轮胎滚动阻力影响因素及测试方法研究

韩福涛　苏　杰　刘晓民　邢　力　毛成涛　黄蒲史　松　杰　满忠雷　张少岩

（山东出入境检验检疫局山东青岛266061）

轮胎滚动阻力影响因素及测试方法研究

韩福涛苏杰刘晓民邢力毛成涛黄蒲史松杰满忠雷张少岩

（山东出入境检验检疫局山东青岛266061）

为有效应对国外技术壁垒，对轮胎滚动阻力产生机理、影响因素和测试方法进行了研究。分析了轮胎滚动阻力的产生机理，研究了轮胎材料特性、结构、生产工艺和使用条件对轮胎滚动阻力的影响；分析了室外道路试验法、半经验法与经验法、间接法和室内台架试验法等4类滚动阻力测试方法，阐明了室内台架试验法是轮胎产品滚动阻力质量性能评价的合适方法。

轮胎；滚动阻力；影响因素；测试方法

1　前言

轮胎是我国重要的大宗出口商品。近年来，随着世界各国环保意识的增强，轮胎生产领域加大了节油环保绿色轮胎的研发力度。由于车辆运行所需能量由燃油燃烧提供，降低轮胎滚动阻力就会节省燃油消耗，减少温室气体排放，可有效提高汽车燃油经济性，保护环境。子午线轮胎滚动阻力降低10%，轿车和轻型载重汽车可节约燃料约1.2%，载重汽车可节约燃料约3.9%［1，2］。因此，低滚动阻力轮胎的研发成为人们关注的热点。欧盟近年来陆续公布了EC1222/2009、EC661/2009等技术法规，要求2012年11月1日以后所有欧盟范围内销售的轮胎必须标注轮胎滚动阻力等关键指标，并提出了分级和限值要求；美国也推出了低滚动阻力轮胎的SmartWay认证要求。欧美是我国轮胎主要出口市场，上述法规对我国轮胎出口产生了巨大影响和冲击。

为有效应对上述技术壁垒，本项目系统研究了轮胎滚动阻力的产生机理，分析了轮胎材料特性、结构、生产工艺和使用条件对轮胎滚动阻力的影响，阐述了室外道路试验法、半经验法与经验法、间接法和室内台架试验法等4类滚动阻力测试方法。

2　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［3］。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。

3　影响因素

轮胎滚动阻力影响因素主要包括轮胎材料特性、轮胎结构、加工工艺、轮胎使用条件（气压、负荷、行驶速度、路面状况等）等几个方面。

3.1轮胎材料特性

3.1.1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%［4］。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［5，6］。

3.1.2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［7］。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［7，8］。

3.13骨架材料

骨架材料的滞后损失对轮胎的滚动阻力影响很大。同规格轮胎使用不同的帘线材料，其滚动阻力有明显差异［9］。目前，用作轮胎骨架材料的帘线主要有钢丝、芳纶、聚醋、人造丝和锦纶等。应用高强度钢丝和新型高性能纤维作骨架材料是降低轮胎滚动阻力的有效方法之一。钢丝的滞后损失较低是半钢和全钢子午线轮胎的滚动阻力低于相应规格斜交轮胎的原因之一。轿车子午线轮胎胎体帘线多采用尼龙和聚醋帘线，聚醋帘线因强度大，高温下变形小，滞后损失明显低于普通帘线［10］。

3.2轮胎结构

结构因素对滚动阻力影响并非完全独立作用，而是相互影响，需综合考虑各项因素和材料配置。

3.2.1断面高宽比

高宽比对滚动阻力的影响比较复杂。对于扁平率较大的子午线轮胎其滚动阻力显著低于斜交轮胎。降低断面高宽比即扁平化有利于提高轮胎的径向刚性，能减小轮胎变形，有利于降低滞后损失，从而降低滚动阻力。但也有研究认为，在不同结构的轮胎中，轮胎高宽比对轮胎滚动阻力的影响有所差异［1］。

3.2.2带束层和帘布层

减小带束层帘线的角度，可增大胎面刚性，减小轮胎周向变形，使轮胎具有较大的滚动半径，降低胎面胶滞后损失以及在地面上的滑移，从而降低轮胎滚动阻力。子午线轮胎的胎体帘布层层数少，胎侧中下部位较软，为提高下胎侧刚度，减小胎圈处的变形、降低滚动能量损失，胎体帘布层的反包高度应很大。

3.2.3胎圈结构

胎圈材料多且结构复杂，对滚动阻力影响较大。应采用由下向上刚度逐渐变小的原则，使应力、应变合理分配，降低轮胎滚动能量损失。钢丝圈采用更接近于圆形的六边形结构可能有利于降低轮胎滚动阻力［11］。

3.2.4胎面结构

胎面花纹设计对滚动阻力影响较大。一般情况下纵向花纹比横向花纹具有更低的滚动阻力，但无论是纵向花纹还是横向花纹，花纹沟条数增加，滚动阻力随之增大［11］。胎面花纹沟细而浅可增大胎面刚性，降低滚动阻力，故胎面磨损后的旧轮胎滚动能量损失比新轮胎小［1］。

3.3生产工艺

轮胎胶料采用两段法混炼工艺，即第一段先将所有炭黑与一部分生胶进行混炼，第二段将一段母炼胶与剩余的生胶进行混炼，可以降低轮胎滚动阻力，且不损害轮胎的牵引性能和耐磨性能。通过设定改变混炼程序可以使炭黑分散得更为均匀，有利于降低胶料的滞后损失，从而降低滚动阻力。降低轮胎的硫化外温，有利于降低轮胎的滚动阻力，但需要更长的硫化时间，降低了生产效率。

3.4使用条件

3.4.1充气压力

增加充气压力将降低滚动阻力，但减少的程度因轮胎负荷不同而异。随着充气压力的增大，轮胎胎体帘线张紧，轮胎刚度增大，滚动过程中在相同的负荷下下沉量降低，其整体变形减小，由此产生的滞后损失减小，从而降低了滚动阻力［12］。

3.4.2轮胎负荷

滚动阻力与轮胎负荷成正比，因此轮胎滚动阻力系数（轮胎滚动阻力与轮胎负荷的比值）可以用来表征不同规格轮胎的滚动阻力性能。研究表明，滚动阻力随轮胎负荷的增大而增大，当达到一定的负荷后，负荷继续增大，滚动阻力的变化量减小。

3.4.3轮胎速度

速度对滚动阻力的影响较为复杂。当轮胎开始转动时，滚动阻力较高；随着轮胎速度的提高，轮胎温度逐渐达到平衡，使轮胎滚动阻力降低，但轮胎速度继续增加到产生驻波现象时，轮胎的滚动阻力将显著增加。同时，轮胎速度对滚动阻力的影响程度还受轮胎带束层、高宽比等轮胎结构和轮胎负荷的影响。

3.4.4其他使用条件

环境温度、路面材料和粗糙度、道路曲率、轮胎侧滑等使用条件均对轮胎滚动阻力有所影响［9，12，13］。轮胎的使用环境温度高，将使轮胎达到较高的平衡温度，滚动阻力略有降低。路面材料轻度影响滚动阻力，路面越粗糙，轮胎的滚动阻力越大。曲率半径越小，轮胎的变形越大，因而产生的轮胎滚动阻力越大。

4　测试方法

目前国内外轮胎滚动阻力测试方法主要有室外道路试验法、经验法与半经验法、间接法和室内台架试验法等4类。

4.1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［14］。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。

4.2半经验法与经验法

4.2.1半经验法

美国SAE J1263-1996提出的轮胎滚动阻力系数公式为式（1）：

式中：f0为不随速度变化的滚动阻力系数，对于良好沥青或混凝土路面取0.014，卵石路面取0.025，砂石路面取0.020；fv为速度对滚动阻力的影响系数。由试验数据拟合出影响系数后就可以利用上述公式求出不同速度下的轮胎滚动阻力系数和滚动阻力［7］。

4.2.2经验法

对于轿车轮胎，在良好的硬路面上的滚动阻力系数fr的经验公式［7，15］为式（2）或式（3）：

当v＜50km/h时，取fr=0.0165。

对于载重汽车轮胎，在良好的硬路面上的滚动阻力系数fr的经验公式［16］为式（4）：

上述经验和半经验公式中由于未考虑轮胎负荷、充气压力和轮胎结构、规格等因素的影响，因此计算结果与轮胎的实际滚动阻力数值之间有较大的误差。

4.3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［17］。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。

4.4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［18，19］。

单辊筒转鼓试验台（图1）测量轮胎滚动阻力应用比较广泛，转鼓直径一般有1.7m和2m等，转鼓半径越大，模拟平路面效果越好［20］。该类试验台按测量轮胎滚动阻力的方法和原理可分为测力法、扭矩法、功率法和减速度法等4种。轮胎转鼓试验台能够较好地控制试验条件，试验结果较为精确，但以圆形转鼓模拟轮胎行驶条件，与实际使用条件相比还是有一定差异［21］。

目前，国际上已发布单辊筒转鼓试验台在室内稳态条件下测量滚动阻力的试验方法，如国际标准化组织ISO18164：2005、美国汽车工程师协会SAE J1269：2006、SAE J2452：1999标准等，不能满足检测数据直接比较的要求，不宜作为轮胎滚动阻力性能分级和限值的评价方法。为此，国际标准化组织发布了ISO28580：2009标准，建立了不同设备间试验数据的校正程序，可满足试验数据直接比对的要求，因此可作为轮胎滚动阻力性能评价的测试方法。欧盟ECE R117法规规定的测试方法与此方法基本一致，只是在试验结果的校正程序上略有不同。

5　结语

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。现有的主要测试方法有室外道路试验法、经验法与半经验法、间接法和室内台架试验法等4类，其中室内台架试验法具有试验条件可控、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，可作为轮胎产品滚动阻力性能评价的主要测试方法。

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Study on the Influence Factors and Testing Methods of Tire Rolling Resistance

HAN Futao，SU Jie，LIU Xiaom in，XING Li，MAO Chengtao，HUANG Pu，SHI Songjie，MAN Zhonglei，ZHANG Shaoyan
（Shandong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Qingdao，Shandong，266061）

In response to foreign technical barriers，the mechanism，influence factors and test methods of tire rolling resistance are studied in this paper.The mechanism of tire rolling resistance is analyzed.The effects of tire material properties，structure，production process and service conditions on the rolling resistance of tire are studied.Four kinds of rolling resistance testing methods，such as outdoor road test method，semi empirical method，empirical method，indirect method and indoor bench test method，are analyzed.Indoor bench test method is the suitable method for the evaluation of rolling resistance of tire products.

Tyre；Rolling Resistance；Influence Factors；Testing Methods

TQ336.1

E-mail：15965556649@163.com

山东出入境检验检疫局科技计划项目（SK201336）

2015-09-09