改善轮胎滚动阻力和防滑能力的分析

2021-03-23吕飞跃吴晨昊樊高飞

科学技术创新 2021年7期

吕飞跃吴晨昊樊高飞

（东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨150040）

现如今节能减排的发展理念已经得到大家普遍的认同，人们在选购汽车时也越来越关注汽车的燃油经济性表现。汽车在行驶过程中依靠轮胎与路面接触，地面向轮胎提供不同的力和力矩才能使汽车实现加速起步、匀速行驶、紧急制动以及转弯等各种行驶状况。汽车在行驶过程受到的滚动阻力消耗了相当一部分燃油，载重汽车轮胎滚动过程损失的能量可以（转下页）达到整体燃料消耗的10%～30%。[1-2]因此，在轮胎的设计和使用过程中充分考虑如何降低轮胎滚动能量消耗，对于提高汽车燃油经济性表现，减少能源消耗有重大意义。

汽车在行驶过程中不可避免会受到滚动阻力，影响它的因素有很多，这些因素都是通过改变施加在车轮的负荷或滚动阻力系数f 来产生影响。本文通过对这些影响因素进行探究，进一步提出减小汽车行驶过程受到滚动阻力的建议。

汽车行驶安全性是人们一直以来所追求的，而阴雨天气道路过于湿滑，使汽车更加容易发生滑水现象。阴雨天气路面布满积水，这些积水的存在使胎面与路面不能紧密接触，地面附着系数与干燥地面相比处于较小值，在这种情况下对汽车进行操控会增加难度。驾驶员根据周围的行车环境想要紧急制动时，地面上的积水就起到润滑剂作用。积水使车轮不能与道路有效接触，道路不能向车轮提供足够的附着力而使制动力减小，制动距离与干燥地面相比大幅度增加。如果轮胎在阴雨湿滑路面仍然有较大的湿摩擦力，那么汽车在这种湿滑路面就有很好的防滑表现，从而使人们在阴雨天气也可以更加安全的驾车行驶。

1 滚动阻力产生原因

机动车在前行过程依靠轮胎和道路接触来传递力和力矩，轮胎的性能直接对整体稳定性表现和乘员的乘坐舒适性产生作用。随着节能减排意识逐渐深入人心，人们在选购汽车时更加关注燃油经济性表现。经过研究，如果能够减少15%～30%的行驶过程滚动阻力，就可以节省3%～6%的燃料。[3]这对于减少能源消耗和减少污染物排放有重大意义。

汽车在道路上行驶，轮胎承受着整车载荷，故轮胎和道路之间存在相互作用力，这些作用力使两者都形成一定的变形。轮胎不断的滚动变形造成内部相互摩擦，摩擦过程消耗能量，并产生大量的热传递给接触的空气。如果短时间内摩擦产生大量热量又无法快速散发出去，轮胎温度会急剧升高，造成轮胎的使用寿命大大减少。因为轮胎滚动时不可避免有内部摩擦产热量，所以要不断向车轮提供能量保持继续运动。图1 是385/55R22.5 型轮胎的断面结构。

图1 轮胎结构和材料分布

2 滚动阻力影响因素

如果轮胎的充气压力与标准值相差较远，整车的重量作用在轮胎上会使胎侧发生较大变形。轮胎在滚动行驶过程橡胶和帘线等物质的内部摩擦加剧，轮胎的滚动阻力系数增大，汽车需要消耗更多燃料来克服行驶过程的滚动阻力。美国曾发布相关法规，要求满足一定条件的乘用车必须安装轮胎气压检测系统（TPMS），该系统可以对轮胎充气压力进行检测，如果胎压降低了规定值的25%，就对驾驶员发出提示信号。

当轮胎使用里程数不断提高之后，沟槽深度也在慢慢变浅，即，胎面更加趋向平面。由于轮胎胎面与地面直接接触，胎面上的胶料与地面发生挤压变形，内部组成部分的摩擦产热是轮胎行驶过程滚动阻力的主要产生原因，汽车在道路上受到滚动阻力大部分是胎面产生的。当轮胎沟槽深度较小时，相当于胎面胶的胶料体积处于较小值，轮胎内部摩擦消耗能量大大减小，轮胎具有较小的滚动阻力。

汽车的滚动阻力随着车速增大表现出相应规律。当车速低于轮胎的驻波临界速度Vc，f 随速度增大变化并不明显；当车速增加至Vc 之后，f 的变化速度极快，并且出现驻波现象。驻波现象是轮胎的一种固有特性，将车轮的滚动速度增加到某个值，轮胎的边缘会持续发生与上次一样的振动，从外界观察振动波形基本保持静止不动。在这种振动情况能够被看到以前，轮胎的滚动阻力系数就保持固定的加速度快速增长。如果在达到驻波临界车速之后，继续增加车速，轮胎各个结构部件的变形量会急剧增大，振动幅度也相应增大。这些不正常的剧烈共振使轮胎温度迅速超过100℃，造成轮胎的胎面和帘布层脱落，驻波现象甚至会造成轮胎爆炸。因此为了避免f 迅速增长，应该合理控制驾驶速度。

3 滑水现象

图2 是轮胎与地面的接触区域分析图。当汽车在有水路面上行驶的时候，车轮在向前滚动过程中与路面的接触情况也在变化。车轮和地面接触区域之间有一层水膜，这个区域称为完全上浮区。随着车轮向前滚动，它们之间的水被轮胎挤压出去。并且由于路面具有一定的不平度，道路的突出部分更容易跟车轮的胎面相接触，这个区域称为不完全接触区。轮胎和地面之间的水膜被完全排出的接触区域是完全接触区，在这个区域两者直接接触并且向汽车提供附着力，以使汽车具有良好的行驶和转向能力。汽车如果在有积水的路面以较高的速度行驶，车轮在飞速滚动前进挤压水层，水具有一定的惯性而对车轮作用有动压力。动压力值的增大会使水膜进一步占据更多区域，完全接触区的面积减小而不能提供足够的附着力。当动压力的作用使轮胎和地面彻底分离，即水膜占据了两者之间的空间，这种滑水现象使得汽车在地面没有足够附着力，整体的方向操纵性变得很差，还会使汽车的制动距离大大增加。[4-5]

图2 接触区域图

阴雨天气造成的道路湿滑大大地增加了行车安全风险，这种情况下的交通事故发生率是正常情况的6 倍。[6]

4 滑水现象影响因素

车轮在路面上滚动前进，轮胎对水层的挤压作用使完全接触区的水被有效排出，而越远离该区域的位置，水层越厚。车速增加时，在轮胎和路面接触区域前方，由于水层与轮胎相对运动产生的动水压力值也在增加，使得水层占据更多区域面积，导致接触区的面积减小。因此车速增加时，汽车在这种布满积水的路面附着力减小，更加难以对汽车进行操纵。

保持汽车轮胎充气压不变，增大施加在轮胎上的负荷，这时轮胎会发生更大的变形而且与道路的接触面积增大。由于负荷的增大，汽车行驶过程垂直向下的力大于水层对汽车的升力，汽车不容易与道路脱离接触，地面能够向汽车车轮提供充足的附着力。汽车在行驶过程依靠轮胎与路面良好的接触才能适应各种行驶状况。

合理设计轮胎的花纹布局能够使汽车在路面有较好的防滑表现。轮胎在长期使用过程中其表面的花纹也在被磨损，当表面的花纹被磨损至一定程度就会影响汽车行驶过程的附着力表现，在有积水路面行驶容易失去防滑能力而造成交通事故。美国的交通部门就曾经规定：乘用车轮胎的花纹深度必须超过1mm，以防止影响汽车的正常行驶性能。

光面轮胎没有花纹沟槽布置，在积水路面滚动行驶时，轮胎和路面直接接触区域的前方不断有水流入，水流在动压力作用下可以布满轮胎表面和地面的接触区，汽车行驶过程不能得到足够的附着力。

而胎面上布置有花纹沟槽的轮胎能够使汽车在路面有较好的防滑表现。车轮在滚动前进时，轮胎和路面直接接触区域前方的积水受到挤压作用力而沿着沟槽流出，水流的顺畅程度与汽车在这种路面的附着性能表现具有关联。轮胎要想具有良好的防滑性能，就需要设计调整沟槽的布置情况，尽可能使车轮前进方向的积水能够顺畅地通过沟槽流出，使路面能够向轮胎提供足够的附着力，而使汽车保持正常的制动能力和行驶稳定性，避免滑水现象这种危险情况的发生。

轮胎花纹沟槽体积直接对汽车在地面的附着能力产生作用。通过适当地增大体积，积水会更快速通过沟槽排至轮胎外侧，能使汽车在湿滑路面也有良好的附着性能。反之，轮胎花纹沟槽体积较小时，水流不能够顺利排出，对轮胎产生动压力，使汽车行驶过程的防滑能力减弱。但体积过大对于汽车的地面附着性能也有不利影响。轮胎与路面有足够的接触面积才能产生所需要的附着力，沟槽体积过大会造成轮胎跟地面之间的有效接触面积减小，不利于汽车的稳定行驶。

轮胎花纹方向也会对车轮的防滑表现产生影响。汽车在行驶过程中不但会受到沿行驶方向的摩擦力，还会受到侧向摩擦力的作用。横向花纹方向的轮胎在滚动时，如果同时受到横向和纵向两个方向的外力，地面摩擦力对汽车的作用方向主要是纵向，所以汽车带沿行驶方向有很好的防滑性。纵向花纹的轮胎行驶时主要受到来自横向的摩擦力，故具有很好的横向防滑表现，采用纵向和横向组合的花纹可以使轮胎在整体上有良好的防滑性能。