充气压力的增加，滚动阻力逐渐减小，为提高整车的燃油经济性，可适当增大轮胎的充气压力。随着负荷的加大，滚动阻力呈现近似线性的增长趋势，但滚动阻力系数基本保持不变。因此，在获得同等精度的滚动阻力系数前提下，可以降低轮胎的试验负荷以达到节约试验成本的目的。

轮胎；滚动阻力；影响因素；测试方法

随着全球能源危机的影响以及人们环保意识的增强，绿色环保和节能减排已成为各大厂商设计和制造轮胎的主流方向。滚动阻力指轮胎行驶单位距离消耗的能量，是汽车性能的重要指标之一，因该指标能够直接影响整车燃油的经济性而受到越来越广泛的关注。

1 轮胎滚动阻力产生机理

轮胎主要由橡胶及橡胶复合材料构成，在轮胎滚动过程中，受到循环变化的应力应变导致能量损耗，形成轮胎滚动阻力。

轮胎滚动阻力主要包括轮胎滚动时周期性变形中克服粘弹性橡胶材料的应变滞后所消耗的内摩擦功、轮胎与路面接触消耗的外摩擦功、轮胎滚动时受到空气阻力所消耗的功以及轮胎花纹块拍击路面发声消耗的能量等。在中等行驶速度条件下，轮胎内摩擦产生的能量消耗占轮胎总能量消耗的80%以上。因此，降低轮胎滚动阻力主要是指降低轮胎材料的内摩擦阻力。

2 影响因素

2.1 轮胎材料特性

2.1.1 胎面材料

胎面胶是影响轮胎滚动阻力的关键部件，这基于胎面胶所在的部位和用量。轮胎材料滞后损失主要集中于胎冠部位。轮胎滚动时胎面胶、胎圈包布、三角胶、带束层、内衬层、胎侧、帘布层和基部胶所占轮胎能耗的比例分别为39%、14%、13%、8%、8%、7%、6%和5%。材料滞后损失消耗的能量占轮胎总能量损耗的90%-95%，配方中所有配合组分对滞后损失均有一定影响，但聚合物类型是影响最大的因素。研究表明溶聚丁苯橡胶S-SBR可以有效降低胎面胶的滚动阻力。

2.1.2 配合剂

在胎面胶中使用白炭黑可以在降低轮胎滚动阻力的同时不影响轮胎的抗湿滑性能。与填充普通炭黑的轮胎相比，白炭黑轮胎不仅降低了油耗，而且具有优异的牵引性能。转化炭黑表面具有无数的棱边，其不规则表面将增加胶料的损耗因子tanδ值对温度的依赖性，使胶料的滚动阻力明显降低。

2.2 轮胎气压和负荷

轮胎气压与负荷是轮胎设计过程中的标准参数。它们的选取主要根据汽车的负荷而确定。随着充气压力的增大，轮胎的滚动阻力降低。这是因为气压的增大，实际上增大了轮胎本身的刚度，在轮胎滚动过程中，其整体变形减小，带来了迟滞损失减小，从而降低了轮胎滚动阻力。

2.3 轮胎行驶速度

轮胎的行驶速度对其滚动阻力的影响较复杂，在中低速度下行驶时，对轮胎滚动阻力的影响比较小，行驶速度增大可使轮胎的下沉量和损耗因子减小，从而使轮胎滚动阻力下降。当车速到达某一值以上时滚阻增加较快，车速达到临界值时，滚动阻力迅速增加，此时轮胎产生“驻波”现象，轮胎周缘不再是圆形，而呈明显的波浪状。

2 测试方法

2.1 室外道路试验法

室外道路测试方法有滑行法、牵引法和功率平衡法等。滑行法是当汽车达到预定试验速度后，传动系与发动机及时脱离，借助惯性滑行至停止，使用五轮仪测量记录滑行过程中的速度-时间关系；牵引法是通过装有测力传感器的单轮和双轮试验拖车在各种路面上进行轮胎滚动阻力测量。由于空气阻力影响测量结果，导致测试精度降低，因此滑行法和牵引法不够准确。功率平衡法是基于当汽车稳定行驶时，驱动车轮的输出功率等于滚动阻力、空气阻力、行驶路面坡度阻力以及加速阻力消耗的功率之和的假定，但由于车轮与底盘测功机辊筒之间以及底盘测功机内部等摩擦的影响，并不完全满足功率平衡要求，因此也存在一定的测量误差。

室外道路试验法能够比较真实地模拟轮胎运行环境，但是地面温度、路面状况以及磨耗等外部条件变化的制约使得此类测试方法不易标准化。

2.2 间接法

间接法即不直接测量轮胎的滚动阻力，而是测量轮胎胶料的tanδ，因为滚动阻力主要是由胶料的滞后损失所引起，而tanδ则是表征轮胎胶料滞后损失的重要参数，它与轮胎的滚动阻力成正比。胶料的tanδ越小，轮胎的滚动阻力值越低。tanδ与轮胎所用材料的性能有关，改善轮胎用材料，可降低tanδ。目前，可按照ASTMD2231-1994标准方法使用动态模量仪设备来测量tanδ。间接法只能通过间接测量tanδ对滚动阻力进行定性测量。

2.3 室内台架试验法

室内台架试验具有试验条件可控、试验结果可比性好、不受环境条件限制、试验安全可靠和试验周期短等优点。室内试验台架主要有双辊筒试验台和单辊筒转鼓试验台。

双辊筒试验台一般指双辊筒式底盘测功机，通常采用反拖法和滑行法测试滚动阻力。反拖法是用测功机的动力装置驱动主动辊筒，再由辊筒驱动被测车轮旋转；滑行法是借助测功机系统的惯性运动通过辊筒带动车轮转动。双辊筒上测定的轮胎滚动阻力大于车轮单点支承在硬路面或大直径单辊筒上的轮胎滚动阻力，因此精确的轮胎滚动阻力测量适宜在大直径单辊筒转鼓试验台上进行。

3 结论

由于滚动阻力影响因素多且影响复杂，精确测量轮胎滚动阻力需要高精度的试验设备，而且试验条件和试验环境等均须严格遵循相关技术要求，因此轮胎滚动阻力的测量十分困难。(1)通过对不同速度下滚动阻力试验数据的分析验证了汽车在标示出驶速度下行驶具有最好的燃油经济性。(2)通过对不同负荷率下滚动阻力试验数据的分析可以知道，降低国标中规定的负荷，滚动阻力系数几乎不受影响，可以降低轮胎滚动阻力试验的成本。

[1] 王登祥.轮胎滚动阻力文献评述[J].轮胎工业，1997，17(12)：707-712.

[2] 张绍国 高峰 杭柏林 李萌.汽车轮胎滚动阻力试验机测试方法分析[J].轮胎工业，2012，12(3)：131-134.