任軍鋒

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，北京 101400)

輪胎滾阻與汽車油耗的試驗研究

任軍鋒

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，北京 101400)

說明影響汽車燃油經(jīng)濟性的各種因素；通過試驗對比分析，重點分析輪胎滾動阻力對汽車燃油消耗的影響；并介紹了降低輪胎滾動阻力的措施。

燃油消耗；滾動阻力；試驗研究

0　引言

汽車工業(yè)的快速發(fā)展給環(huán)境帶來了巨大的壓力，節(jié)約燃油、保護環(huán)境已經(jīng)引起各國政府、汽車制造商及汽車用戶的重視。影響汽車燃油油耗的因素很多，其中包括輪胎的滾動阻力，具體分布見表1。

表1　轎車汽車燃油消耗組成

因為滾動阻力的原因，輪胎所造成的燃油消耗量約占整個轎車燃油消耗的20%，在卡車中，則約占1/3。

1　輪胎滾動阻力對燃油的消耗

輪胎對汽車燃油能量的消耗主要表現(xiàn)在滾動阻力，在不同的路況下輪胎滾動阻力各不相同。輪胎的滾動阻力可以從以下幾個方面來解釋：

1.1輪胎滾動阻力的定義

滾動阻力是指每單位距離所消耗掉的能量，相當于所有相切于測試面以及平行于輪胎平面的接觸力的標量總和。滾動阻力的單位是J/m或者簡單表示為N，但從概念上來說滾動阻力被理解為單位行駛距離的能量損失比單純地理解為力更準確一些。

1.2滾動阻力的主要來源和表現(xiàn)

滾動阻力主要來源是車輪滾動時與路面接觸區(qū)域發(fā)生變形，此時由于輪胎的內(nèi)部(主要是胎面中部和胎側部)摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失，使得輪胎變形時所做的功不能全部收回，而以熱量的形式損失。

輪胎滾動阻力主要表現(xiàn)在空氣阻力、輪胎變形與慣性帶來的遲滯損失和摩擦阻力3個方面。其中空氣阻力占0～15%，輪胎遲滯損失占80%～90%，摩擦阻力不大于5%。可見輪胎滾動阻力最主要的構成是輪胎本身的變形和慣性帶來的能量消耗。

1.3滾動阻力對燃油的影響

據(jù)統(tǒng)計：公路型汽車輪胎滾阻消耗的燃料占總燃料的百分比是：轎車8%～20%，即每100 L的燃油中，有8～20 L消耗于輪胎的能量損失；卡車25%～35%，即每100 L的燃油中，有25～35 L消耗于輪胎的能量損失。

為了更好地理解滾動阻力對燃油經(jīng)濟性的影響，1988年Schuring提出了回報率因素(回系數(shù)α)的概念(也被叫作能量比或能源利用率)：

式中：a1為能量在燃燒消耗中的減少百分比；a2為能量在滾動阻力中的減少百分比。

對乘用車和輕卡，回系數(shù)一般處于(1∶10)～(2∶10)之間。這說明滾動阻力10%的降低會形成燃油經(jīng)濟性1%～2%的改善；對于重卡，回系數(shù)更高，一般在(1∶10)～(3∶10)范圍內(nèi)，故而可以看出卡車的節(jié)油可能性比乘用車高[1]。

2　滾動阻力與燃油消耗試驗分析

2.1CAE分析計算

建立CAE計算模型，根據(jù)車型參數(shù)進行分析計算。表2 為某種車型在80 km/h下的等速油耗，可以看出：在80 km/h的車速下，輪胎滾動阻力降低10%，燃油經(jīng)濟性得到4.9%～5.9%的改善。

表2　某種車型80 km/h等速油耗

2.2試驗驗證

2.2.1試驗策劃

為了驗證滾動阻力對燃油的影響，選取了3家輪胎供應商同規(guī)格型號的輪胎進行試驗。整個試驗分3個階段進行：

(1)檢測輪胎的滾動阻力系數(shù)。利用臺架進行檢測。

(2)檢測滑行阻力。利用整車試驗檢測安裝不同輪胎時的滑行阻力。

(3)檢測油耗。利用轉鼓試驗臺進行等速油耗檢測，將每種輪胎的滑行阻力輸入轉鼓試驗臺，其他參數(shù)保持一致。具體試驗策劃見表3。

表3　滾動阻力與燃油消耗試驗策劃表

注：轉鼓試驗車速分別是 80 km/h。

2.2.2試驗結果與數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗策劃方案，分別測得各種輪胎的滾動阻力系數(shù)及對應的燃油消耗，具體見表4。

表4　滾動阻力系數(shù)與燃油消耗

2.2.3試驗總結

CAE分析計算結果和試驗測得燃油消耗基本一致，從而得出降低輪胎滾動阻力可以有效地提升燃油經(jīng)濟性。驗證中的輪胎滾動阻力降低約25%，燃油消耗降低約15%。以典型卡車為例(6輪)：每年行駛100 000 km，百公里油耗為35 L，則每年的油耗為35 000 L，通過降低輪胎滾動阻力，每年可節(jié)省燃油5 250 L；每升燃油按6元計算，一年可節(jié)約成本31 500元。

3　降低輪胎滾動阻力的措施

降低輪胎的滾動阻力可以有效節(jié)約汽車燃油。為了達到節(jié)約燃油的目的，采取以下幾種措施可以減小輪胎的滾動阻力。

3.1采用子午線結構的輪胎

子午線輪胎簾布層簾線排列的方向與輪胎的子午斷面一致，簾布層數(shù)一般比普通斜交輪胎減少40%～50%，成輻射狀，胎側部分柔軟，胎面內(nèi)側有帶束層，從而提高了外胎面的剛度。由于胎面剛性大，而胎側部分柔軟，使其強度得到充分利用。輪胎在滾動過程中，胎側變形較大，胎面變形較小，輪胎不斷發(fā)生加載壓縮與卸載恢復，兩者變形量的差值較小，所以子午線輪胎彈性遲滯損失小，附著性能好，胎面滑移小，對地單位壓力也小，滾動阻力矩較小，燃油經(jīng)濟性就好[2]。見圖1、圖2。

3.2適當提高輪胎氣壓

較高的輪胎氣壓減小了輪胎曲撓和層間剪切變形，從而降低輪胎的滾動阻力，節(jié)約燃油。如果輪胎氣壓過高，接地面積減小，輪胎中部會出現(xiàn)異常磨損。

3.3優(yōu)化輪胎結構

通過優(yōu)化胎面花紋形狀、花紋深度、輪胎接地面積及帶束層布置方式等措施可以有效降低輪胎的滾動阻力，達到節(jié)約燃油的目的。如米其林的X-one型輪胎，帶束層采用沿輪胎圓周0角度纏繞無接頭技術，可以降低燃油消耗10%左右。圖3 是兩個卡車輪胎在相同的負荷及充氣壓力下運轉時，利用紅外線照相機拍攝到的圖片，說明不同的膠料配方和胎面花紋所產(chǎn)生的熱量不同，影響輪胎的滾動阻力。

3.4改變輪胎胎面膠料配方

硅膠技術在胎面膠料配方中的成功應用，有效地降低了輪胎滾動阻力，與普通的炭黑輪胎相比，滾動阻力最大可以降低15%，相應可節(jié)約燃油2%～3%。

4　未來汽車輪胎的發(fā)展方向

4.1綠色輪胎成為主流(子午線化)

綠色輪胎是指由于應用新材質和設計，而導致滾動阻力小，因而耗油低、廢氣排放少的子午線輪胎。

北京化工大學彈性體中心在和北京首創(chuàng)輪胎有限責任公司的合作下，成功研制出了3個規(guī)格的碳納米管復合材料高性能節(jié)油輪胎。北京化工大學彈性體中心通過與首創(chuàng)輪胎的合作，成功地將碳納米管復合材料應用到了綠色節(jié)油輪胎的胎面膠中去，生產(chǎn)出了節(jié)油性能優(yōu)異的3種規(guī)格的碳納米管復合材料高性能節(jié)油輪胎，新的節(jié)油輪胎標對比以往的炭黑輪胎可實現(xiàn)節(jié)油5%。

綠色輪胎具有以下技術特點：

(1)采用新材質(如硅化合物)配方，降低了滾動阻力和能量損耗；

(2)胎面縱向加強筋確保濕路性能，實現(xiàn)接地壓力均一化，提高制動性；

(3)通過斷面形狀的優(yōu)化設計，確保剛性最佳化，改善滾動阻力。

4.2新一代寬斷面輪胎(扁平化)

在載重子午輪胎方面，重點發(fā)展無內(nèi)胎、扁平化載重胎。目前，大型載重貨車已向一條寬斷面輪胎取代兩條普通輪胎的方向發(fā)展。

4.3無內(nèi)胎化

無內(nèi)胎子午線輪胎現(xiàn)已廣泛應用轎車、載重汽車、公共汽車及特種車輪上，與普通輪胎相比具有以下優(yōu)點：

(1)外胎兼內(nèi)胎、簡化了胎體結構、減輕了輪胎質量，有利于車輛輕量化發(fā)展；

(2)降低了輪胎的滾動阻力和輪胎的溫升；

(3)與普通輪胎相比，制動距離短、散熱快、抗刺穿、安全性好；

(4)堅固耐用、維修方便[3]。

5　總結

輪胎滾動阻力是影響汽車燃油消耗的重要因素之一，通過胎面膠料配方調(diào)整、輪胎結構優(yōu)化設計等方法可以有效降低輪胎滾動阻力，達到節(jié)約燃油的目的。通過試驗分析可以得出，商用載貨汽車輪胎滾動阻力降低10%，可以節(jié)約燃油5%～6%。隨著新材料的應用及新技術發(fā)展，將會開發(fā)出更小滾動阻力的輪胎，以改善車輪運動性能和燃油經(jīng)濟性，進而為環(huán)境保護做出貢獻。

【1】劉琦，陳強，楊建國.輪胎滾動阻力對整車燃油經(jīng)濟性的影響[J].汽車零部件，2011(8):77-80.

【2】陳強明.輪胎滾動阻力與汽車燃油經(jīng)濟性的關系[J].蘭州交通大學學報，2006，25(1):46.

【3】楊敏.我國汽車輪胎市場的發(fā)展趨勢[J].汽車情報,2003(25):19-21.

【4】莊繼德.現(xiàn)代汽車輪胎技術[M].北京：北京理工大學出版社,2001.

Experimental Study on Tire Rolling Resistance and Fuel Consumption

REN Junfeng

(R & D Center,Beijing Foton Daimler Automotive Co., Ltd.,Beijing 101400,China)

The various factors affecting vehicle fuel economy were described. Through experiment contrast analysis, the influence of tire rolling resistance on the fuel consumption was focused on. Some methods to reduce rolling resistance were introduced.

Fuel consumption; Rolling resistance; Testing study

2015-06-25

任軍鋒(1979—)，男，工程師，研究方向為車輛底盤系統(tǒng)檢測與評價。E-mail:renjunfeng1727@sina.com。