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【技术分享】轮胎滚动阻力对汽车燃油经济性的影响分析
2019-04-19 13:50:49· 来源：《技术导向》 作者：朱晓，杨情操，许永斌
摘要：文章分析了轮胎滚动阻力产生的原因，影响滚动阻力的主要因素，简要叙述了滚动阻力的测试方法，并以轮胎实例台架测试和仿真计算说明，降低轮胎滚动阻力是提
摘要：文章分析了轮胎滚动阻力产生的原因，影响滚动阻力的主要因素，简要叙述了滚动阻力的测试方法，并以轮胎实例台架测试和仿真计算说明，降低轮胎滚动阻力是提升车辆燃油经济性的重要方向之一。
关键词：燃油经济性，轮胎滚动阻力，汽车
引言
研究表明，由于轮胎滚动阻力的原因，其所造成的燃料消耗约占整个车辆燃料消耗量的30%。而根据国际能源署的数据，目前全球汽车所排放的二氧化碳占全球二氧化碳总排放量的18%。因此，国家正在大力倡导建设资源节约型，环境友好型社会，开发节能环保型车辆责无旁贷。
汽车的燃油经济性主要受汽车行驶时遇到的阻力和发动机有效油耗率的影响。通过降低这两个因素的影响来减少汽车的耗油量，是提高汽车经济性的有效途径。本文介绍了轮胎滚动阻力成因、主要影响因素、测试方法以及通过实例说明轮胎滚动阻力对汽车耗油量的影响。
一、轮胎滚动阻力的成因
轮胎本身材料和结构属性及道路的作用，使轮胎在滚动时产生了阻碍前进的滚动阻力。轮胎在滚动过程中，弯曲变形是起支配作用的轮胎变形型式，循环变化的应力－ 应变造成能量损耗，形成轮胎滚动阻力，也称为轮胎迟滞能量损耗。
当轮胎不滚动时，地面对轮胎的法向反作用力分布是前后对称的；但当轮胎滚动时，在法线nn'前后相对应点d和d' 变形虽然相同( 见图1( a) ) ，但由于弹性迟滞现象，处于压缩过程的前部d点地面法向反作用力就会大于处于恢复过程的后部d'点地面法向反作用力( 见图1( b) ) ，这两点变形设为δ，压缩时的受力为CF，恢复时的受力为DF，而CF大于DF，这样就使地面法向反作用力的分布前后不对称，而使它们的合力FZ相对于它们的法线nn'向前移了一段距离a( 见图2( a) ) ，它随弹性迟滞损失的增大而变大。合力FZ与法向载荷W大小相等，方向相反。如果将法向反作用力W 平移到与通过轮胎中心的垂线重合，则轮胎在硬路面上滚动时的受力情况如图2( b) 所示形式，即滚动时有滚动阻力偶矩Tf = FZa阻碍轮胎滚动。也就是说弹性迟滞损失是以轮胎滚动阻力偶矩来造成对汽车行驶的阻力。
图1 弹性轮胎在硬路面上的滚动情形
图2 轮胎( 从动) 在硬路面上滚动时的受力情形
同时，由图2看出，要使轮胎在硬路面上滚动，需在轮胎中心加一推力Fp1，它与地面切向反作用力构成一力偶来克服滚动阻力偶矩。由平衡条件得: Tf = Fp1 r，即Fp1 = Tf /r = FZ( a /r) ，令a /r =f，则Fp1 = Wf，其中，f 称为滚动阻力系数。可见滚动阻力系数是轮胎在一定条件下滚动时所需推力与轮胎负荷之比值，即单位车重所需推力。或者说，滚动阻力等于滚动阻力系数与轮胎负荷的乘积，即Ff = Wf。
二、轮胎滚动阻力主要影响因素
影响轮胎滚动阻力的因素很多，包括所用材料、轮胎结构、外部使用条件等。从轮胎结构方面看，子午线轮胎的滚阻低于斜交轮胎。
( 1) 轮胎断面高宽比：一般情况下，轮胎滚动阻力随轮胎断面高宽比的减小而减小。但随着速度的增加，这种差别逐渐减小，这主要是由于轮胎断面高宽比越大，轮胎变形越大，而在高速旋转状态下，离心力的作用抵消了垂直负荷作用使轮胎结构上产生了部分变形，从而减小了轮胎所用材料中形成的滞后损失，降低了轮胎的滚动阻力。
( 2) 轮辋直径：轮辋直径对轮胎滚动阻力的影响主要表现在轮辋直径增大25.4 mm，轮胎滚动阻力降低约16%。随着速度的增大，这种差别基本保持不变。这是由于轮辋直径增大后，在相同的垂直负荷下，轮胎变形相对减小，降低了轮胎滚动过程中产生的迟滞损失，从而使轮胎滚阻降低。
3) 轮胎材料：同一规格的轮胎使用不同胎体材料，其滚动阻力有明显差异；子午线轮胎的带束层是主要的受力部件，它承受充气压力所产生应力的60% ～ 70%，选用高模量的材料用作带束层帘线，使带束层的伸张最小，可有效地控制轮胎的变形，以降低轮胎滚动阻力；胎面胶的材质对轮胎 滚动阻力影响也较大，通常由胎面产生的滚动阻 力占轮胎滚动阻力的50%。研究表明，胶种和炭 黑品种对胎面胶的滚动阻力起决定作用。目前， 白炭黑配合硅烷耦联剂能够在保证轮胎耐磨性和 湿滑路面上牵引力不变的前提下，降低轮胎滚动 阻力。
( 4) 轮胎气压和负荷：轮胎气压与负荷是轮胎设计过程中的标准参数。它们的选取主要根据汽车的负荷而确定。随着充气压力的增大，轮胎的滚动阻力降低。这是因为气压的增大，实际上增大了轮胎本身的刚度，在轮胎滚动过程中，其整体变形减小，带来了迟滞损失减小，从而降低了轮胎滚动阻力。
5) 轮胎行驶速度：轮胎的行驶速度对其滚动阻力的影响较复杂，在中低速度下行驶时，对轮胎滚动阻力的影响比较小，行驶速度增大可使轮胎的下沉量和损耗因子减小，从而使轮胎滚动阻力下降。当车速到达某一值以上时滚阻增加较快，车速达到临界值时，滚动阻力迅速增加，此时轮胎产生“驻波”现象，轮胎周缘不再是圆形，而呈明显的波浪状。
( 6) 轮胎花纹：轮胎的滚动阻力随着胎面花纹沟数的增加而增加，这是因为沟的存在，散热效果变好，轮胎温度降低，并由于胎面部的真实接触面积变小，压缩变形增加。
三、轮胎滚动阻力测试方法
轮胎滚动阻力试验分为室内台架试验方法和道路试验方法。
道路试验方法分为滑行法、牵引法和功率法。道路试验能够真实地模拟轮胎滚动阻力情况，但道路温度、磨损状况及其它外部因素容易对滚阻测试造成影响，重复精度不高。
室内台架试验是在试验机上进行，它不受环境条件限制，试验周期短，试验条件可控，试验结果可比性好。室内台架试验方法按照测量参数的不同，可分为测力法、扭矩法、功率法和减速度法。无论采用何种方法，都要将测量数据换算成作用于轮胎与转鼓接触面的滚动阻力值。国内外轮胎滚动阻力测试标准主要是GB /T 18861 － 2012、GB /T 29040 － 2012、ISO 18164：2005、ISO 28580：2009、SAE J1269：2006、ECE Ｒ117 － 2011。目前国际上滚动阻力试验机多采用测力法。GB /T 18861－ 2012 没有提供不同实验室间或不同试验机之间试验结果的比较方法，它供研发使用，不能对轮胎进行分级。GB /T 29040 － 2012提供了不同实验室间或不同试验机之间试验结果的比较方法，能够对轮胎进行质量分级评价。
四、轮胎滚动阻力对车辆燃油经济性影响实例分析
以某一商用车装用不同品牌的轮胎为例，进行轮胎滚动阻力对车辆燃油经济性影响的分析。车辆参数见表1。
表1 车辆参数
( 1) A品牌和B品牌轮胎滚阻系数测定
参照GB /T 29040 － 2012，在同一台架上，用测力法对两个品牌的6.50Ｒ16LT轮胎进行了滚动阻力系数测试，试验条件为：试验速度按20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h，试验负荷为单胎最大负荷的85%，试验气压为单胎最大负荷对应的气压，具体测试结果见表2。可见，B品牌轮胎的滚动阻力系数明显低于A品牌的值。
表2 轮胎滚动阻力系数测试值
( 2) 车辆行驶阻力计算车辆行驶的总阻力为
式中：A为车速的二次函数项系数；B为车速的一次函数项系数；C为拟合公式常数项。
装用A品牌和B品牌轮胎的车辆拟合行驶阻力曲线见图3。
( 3) 等速行驶燃料消耗量仿真计算
采用Cruise软件对车辆燃油经济性进行仿真计算，根据整车状态，建立整车仿真分析模型，将整车参数、发动机性能曲线、变速器速比及主减速比以及A品牌和B品牌轮胎对应行驶阻力等输入到Cruise模型中进行仿真计算，得到A品牌和B品牌轮胎对应的整车最高档等速行驶燃料消耗量模拟计算值，见图4。B品牌轮胎的等速油耗值低于A品牌约0.4L /100km。
图4 整车等速行驶油耗仿真计算曲线图
( 4) 综合燃料消耗量仿真计算
依据GB 27840 － 2011，模拟车辆在C －WTVC工况下的运行状态，进行车辆装用A品牌和B品牌轮胎的综合油耗计算。A品牌和B品牌轮胎的综合油耗模拟计算结果分别为10.4L/100km和10.1L/100km，两者相差0.3L/100km。B品牌轮胎的综合油耗比A品牌低2.9%。
五、结语
综上所述，轮胎的滚动阻力是影响汽车燃油经济性的不可忽略的因素之一。本文分析了轮胎滚动阻力产生的原因，影响滚动阻力的主要因素，简要叙述了滚动阻力的测试方法。
以两种品牌轮胎的实例台架测试和仿真计算说明，若轮胎滚动阻力降低15%，大约可降低油耗3%。降低轮胎滚动阻力是提升车辆燃油经济性的重要方向之一。
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