低滾動阻力輪胎

汽車在行駛過程中受到的主要力有行駛阻力，驅動力。其中行駛阻力主要包括滾動阻力，空氣阻力，內部摩擦力，有坡度時還需克服重力。滾動阻力主要是因為輪胎在行駛過程中與路面接觸，因承重所產(chǎn)生的變形會導致組成部件變熱，將一部分由發(fā)動機傳輸來的能量損耗。而低滾動阻力輪胎的出現(xiàn)，通過更低的滾動阻力減少所需驅動力，從而降低汽車的油耗。有研究表明，滾動阻力每降低10%，乘用車的燃油經(jīng)濟性能可提高1%-2%。

輪胎的滾動阻力受到多方面因素的影響，在輪胎設計中起決定作用的是輪胎變形產(chǎn)生的滯后損失以及所用材料本身的滯后損失。因此，要降低輪胎的滾動阻力，必須減小輪胎的變形，因此我們要在結構設計上子午化和無內胎化，提高骨架材料的強度。輪胎的設計制造中，可以對其結構和配方兩方面進行改進。

結構方面：

（1）無內胎化--無內胎輪胎整體質量減輕，滾動阻力降低，試驗表明其滾動阻力平均降低10%；

（2）新型骨架材料--一方面提高鋼簾線強度，鋼絲制造商Bekaert公布的數(shù)據(jù)顯示，當鋼絲簾線強度從普通型提高到高強度型時，輪胎可以減輕2.5 kg。

另一方面是開發(fā)高強度胎圈鋼絲，比如采用1.55的強度，每條輪胎可減少0.45 kg左右的胎圈鋼絲用量，這相當于輪胎重量的4%左右。此外，很多輪胎公司已嘗試將芳綸材料應用于高性能輪胎中，在提高輪胎性能的同時，可使輪胎重量降低10%，進一步降低滾動阻力。

配方方面：過去的輪胎配方主要使用乳聚丁苯橡膠（E-SBR）、鎳系順丁橡膠（NiBR）、天然橡膠作為橡膠體系，炭黑作為填料體系。80年代初，日本首先開發(fā)出相對分子量可調的溶聚丁苯橡膠（S-SBR），這種橡膠在微觀結構、苯乙烯含量、相對分子質量及其分布以及乙烯基含量等方面都比乳聚丁苯橡膠有更大的變化范圍。這種分子特性使其滾動阻力比乳聚丁苯橡膠低，因而已被廣泛應用于低滾動阻力輪胎的胎面膠中。另外稀土順丁橡膠相較于普通鎳系順丁橡膠，具有抗?jié)窕?、低生熱及滾動阻力低的特點，近些年也逐漸在低滾阻輪胎的胎面和胎側被應用。

此外，車主選擇尺寸和規(guī)格符合車輛設計的輪胎、保持合適胎壓、充壓氣體選用化學性質及不活潑的氮氣，也有助于降低輪胎的滾動阻力。

本文先介紹一種滾動阻力預測模型，再介紹車速、胎壓、載荷和一種膠料配方對滾動阻力的影響，最后介紹一種低滾動阻力卡車輪胎項目框架。

1 基于力學的輪胎-路面系統(tǒng)結構誘導滾動阻力（SRR）預測模型[1]

本研究調查了路面結構引起的滾動阻力及其對車輛燃油消耗的影響。路面的結構響應通過路面變形和與非彈性材料特性和阻尼相關的各種耗散機制導致車輛的額外滾動阻力和燃料消耗。需要精確和計算效率高的模型來捕捉這些機制，并獲得對車輛油耗變化的實際估計。目前，有兩種基于機械原理的方法用于計算與結構滾動阻力相關的車輛燃料消耗:耗散誘導法和偏轉誘導法。本文采用偏轉誘導的方法，引入了路面-車輛相互作用(PVIs)的真實特征。本文提出了一種計算路面結構響應引起的車輛油耗的理論方法，除了考慮瀝青混凝土層的粘彈性外，還包括不均勻的三維輪胎接觸應力和路面模擬中的動態(tài)分析（圖1）。模擬了不同材料性能、不同路面阻尼系數(shù)、不同路面粘彈性、不同路面溫度和不同車速的路面結構。此外，通過輪胎有限元數(shù)值模擬，得到了輪胎在路面上的接觸應力。結合具有代表性材料性能和路面-輪胎相互作用復雜性的路面結構細節(jié)，可靠地評價路面結構響應對車輛滾動阻力的影響。

本文提出了一種實用的方法，以真實估計路面偏轉引起的車輛油耗變化；利用外功率來計算路面結構相關的功耗，使得分析框架的有限元模型具有適用性；為了準確確定路面的耗能和滾動阻力，應將路面瀝青混凝土層模擬為粘彈性，考慮動荷載和層間阻尼的影響，并使用實際輪胎接觸應力施加移動輪胎荷載。忽略上述因素會導致高達30-50%的誤差。

2 車速、胎壓、載荷和一種膠料配方對滾動阻力的影響

2.1 不同車速下輪胎壓力與滾動阻力的關系[2]

在牽引力作用在路面之前，輪胎輸出的是車輛的最終扭矩。輪胎壓力變化時，對車輛的滾動阻力有直接影響，并降低了牽引力，同時這也會影響燃料消耗率和駕駛舒適性。這項研究測試了車速在40 km/h與100 km/h之間時，采用滑行技術測定汽車在輪胎壓力為25 psi和45 psi時的阻力，并與汽車制造中設定的35 psi的參考輪胎壓力進行了比較。計算結果表明，當車速為0時，在25 psi的輪胎壓力下所產(chǎn)生的總阻力比參考值增大48.52%，而在45 psi的輪胎壓力下所產(chǎn)生的總阻力比參考值減小13.46%。在本研究中，由于車輛只改變了輪胎的壓力，而對空氣動力學阻力沒有影響，故將在35 psi的輪胎壓力與另外2個輪胎壓力值下所產(chǎn)生的不同阻力稱為不同的滾動阻力。在輪胎壓力為25 psi與45 psi時，不同的滾動阻力隨著車速的增加而減小，這種關系可以用一個線性方程來擬合（圖2）。其中，當輪胎壓力25 psi時方程的斜率為0.2358，當輪胎壓力為45 psi時方程的斜率0.0828，這些受由橡膠制成的輪胎特性的影響。在車速較低的情況下，輪胎變形的頻率也較低，并且由于遲滯現(xiàn)象造成了較高的能量損失，因此產(chǎn)生了較高的滾動阻力。車輛高速行駛時，輪胎變形的頻率增大，使橡膠分子的振動大于低速行駛時的情況，這會使輪胎比低頻振動時更硬，從而導致滾動阻力下降。此外，由高胎壓引起的高頻振動會對實際駕駛條件下的舒適性產(chǎn)生影響。

圖1 （a）傾向于在粘彈性中消散能量材料作為一種功能溫度（米其林2003）和（b）耗散能量粘彈性材料各種溫度和負荷利率[2]

本研究重點研究了輪胎壓力和滾動阻力的影響。結果表明，輪胎壓力較低時其在平直的路面上旋轉時的變形要大于高胎壓下的情況，并造成了較高的遲滯損失?？紤]到遲滯現(xiàn)象，輪胎在高車速下的變形小于低車速下的變形，因此遲滯現(xiàn)象造成的能量損失很小，可以將更多的輸出轉矩傳遞到道路上。但是隨著車速的增加，輪胎與路面接觸的時間減少，從而滾動阻力值減小。

圖2 與參考輪胎壓力為35 psi的阻力相比，不同的阻力[2]

2.2 載荷和充氣壓力對輪胎滾動阻力的影響[3]

輪胎載荷和充氣壓力是控制道路車輛滾動阻力的重要因素，本文介紹了GDAńSK工業(yè)大學在實驗室中和在不同路面上對不同車胎滾動時的測量結果。對滾動阻力特性的了解對于汽車動力學建模和油耗建模具有重要意義，在未來標準化的滾動阻力測量方法中，建立合適的試驗條件也是十分必要的。結果表明，載荷的增加往往導致滾動阻力的增大，但它對滾動阻力系數(shù)的影響更為復雜和不可預測；具有高滾動阻力的輪胎比低滾動阻力輪胎對充氣壓力變化更敏感。

可以從本文的試驗中得出如下結論：

（1）對于給定的輪胎、路面條件和速度，在恒定的充氣壓力下，輪胎負荷的增加總是導致滾動阻力增加。然而，滾動阻力系數(shù)的變化取決于輪胎和路面組合，因此滾動阻力系數(shù)可能會減小、增大或保持相當穩(wěn)定。負荷變化引起的滾動阻力系數(shù)的變化可能很大。例如，輪胎SRTT（T1077）在修整后的粗糙表面（APS4r17）上滾動時，載荷從150 kg增加到600 kg會導致滾動阻力系數(shù)從0.0160降低到0.0118；而對在多孔彈性路面（PERSr17）上滾動的具有侵蝕性胎面花紋的輪胎（T1063）施加的相同載荷變化時，滾動阻力系數(shù)從0.0116增加到0.0143，見圖3。這一觀察表明，未來的公路滾動阻力測量標準必須對用于測試輪胎的負荷施加嚴格的限制(公差)。

圖3 負載和通脹的綜合影響輪胎T1076在復制品路面PERSr17上滾動，速度為80公里/小時[3]

（2）在恒定負荷下，輪胎充氣壓力的增加總是降低滾動阻力系數(shù)，但其減小速度(敏感性斜率)在很大程度上取決于滾動阻力的“絕對水平”。滾動阻力系數(shù)值較高的輪胎比低滾動阻力輪胎對于胎壓的變化更為敏感。對于低阻力輪胎，充氣壓力調整的精度不是關鍵，但對于高滾動阻力的輪胎，即使是較小的充氣壓力變化也會導致滾動阻力的實質性變化（胎壓變化10 KPa時，滾動阻力變化可達3.5%）。由此得出的結論是，為了保證道路滾動阻力測量的良好精度，最好是在溫暖的條件下調節(jié)充氣壓力，因為在試驗中，由于冷卻條件的不同，具有充氣壓力上限的輪胎其最終胎壓可能會不同。

（3）充氣壓力和載荷對滾動阻力系數(shù)的綜合影響一般非常復雜，對于不同的輪胎/路面組合可能存在差異。同時，輪胎的性能在很大程度上取決于路面的紋理。

2.3 創(chuàng)新輪胎膠面材料降低滾動阻力和改善濕抓地力[4]

在輪胎胎面的彈性體化合物中，作者研究了二氧化硅-有機硅烷偶聯(lián)劑體系對炭黑的替代作用以及改變加工步驟對載重子午線輪胎力學性能、滾動阻力和濕抓地力的影響。制備了八種化合物，其中兩種為基于炭黑的配方，五種為用硅烷偶聯(lián)劑體系部分替代炭黑的配方，一種為用二氧化硅完全替代炭黑的配方。與標準化合物相比，應用具有15份二氧化硅、3份有機硅烷和三個加工步驟的化合物，能使?jié)L動阻力降低10%，并且濕抓地力增加18.5%。這些加工步驟也促進了具有50份炭黑的化合物性能的改善?；衔镏胁糠质褂枚趸铚p少了磨損，從而證實了化合物的耐久性。一部分分析結果見圖4。

圖4 開發(fā)化合物的動態(tài)力學分析結果：濕抓地力和滾動阻力，標準化合物的值（50/0/0.0-1）被認為等于零[4]。

3 通過開發(fā)創(chuàng)新的低滾動阻力卡車輪胎概念實現(xiàn)低油耗貨運[5]

LORRY項目的目的是通過開發(fā)創(chuàng)新的低滾動阻力輪胎概念和一個全面的節(jié)能管理工具箱，減少卡車運輸?shù)奶甲阚E。其目標是在項目框架內開發(fā)的主動輪胎和從動輪胎必須至少減少20%的滾動阻力，這相當于燃料消耗和二氧化碳排放減少5%；卡車輪胎磨損（改善10%）和濕安全性能水平也將得到進一步改善。新提出的此概念超出了目前的技術狀況和利益相關者或市場對輪胎滾動阻力、里程數(shù)、駕駛安全、駕駛性能、材料和制造可持續(xù)性的預期。為實現(xiàn)這一目標，已開始采用多學科方法，涵蓋輪胎技術、橡膠和填料技術、納米技術、復合物理、感官、運輸和道路基礎設施等領域（項目結構見圖5）。這一套完整的互補科學評估方法使人們能夠理解新胎面花紋設計與新材料復合材料之間的相互作用，以及輪胎性能對輪胎-車輛操作和道路狀況的依賴性。

該項目的主要創(chuàng)新之處是：

新胎面花紋的設計；

先進納米結構汽車輪胎復合材料的開發(fā)；

通過新的測試方法和模型，結合多維度現(xiàn)象理解及相關預測實驗和虛擬分析工具的開發(fā)增強特征；

輪胎性能評估-現(xiàn)場評價；

輪胎的性能分析與建模。

到目前為止，已經(jīng)做了一些重要的改進，特別是在多區(qū)域復合方面，以及在保持卡車輪胎在整個壽命期內的性能方面。在滾動阻力方面的改善超過9%，濕抓地力提高了20%（重要的安全指標），同時輪胎耐久性也得到提高。