輪胎滾動(dòng)阻力測試方法研究

陳緒飛 徐艷林

通力輪胎有限公司

輪胎滾動(dòng)阻力測試方法研究

陳緒飛 徐艷林

通力輪胎有限公司

為了提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，最大限度地降低汽車行駛過程中的滾動(dòng)阻力，選取不同規(guī)格的輪胎采用控制變量法進(jìn)行速度、充氣壓力以及負(fù)荷對滾動(dòng)阻力影響的試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)的分析表明，滾動(dòng)阻力隨汽車行駛速度的提高呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，在整個(gè)速度范圍內(nèi)存在最佳行駛速度。隨著充氣壓力的增加，滾動(dòng)阻力逐漸減小，為提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，可適當(dāng)增大輪胎的充氣壓力。隨著負(fù)荷的加大，滾動(dòng)阻力呈現(xiàn)近似線性的增長趨勢，但滾動(dòng)阻力系數(shù)基本保持不變。因此，在獲得同等精度的滾動(dòng)阻力系數(shù)前提下，可以降低輪胎的試驗(yàn)負(fù)荷以達(dá)到節(jié)約試驗(yàn)成本的目的。

輪胎；滾動(dòng)阻力；影響因素；測試方法

隨著全球能源危機(jī)的影響以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，綠色環(huán)保和節(jié)能減排已成為各大廠商設(shè)計(jì)和制造輪胎的主流方向。滾動(dòng)阻力指輪胎行駛單位距離消耗的能量，是汽車性能的重要指標(biāo)之一，因該指標(biāo)能夠直接影響整車燃油的經(jīng)濟(jì)性而受到越來越廣泛的關(guān)注。

1 輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生機(jī)理

輪胎主要由橡膠及橡膠復(fù)合材料構(gòu)成，在輪胎滾動(dòng)過程中，受到循環(huán)變化的應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致能量損耗，形成輪胎滾動(dòng)阻力。

輪胎滾動(dòng)阻力主要包括輪胎滾動(dòng)時(shí)周期性變形中克服粘彈性橡膠材料的應(yīng)變滯后所消耗的內(nèi)摩擦功、輪胎與路面接觸消耗的外摩擦功、輪胎滾動(dòng)時(shí)受到空氣阻力所消耗的功以及輪胎花紋塊拍擊路面發(fā)聲消耗的能量等。在中等行駛速度條件下，輪胎內(nèi)摩擦產(chǎn)生的能量消耗占輪胎總能量消耗的80%以上。因此，降低輪胎滾動(dòng)阻力主要是指降低輪胎材料的內(nèi)摩擦阻力。

2 影響因素

2.1 輪胎材料特性

2.1.1 胎面材料

胎面膠是影響輪胎滾動(dòng)阻力的關(guān)鍵部件，這基于胎面膠所在的部位和用量。輪胎材料滯后損失主要集中于胎冠部位。輪胎滾動(dòng)時(shí)胎面膠、胎圈包布、三角膠、帶束層、內(nèi)襯層、胎側(cè)、簾布層和基部膠所占輪胎能耗的比例分別為39%、14%、13%、8%、8%、7%、6%和5%。材料滯后損失消耗的能量占輪胎總能量損耗的90%-95%，配方中所有配合組分對滯后損失均有一定影響，但聚合物類型是影響最大的因素。研究表明溶聚丁苯橡膠S-SBR可以有效降低胎面膠的滾動(dòng)阻力。

2.1.2 配合劑

在胎面膠中使用白炭黑可以在降低輪胎滾動(dòng)阻力的同時(shí)不影響輪胎的抗?jié)窕阅?。與填充普通炭黑的輪胎相比，白炭黑輪胎不僅降低了油耗，而且具有優(yōu)異的牽引性能。轉(zhuǎn)化炭黑表面具有無數(shù)的棱邊，其不規(guī)則表面將增加膠料的損耗因子tanδ值對溫度的依賴性，使膠料的滾動(dòng)阻力明顯降低。

2.2 輪胎氣壓和負(fù)荷

輪胎氣壓與負(fù)荷是輪胎設(shè)計(jì)過程中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。它們的選取主要根據(jù)汽車的負(fù)荷而確定。隨著充氣壓力的增大，輪胎的滾動(dòng)阻力降低。這是因?yàn)闅鈮旱脑龃?，?shí)際上增大了輪胎本身的剛度，在輪胎滾動(dòng)過程中，其整體變形減小，帶來了遲滯損失減小，從而降低了輪胎滾動(dòng)阻力。

2.3 輪胎行駛速度

輪胎的行駛速度對其滾動(dòng)阻力的影響較復(fù)雜，在中低速度下行駛時(shí)，對輪胎滾動(dòng)阻力的影響比較小，行駛速度增大可使輪胎的下沉量和損耗因子減小，從而使輪胎滾動(dòng)阻力下降。當(dāng)車速到達(dá)某一值以上時(shí)滾阻增加較快，車速達(dá)到臨界值時(shí)，滾動(dòng)阻力迅速增加，此時(shí)輪胎產(chǎn)生“駐波”現(xiàn)象，輪胎周緣不再是圓形，而呈明顯的波浪狀。

2 測試方法

2.1 室外道路試驗(yàn)法

室外道路測試方法有滑行法、牽引法和功率平衡法等?；蟹ㄊ钱?dāng)汽車達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)速度后，傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)及時(shí)脫離，借助慣性滑行至停止，使用五輪儀測量記錄滑行過程中的速度-時(shí)間關(guān)系；牽引法是通過裝有測力傳感器的單輪和雙輪試驗(yàn)拖車在各種路面上進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力測量。由于空氣阻力影響測量結(jié)果，導(dǎo)致測試精度降低，因此滑行法和牽引法不夠準(zhǔn)確。功率平衡法是基于當(dāng)汽車穩(wěn)定行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)車輪的輸出功率等于滾動(dòng)阻力、空氣阻力、行駛路面坡度阻力以及加速阻力消耗的功率之和的假定，但由于車輪與底盤測功機(jī)輥筒之間以及底盤測功機(jī)內(nèi)部等摩擦的影響，并不完全滿足功率平衡要求，因此也存在一定的測量誤差。

室外道路試驗(yàn)法能夠比較真實(shí)地模擬輪胎運(yùn)行環(huán)境，但是地面溫度、路面狀況以及磨耗等外部條件變化的制約使得此類測試方法不易標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 間接法

間接法即不直接測量輪胎的滾動(dòng)阻力，而是測量輪胎膠料的tanδ，因?yàn)闈L動(dòng)阻力主要是由膠料的滯后損失所引起，而tanδ則是表征輪胎膠料滯后損失的重要參數(shù)，它與輪胎的滾動(dòng)阻力成正比。膠料的tanδ越小，輪胎的滾動(dòng)阻力值越低。tanδ與輪胎所用材料的性能有關(guān)，改善輪胎用材料，可降低tanδ。目前，可按照ASTMD2231-1994標(biāo)準(zhǔn)方法使用動(dòng)態(tài)模量儀設(shè)備來測量tanδ。間接法只能通過間接測量tanδ對滾動(dòng)阻力進(jìn)行定性測量。

2.3 室內(nèi)臺架試驗(yàn)法

室內(nèi)臺架試驗(yàn)具有試驗(yàn)條件可控、試驗(yàn)結(jié)果可比性好、不受環(huán)境條件限制、試驗(yàn)安全可靠和試驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。室內(nèi)試驗(yàn)臺架主要有雙輥筒試驗(yàn)臺和單輥筒轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺。

雙輥筒試驗(yàn)臺一般指雙輥筒式底盤測功機(jī)，通常采用反拖法和滑行法測試滾動(dòng)阻力。反拖法是用測功機(jī)的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輥筒，再由輥筒驅(qū)動(dòng)被測車輪旋轉(zhuǎn)；滑行法是借助測功機(jī)系統(tǒng)的慣性運(yùn)動(dòng)通過輥筒帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。雙輥筒上測定的輪胎滾動(dòng)阻力大于車輪單點(diǎn)支承在硬路面或大直徑單輥筒上的輪胎滾動(dòng)阻力，因此精確的輪胎滾動(dòng)阻力測量適宜在大直徑單輥筒轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上進(jìn)行。

3 結(jié)論

由于滾動(dòng)阻力影響因素多且影響復(fù)雜，精確測量輪胎滾動(dòng)阻力需要高精度的試驗(yàn)設(shè)備，而且試驗(yàn)條件和試驗(yàn)環(huán)境等均須嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)要求，因此輪胎滾動(dòng)阻力的測量十分困難。(1)通過對不同速度下滾動(dòng)阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證了汽車在標(biāo)示出駛速度下行駛具有最好的燃油經(jīng)濟(jì)性。(2)通過對不同負(fù)荷率下滾動(dòng)阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以知道，降低國標(biāo)中規(guī)定的負(fù)荷，滾動(dòng)阻力系數(shù)幾乎不受影響，可以降低輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)的成本。

[1] 王登祥.輪胎滾動(dòng)阻力文獻(xiàn)評述[J].輪胎工業(yè)，1997，17(12)：707-712.

[2] 張紹國 高峰 杭柏林 李萌.汽車輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)測試方法分析[J].輪胎工業(yè)，2012，12(3)：131-134.