低滚动阻力轮胎

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%。

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。轮胎的设计制造中，可以对其结构和配方两方面进行改进。

结构方面：

（1）无内胎化--无内胎轮胎整体质量减轻，滚动阻力降低，试验表明其滚动阻力平均降低10%；

（2）新型骨架材料--一方面提高钢帘线强度，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2.5 kg。

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0.45 kg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10%，进一步降低滚动阻力。

配方方面：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。

此外，车主选择尺寸和规格符合车辆设计的轮胎、保持合适胎压、充压气体选用化学性质及不活泼的氮气，也有助于降低轮胎的滚动阻力。

本文先介绍一种滚动阻力预测模型，再介绍车速、胎压、载荷和一种胶料配方对滚动阻力的影响，最后介绍一种低滚动阻力卡车轮胎项目框架。

1 基于力学的轮胎-路面系统结构诱导滚动阻力（SRR）预测模型[1]

本研究调查了路面结构引起的滚动阻力及其对车辆燃油消耗的影响。路面的结构响应通过路面变形和与非弹性材料特性和阻尼相关的各种耗散机制导致车辆的额外滚动阻力和燃料消耗。需要精确和计算效率高的模型来捕捉这些机制，并获得对车辆油耗变化的实际估计。目前，有两种基于机械原理的方法用于计算与结构滚动阻力相关的车辆燃料消耗:耗散诱导法和偏转诱导法。本文采用偏转诱导的方法，引入了路面-车辆相互作用(PVIs)的真实特征。本文提出了一种计算路面结构响应引起的车辆油耗的理论方法，除了考虑沥青混凝土层的粘弹性外，还包括不均匀的三维轮胎接触应力和路面模拟中的动态分析（图1）。模拟了不同材料性能、不同路面阻尼系数、不同路面粘弹性、不同路面温度和不同车速的路面结构。此外，通过轮胎有限元数值模拟，得到了轮胎在路面上的接触应力。结合具有代表性材料性能和路面-轮胎相互作用复杂性的路面结构细节，可靠地评价路面结构响应对车辆滚动阻力的影响。

本文提出了一种实用的方法，以真实估计路面偏转引起的车辆油耗变化；利用外功率来计算路面结构相关的功耗，使得分析框架的有限元模型具有适用性；为了准确确定路面的耗能和滚动阻力，应将路面沥青混凝土层模拟为粘弹性，考虑动荷载和层间阻尼的影响，并使用实际轮胎接触应力施加移动轮胎荷载。忽略上述因素会导致高达30-50%的误差。

2 车速、胎压、载荷和一种胶料配方对滚动阻力的影响

2.1 不同车速下轮胎压力与滚动阻力的关系[2]

在牵引力作用在路面之前，轮胎输出的是车辆的最终扭矩。轮胎压力变化时，对车辆的滚动阻力有直接影响，并降低了牵引力，同时这也会影响燃料消耗率和驾驶舒适性。这项研究测试了车速在40 km/h与100 km/h之间时，采用滑行技术测定汽车在轮胎压力为25 psi和45 psi时的阻力，并与汽车制造中设定的35 psi的参考轮胎压力进行了比较。计算结果表明，当车速为0时，在25 psi的轮胎压力下所产生的总阻力比参考值增大48.52%，而在45 psi的轮胎压力下所产生的总阻力比参考值减小13.46%。在本研究中，由于车辆只改变了轮胎的压力，而对空气动力学阻力没有影响，故将在35 psi的轮胎压力与另外2个轮胎压力值下所产生的不同阻力称为不同的滚动阻力。在轮胎压力为25 psi与45 psi时，不同的滚动阻力随着车速的增加而减小，这种关系可以用一个线性方程来拟合（图2）。其中，当轮胎压力25 psi时方程的斜率为0.2358，当轮胎压力为45 psi时方程的斜率0.0828，这些受由橡胶制成的轮胎特性的影响。在车速较低的情况下，轮胎变形的频率也较低，并且由于迟滞现象造成了较高的能量损失，因此产生了较高的滚动阻力。车辆高速行驶时，轮胎变形的频率增大，使橡胶分子的振动大于低速行驶时的情况，这会使轮胎比低频振动时更硬，从而导致滚动阻力下降。此外，由高胎压引起的高频振动会对实际驾驶条件下的舒适性产生影响。

图1 （a）倾向于在粘弹性中消散能量材料作为一种功能温度（米其林2003）和（b）耗散能量粘弹性材料各种温度和负荷利率[2]

本研究重点研究了轮胎压力和滚动阻力的影响。结果表明，轮胎压力较低时其在平直的路面上旋转时的变形要大于高胎压下的情况，并造成了较高的迟滞损失。考虑到迟滞现象，轮胎在高车速下的变形小于低车速下的变形，因此迟滞现象造成的能量损失很小，可以将更多的输出转矩传递到道路上。但是随着车速的增加，轮胎与路面接触的时间减少，从而滚动阻力值减小。

图2 与参考轮胎压力为35 psi的阻力相比，不同的阻力[2]

2.2 载荷和充气压力对轮胎滚动阻力的影响[3]

轮胎载荷和充气压力是控制道路车辆滚动阻力的重要因素，本文介绍了GDAńSK工业大学在实验室中和在不同路面上对不同车胎滚动时的测量结果。对滚动阻力特性的了解对于汽车动力学建模和油耗建模具有重要意义，在未来标准化的滚动阻力测量方法中，建立合适的试验条件也是十分必要的。结果表明，载荷的增加往往导致滚动阻力的增大，但它对滚动阻力系数的影响更为复杂和不可预测；具有高滚动阻力的轮胎比低滚动阻力轮胎对充气压力变化更敏感。

可以从本文的试验中得出如下结论：

（1）对于给定的轮胎、路面条件和速度，在恒定的充气压力下，轮胎负荷的增加总是导致滚动阻力增加。然而，滚动阻力系数的变化取决于轮胎和路面组合，因此滚动阻力系数可能会减小、增大或保持相当稳定。负荷变化引起的滚动阻力系数的变化可能很大。例如，轮胎SRTT（T1077）在修整后的粗糙表面（APS4r17）上滚动时，载荷从150 kg增加到600 kg会导致滚动阻力系数从0.0160降低到0.0118；而对在多孔弹性路面（PERSr17）上滚动的具有侵蚀性胎面花纹的轮胎（T1063）施加的相同载荷变化时，滚动阻力系数从0.0116增加到0.0143，见图3。这一观察表明，未来的公路滚动阻力测量标准必须对用于测试轮胎的负荷施加严格的限制(公差)。

图3 负载和通胀的综合影响轮胎T1076在复制品路面PERSr17上滚动，速度为80公里/小时[3]

（2）在恒定负荷下，轮胎充气压力的增加总是降低滚动阻力系数，但其减小速度(敏感性斜率)在很大程度上取决于滚动阻力的“绝对水平”。滚动阻力系数值较高的轮胎比低滚动阻力轮胎对于胎压的变化更为敏感。对于低阻力轮胎，充气压力调整的精度不是关键，但对于高滚动阻力的轮胎，即使是较小的充气压力变化也会导致滚动阻力的实质性变化（胎压变化10 KPa时，滚动阻力变化可达3.5%）。由此得出的结论是，为了保证道路滚动阻力测量的良好精度，最好是在温暖的条件下调节充气压力，因为在试验中，由于冷却条件的不同，具有充气压力上限的轮胎其最终胎压可能会不同。

（3）充气压力和载荷对滚动阻力系数的综合影响一般非常复杂，对于不同的轮胎/路面组合可能存在差异。同时，轮胎的性能在很大程度上取决于路面的纹理。

2.3 创新轮胎胶面材料降低滚动阻力和改善湿抓地力[4]

在轮胎胎面的弹性体化合物中，作者研究了二氧化硅-有机硅烷偶联剂体系对炭黑的替代作用以及改变加工步骤对载重子午线轮胎力学性能、滚动阻力和湿抓地力的影响。制备了八种化合物，其中两种为基于炭黑的配方，五种为用硅烷偶联剂体系部分替代炭黑的配方，一种为用二氧化硅完全替代炭黑的配方。与标准化合物相比，应用具有15份二氧化硅、3份有机硅烷和三个加工步骤的化合物，能使滚动阻力降低10%，并且湿抓地力增加18.5%。这些加工步骤也促进了具有50份炭黑的化合物性能的改善。化合物中部分使用二氧化硅减少了磨损，从而证实了化合物的耐久性。一部分分析结果见图4。

图4 开发化合物的动态力学分析结果：湿抓地力和滚动阻力，标准化合物的值（50/0/0.0-1）被认为等于零[4]。

3 通过开发创新的低滚动阻力卡车轮胎概念实现低油耗货运[5]

LORRY项目的目的是通过开发创新的低滚动阻力轮胎概念和一个全面的节能管理工具箱，减少卡车运输的碳足迹。其目标是在项目框架内开发的主动轮胎和从动轮胎必须至少减少20%的滚动阻力，这相当于燃料消耗和二氧化碳排放减少5%；卡车轮胎磨损（改善10%）和湿安全性能水平也将得到进一步改善。新提出的此概念超出了目前的技术状况和利益相关者或市场对轮胎滚动阻力、里程数、驾驶安全、驾驶性能、材料和制造可持续性的预期。为实现这一目标，已开始采用多学科方法，涵盖轮胎技术、橡胶和填料技术、纳米技术、复合物理、感官、运输和道路基础设施等领域（项目结构见图5）。这一套完整的互补科学评估方法使人们能够理解新胎面花纹设计与新材料复合材料之间的相互作用，以及轮胎性能对轮胎-车辆操作和道路状况的依赖性。

该项目的主要创新之处是：

新胎面花纹的设计；

先进纳米结构汽车轮胎复合材料的开发；

通过新的测试方法和模型，结合多维度现象理解及相关预测实验和虚拟分析工具的开发增强特征；

轮胎性能评估-现场评价；

轮胎的性能分析与建模。

到目前为止，已经做了一些重要的改进，特别是在多区域复合方面，以及在保持卡车轮胎在整个寿命期内的性能方面。在滚动阻力方面的改善超过9%，湿抓地力提高了20%（重要的安全指标），同时轮胎耐久性也得到提高。