浅谈如何降低轮胎的滚动阻力

郁镇寅

摘 要：随着环境保护和能源节约意识的增强，全球各个国家和地区越来越重视汽车的节能减排，制定了日益严格的油耗法规，希望敦促汽车制造厂商提升技术，达到节能减排的目的。本文主要就轮胎的设计制造和消费者使用的两个角度进行探讨。

关键词：轮胎：滚动阻力

随着全球汽车保有量的急剧增加，对石油能源的依赖程度在逐渐增加，能源问题和环境问题变得尤为显著。随着环境保护和能源节约意识的增强，全球各个国家和地区越来越重视汽车的节能减排，制定了日益严格的油耗法规，希望敦促汽车制造厂商提升技术，达到节能减排的目的。汽车厂商除了在车辆白重，发动机技术等方面进行改善，也对轮胎制造商提出了更严格的要求，因为轮胎滚动阻力性能对整车油耗的影响非常显著。

汽车在行驶过程中受到的主要力有行驶阻力，驱动力。其中行驶阻力主要包括滚动阻力，空气阻力，内部摩擦力，有坡度时还需克服重力。滚动阻力主要是因为轮胎在行驶过程中与路面接触，因承重所产生的变形会导致组成部件变热，将一部分由发动机传输来的能量损耗。而低滚动阻力轮胎的出现，通过更低的滚动阻力减少所需驱动力，从而降低汽车的油耗。有研究表明，滚动阻力每降低10%，乘用车的燃油经济性能可提高1%～2%。

影响滚动阻力的因素有很多，本文主要就轮胎的设计制造和消费者使用的两个角度进行探讨。

1 轮胎设计制造

轮胎的设计制造，包括结构设计和配方设计两大方面。

1.1 结构设计

1.1.1 轮胎子午化.无内胎化

斜交胎是早期出现的一种轮胎结构，它的优点是胎体坚固、负荷变形小、胎侧不易损伤、转向与制动性能良好等。但同时因为结构所限，斜交胎耐磨性能较差，同时滚动阻力比较高，因此并不能满足快速发展的汽车对轮胎提出的性能要求。子午线轮胎是由法国米其林轮胎公司于1946年4月最先制造出来的，与斜交轮胎相比，子午线轮胎的结构特点是胎体帘线与轮胎径向成Oo角，相邻层的帘线不是相交而是相互平行，胎面与胎体之间有起箍紧作用的带束层。相对斜交輪胎，子午线轮胎具有耐磨、抓着性能好、行驶温度低及使用寿命长等的优点。从全球来看，目前欧美、日本等发达国家轿车轮胎的子午化率已达100%，载重轮胎子午化率也已达90%以上。随着经济发展和汽车产业日益严苛的要求，我国的子午化率也在不断提升，截至2013年轮胎子年化率也已达到8g%。

无内胎轮胎没有内胎，因此轮胎整体质量减轻，滚动阻力降低。试验表明，无内胎轮胎的滚动阻力平均降低10%。另一方面，无内胎轮胎由于其接地压力比较均匀，偏磨现象少，因而可以延长轮胎的使用寿命。对于无内胎轮胎来说，空气只能经由胎体渗漏。当轮胎被扎破后，空气只能从被刺穿的胎孔中泄出，因而漏气较慢，压力并不会急剧下降，这样轮胎在短时间内仍能安全地继续行驶，安全性能更好。目前在我国，有内胎轮胎已经基本退出轿车市场，而卡客车轮胎的无内胎化也在逐步增长。

1.1.2 新型骨架材料

开发高性能新材料，是实现轮胎轻量化非常重要的一个层面。其中钢丝是轮胎中用量最大的骨架材料，也是轮胎轻量化的主力军。可以从两个方面着手，一方面提高钢帘线强度，通过对比可以发现，高强型钢帘线的强度比普通型钢帘线的强度高15%；超高强型钢帘线可以提高25%；极高强型钢帘线可以提高34%。提高钢帘线强度，可以适当减少钢丝用量，减轻轮胎的重量。钢丝制造商Bekaert公布的数据显示，当钢丝帘线强度从普通型提高到高强度型时，轮胎可以减轻2.5kg。另一方面是开发高强度胎圈钢丝，比如采用1.55的强度，每条轮胎可减少0.45kg左右的胎圈钢丝用量，这相当于轮胎重量的4%左右。

此外，很多轮胎公司已尝试将芳纶材料应用于高性能轮胎中，在提高轮胎性能的同时，可使轮胎重量降低1 0%，进一步降低滚动阻力。因此芳纶也是近些年应用增长最快的骨架材料之一。

1.2 配方设计

配方设计主要可以从两方面考虑，一种方式可以采用新材料替代常规材料进行优化.另一种则可使用完全不同的先进高分子材料替代轮胎某个部件来降低重量。

1.2.1 橡胶、填料

过去的轮胎配方主要使用乳聚丁苯橡胶（ E-SBR），镍系顺丁橡胶（NiBR），天然橡胶作为橡胶体系，炭黑作为填料体系。80年代初，日本首先开发出相对分子量可调的溶聚丁苯橡胶（ S-SBR），这种橡胶在微观结构、苯乙烯含量、相对分子质量及其分布以及乙烯基含量等方面都比乳聚丁苯橡胶有更大的变化范围。这种分子特性使其滚动阻力比乳聚丁苯橡胶低，因而已被广泛应用于低滚动阻力轮胎的胎面胶中。另外稀土顺丁橡胶相较于普通镍系顺丁橡胶，具有抗湿滑、低生热及滚动阻力低的特点，近些年也逐渐在低滚阻轮胎的胎面和胎侧被应用。 炭黑多年来一直是橡胶制品的重要补强剂。20世纪90年代初，米其林通过用高分散性白炭黑替代胎面胶中的炭黑创立了低滚动阻力的概念。从此之后，白炭黑被逐渐广泛应用于轮胎行业，是推进低滚动阻力轮胎发展史上的重要功臣。白炭黑作为补强材料，最主要的优点是提高并平衡轮胎的滚动阻力与湿地抓地力[4]。除了可以应用在胎面，白炭黑也被应用于轮胎胎侧来降低滚动阻力。

1.2.2 新型材料的应用

除了在传统材料选择方面可以进行调整外，有一些厂商推出了创新性的材料概念，可以替代传统材料，达到轻量化目的。

美国ExxonMobil公司开发出一种新型热塑性弹性体，商品名为埃驰固的DVA树脂。该树脂由尼龙和Exxpro特种弹性体动态硫化而成，埃驰固动态硫化合金的主要终端应用是替代传统轮胎气密层，它独特的材料特性能够实现优异的渗透性、提高轮胎耐用性并促进轮胎轻量化。目前大部分轿车车胎的卤化丁基橡胶气密层厚约0.8mm，重约lkg。采用新材料替代这一设计，使用吹膜工艺，就像塑料袋一样，制造出的气密层又薄又轻。这种新型气密层可使传统的气密层部件减重近80%，而且在气密性方面表现更佳。利用它可以生产出更轻、更耐用的轮胎，同时更好地保持胎压。

2用户使用

除去生产环节中的轮胎设计等影响因素，在实际使用中，消费者的使用习惯也会对轮胎的滚动阻力产生影响。

2.1 轮胎的选择

选择尺寸和规格符合车辆设计的轮胎。一般来讲，轮胎与地面接触面积越大，摩擦阻力也就愈大，车子行进的动力也就越大。选用更宽的轮胎，增加了接触面，虽然操控性能可以有一定程度的提升，但滚动阻力必然也会增加。所以不能盲目加宽轮胎，要协调好车辆的动力和经济性能。

2.2 保持合适胎压

胎压对于轮胎实际使用中的滚动阻力有着至关重要的影响。因为胎压高低直接决定轮胎的接地面积，也就是接触面的大小。如果轮胎气压不足将导致行驶阻力增加，造成耗油上升。而如果在轮胎气压过高，虽然一定程度上有利于降低油耗，但胎压过高会导致轮胎胎面异常磨损，并且影响行驶安全。确保最佳胎压的几点注意事项，首先要了解适合的胎压，一般胎压提示牌位于司机门门框处或油箱门内；其次必须在轮胎冷却条件下测量胎压，车辆行驶后胎压会因轮胎温度上升而上升；最后应定期检查胎压，保持合适范围。

2.3 使用氮气

轮胎内部结构的老化主要是因为空气之中的氧气与之反应氧化所引起，老化后强度变差甚至出现龟裂现象，这是造成轮胎使用寿命缩短的原因之一。氮气是惰性气体，化学性质极不活泼，分子比氧气分子大，不易热涨冷缩，变形幅度小，其渗透胎壁的速度只有空气的30%～40%[6]。因此可减缓轮胎老化速度低，提高轮胎的保气性能，保持稳定的胎压。从而降低了滚动阻力，达到节油减排的目的。

3 结语

以上分析表明，轮胎的滚动阻力受到多方面因素的影响，在轮胎设计中起决定作用的是轮胎变形产生的滞后损失以及所用材料本身的滞后损失。因此，要降低轮胎的滚动阻力，必须减小轮胎的变形，因此我们要在结构设计上子午化和无内胎化，提高骨架材料的强度。另外，使用S-SBR、Nd-BR、白炭黑等滞后损失小的材料，或者采用新高分子材料替代轮胎某个部件减少重量，也可以降低滚动阻力。同时，消费者在使用中如果可以保持良好的使用习惯，也可以帮助降低轮胎的滚动阻力。