商用车轮胎花纹对车辆燃油经济性的影响

肖磊，路遥，张佳琛，赵鹏昌，钱治富

商用车轮胎花纹对车辆燃油经济性的影响

肖磊，路遥，张佳琛，赵鹏昌，钱治富

（陕西汽车控股集团有限责任公司技术中心，陕西 西安 710200）

轮胎作为车辆唯一与地面接触的元件，轮胎状态是整车性能表现关键的一环。轮胎花纹对汽车动力性、操控稳定性、整车舒适性和燃油经济性都存在一定影响。其中，轮胎花纹对燃油经济性的影响主要体现在对轮胎滚阻系数的影响，理清轮胎花纹形式和燃油经济性的关系对整车轮胎选型有着重要的意义。

轮胎花纹；滚阻系数；燃油经济性

引言

近年来，市场上汽车保有量与日俱增，在 2020年将达到15亿。随之而来的温室效应和能源危机将严重制约世界经济的可持续发展，各国相继制定制定了一系列限制汽车排放的法规。汽车油耗与排放有着直接的正相关关系，即汽车的燃油经济性越好，其节能效果越好，排放越低。提高车辆燃油经济性的一个有效措施是降低轮胎的滚动阻力系数，研究表明，常用工况下，滚动阻力降低15%-30%，燃料消耗可降低3%-6%。

1 商用车轮胎花纹介绍

常用的商用车轮胎花纹形式有纵向花纹，横向花纹，混合花纹及块状花纹，花纹示意图见表1。

表1 花纹示意图

1.1 纵向花纹

纵向花纹的结构特点是胎面纵向连续，横向断开。性能特点是防侧滑能力强，滚动阻力较小，散热性能好，噪音小，但花纹沟槽容易嵌入石子，抓地能力相对较弱。

1.2 横向花纹

横向花纹的结构特点是胎面横向连续，纵向断开。性能特点是动力性好，抗侧滑能力弱，因此汽车以较高速度转向时易发生侧滑，滚动阻力较大，噪音大。

1.3 混合花纹

混合花纹的结构特点是在胎面中部有曲折形的纵向花纹，在胎面两侧设计为横向花纹。性能特点是纵向和横向的抗滑能力都得到了保证，动力性良好，散热好，胎肩易产生磨损不均，应用广泛适用于大部分路况。

1.4 块状花纹

块状花纹的结构特点是花纹沟槽深，突出面积小，花纹呈块状。性能特点是动力性强，滚动阻力大，行驶噪音大。

2 轮胎的弹性迟滞与滚动阻力

车轮在滚动过程中，轮胎与路面相接触的区域产生法向及切向的相互作用力，轮胎及路面产生相应的变形，弹性轮胎在硬路面上滚动时，轮胎的变形占绝大部分。轮胎由自由状态到压缩变形状态的过程中，车对轮胎做的功由轮胎的弹性变形转化为轮胎的内能；在轮胎恢复变形的过程中，理想状态下，弹性变形存储的内能将全部返回给车辆。但由于实际在轮胎发生变形时，其内部各组成成分发生相互摩擦，橡胶、帘线等分子间的摩擦等，此部分摩擦产生的能量会转化为热能传递到大气中，由此原因产生能量损失的现象被称为轮胎的弹性迟滞。

以上是从能量守恒角度的分析，在实际过程中由于能量损失难以量化，因此从动力学角度考虑引入了滚动阻力的概念。轮胎静止在地面上时，其接地点左右两侧受到的力是对称的，当轮胎滚动时，由于弹性迟滞的影响，行驶方向的前端地面对轮胎的反作用力大于后端地面对轮胎的反作用力，因此总体体现为车辆行驶过程中对轮胎的阻力力偶矩Tf（图1），这就是轮胎的滚动阻力。滚动阻力系数则为单位轮胎负荷所对应的滚动阻力[1]。

图1 阻力力偶矩Tf

3 轮胎花纹与弹性迟滞的关系

从弹性迟滞的定义中可以发现，轮胎的变形量越大，轮胎内部摩擦越剧烈，损失的能量越多，弹性迟滞现象越明显，整车的燃油经济性越差[2]。

轮胎的变形程度由轮胎的承载负荷、车速、胎压、轮胎花纹及内部结构都有关系，其中轮胎的花纹形式为主要影响因素。

物体变形程度的核心影响因素为受力的大小及物体本身刚度的大小，探讨花纹与变形量的关系时主要谈论的是不同花纹形式导致的花纹刚度不同对轮胎花纹变形的影响。

4 轮胎花纹与燃油经济性的关系

4.1 胎面纵向刚度对燃油经济性的影响

由于花纹形式的不同，不同花纹胎面的纵向刚度是不同的，纵向花纹由于花纹方向与行驶方向平行，因此纵向刚度大，横向刚度小；横向花纹由于花纹方向与行驶方向垂直，因此纵向刚度小，横向刚度大；混合及块状花纹的纵向刚度介于纵向及横向之间。不同花纹形式纵向刚度大小排序为：纵向花纹＞混合花纹＞块状花纹＞横向花纹。

4.2 花纹深度对燃油经济性的影响

花纹越深，突出橡胶越多，花纹刚度越差，花纹接地弹性变量大，车轮旋转时，花纹块回正迟滞时间会加大，迟滞损失的能量变大。市场上不同花纹形式花纹深度的一般规律为：纵向＜混合＜块状＜横向。

4.3 花纹接地面积对燃油经济性的影响

花纹沟数增加，与地面接触面积变小，单个花纹块受力变大，压缩变形增加，迟滞损失的能量变大，滚阻增加，燃油经济性变差，这是块状花纹滚阻值大的主要原因。

4.4 胎面花纹橡胶材料对燃油经济性的影响

轮胎配方中炭黑是重要的橡胶补强剂。上个世纪90年代，米其林通过用高分散性白炭黑替代炭黑创立了低滚动阻力的概念。白炭黑最大的优势是提高并平衡轮胎的滚动阻力与抓地力[3]。因此胎面花纹橡胶材料是否使用白炭黑作为补强剂对轮胎滚阻有着重要的影响。

5 总结

不同花纹形式的轮胎燃油经济性不同。市场上的块状及横向花纹轮胎通常使用的路况为矿区，山区等路面较差的环境，注重轮胎的驱动力、花纹强度和耐磨性等指标，对燃油经济性要求较低，因此在整车对燃油经济性有要求的车型可以优先选择纵向花纹轮胎，若纵向花纹提供的驱动力或制动力不满足要求，可以选择性能均衡的混合花纹。

[1] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2] 何燕,张忠富.轮胎滚动阻力影响因素及其测试方法[J].轮胎工业, 2004,24(4):1006-8171.

[3] 董自龙.子午线轮胎结构设计参数对滚动阻力影响的研究[D].镇江:江苏大学,2014.

Effect of tread pattern on fuel economy of commercial vehicle

Xiao Lei, Lu Yao, Zhang Jiachen, Zhao Pengchang, Qian Zhifu

( Technology Center of Shaanxi Automobile Holding Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

as the only contact element between the vehicle and the ground, the tire state is a key part of the overall performance.The tire pattern has certain influence on the power performance, handling stability, vehicle comfort and fuel economy.the influence of tire pattern on fuel economy is mainly reflected in the influence on tire rolling resistance coefficient. It is of great significance to clarify the relationship between tire pattern and fuel economy for tire selection.

Tyre pattern; Rolling resistance coefficient; Fuel economy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.061

U463.341

A

1671-7988(2021)03-194-02

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肖磊，就职于陕西汽车控股集团有限责任公司技术中心。