廣告
【技術(shù)分享】輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響分析
2019-04-19 13:50:49· 來源：《技術(shù)導(dǎo)向》 作者：朱曉，楊情操，許永斌
摘要：文章分析了輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因，影響滾動(dòng)阻力的主要因素，簡(jiǎn)要敘述了滾動(dòng)阻力的測(cè)試方法，并以輪胎實(shí)例臺(tái)架測(cè)試和仿真計(jì)算說明，降低輪胎滾動(dòng)阻力是提
摘要：文章分析了輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因，影響滾動(dòng)阻力的主要因素，簡(jiǎn)要敘述了滾動(dòng)阻力的測(cè)試方法，并以輪胎實(shí)例臺(tái)架測(cè)試和仿真計(jì)算說明，降低輪胎滾動(dòng)阻力是提升車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的重要方向之一。
關(guān)鍵詞：燃油經(jīng)濟(jì)性，輪胎滾動(dòng)阻力，汽車
引言
研究表明，由于輪胎滾動(dòng)阻力的原因，其所造成的燃料消耗約占整個(gè)車輛燃料消耗量的30%。而根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，目前全球汽車所排放的二氧化碳占全球二氧化碳總排放量的18%。因此，國家正在大力倡導(dǎo)建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)，開發(fā)節(jié)能環(huán)保型車輛責(zé)無旁貸。
汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性主要受汽車行駛時(shí)遇到的阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)有效油耗率的影響。通過降低這兩個(gè)因素的影響來減少汽車的耗油量，是提高汽車經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。本文介紹了輪胎滾動(dòng)阻力成因、主要影響因素、測(cè)試方法以及通過實(shí)例說明輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)汽車耗油量的影響。
一、輪胎滾動(dòng)阻力的成因
輪胎本身材料和結(jié)構(gòu)屬性及道路的作用，使輪胎在滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了阻礙前進(jìn)的滾動(dòng)阻力。輪胎在滾動(dòng)過程中，彎曲變形是起支配作用的輪胎變形型式，循環(huán)變化的應(yīng)力－ 應(yīng)變?cè)斐赡芰繐p耗，形成輪胎滾動(dòng)阻力，也稱為輪胎遲滯能量損耗。
當(dāng)輪胎不滾動(dòng)時(shí)，地面對(duì)輪胎的法向反作用力分布是前后對(duì)稱的；但當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，在法線nn'前后相對(duì)應(yīng)點(diǎn)d和d' 變形雖然相同( 見圖1( a) ) ，但由于彈性遲滯現(xiàn)象，處于壓縮過程的前部d點(diǎn)地面法向反作用力就會(huì)大于處于恢復(fù)過程的后部d'點(diǎn)地面法向反作用力( 見圖1( b) ) ，這兩點(diǎn)變形設(shè)為δ，壓縮時(shí)的受力為CF，恢復(fù)時(shí)的受力為DF，而CF大于DF，這樣就使地面法向反作用力的分布前后不對(duì)稱，而使它們的合力FZ相對(duì)于它們的法線nn'向前移了一段距離a( 見圖2( a) ) ，它隨彈性遲滯損失的增大而變大。合力FZ與法向載荷W大小相等，方向相反。如果將法向反作用力W 平移到與通過輪胎中心的垂線重合，則輪胎在硬路面上滾動(dòng)時(shí)的受力情況如圖2( b) 所示形式，即滾動(dòng)時(shí)有滾動(dòng)阻力偶矩Tf = FZa阻礙輪胎滾動(dòng)。也就是說彈性遲滯損失是以輪胎滾動(dòng)阻力偶矩來造成對(duì)汽車行駛的阻力。
圖1 彈性輪胎在硬路面上的滾動(dòng)情形
圖2 輪胎( 從動(dòng)) 在硬路面上滾動(dòng)時(shí)的受力情形
同時(shí)，由圖2看出，要使輪胎在硬路面上滾動(dòng)，需在輪胎中心加一推力Fp1，它與地面切向反作用力構(gòu)成一力偶來克服滾動(dòng)阻力偶矩。由平衡條件得: Tf = Fp1 r，即Fp1 = Tf /r = FZ( a /r) ，令a /r =f，則Fp1 = Wf，其中，f 稱為滾動(dòng)阻力系數(shù)?？梢姖L動(dòng)阻力系數(shù)是輪胎在一定條件下滾動(dòng)時(shí)所需推力與輪胎負(fù)荷之比值，即單位車重所需推力?；蛘哒f，滾動(dòng)阻力等于滾動(dòng)阻力系數(shù)與輪胎負(fù)荷的乘積，即Ff = Wf。
二、輪胎滾動(dòng)阻力主要影響因素
影響輪胎滾動(dòng)阻力的因素很多，包括所用材料、輪胎結(jié)構(gòu)、外部使用條件等。從輪胎結(jié)構(gòu)方面看，子午線輪胎的滾阻低于斜交輪胎。
( 1) 輪胎斷面高寬比：一般情況下，輪胎滾動(dòng)阻力隨輪胎斷面高寬比的減小而減小。但隨著速度的增加，這種差別逐漸減小，這主要是由于輪胎斷面高寬比越大，輪胎變形越大，而在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，離心力的作用抵消了垂直負(fù)荷作用使輪胎結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了部分變形，從而減小了輪胎所用材料中形成的滯后損失，降低了輪胎的滾動(dòng)阻力。
( 2) 輪輞直徑：輪輞直徑對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響主要表現(xiàn)在輪輞直徑增大25.4 mm，輪胎滾動(dòng)阻力降低約16%。隨著速度的增大，這種差別基本保持不變。這是由于輪輞直徑增大后，在相同的垂直負(fù)荷下，輪胎變形相對(duì)減小，降低了輪胎滾動(dòng)過程中產(chǎn)生的遲滯損失，從而使輪胎滾阻降低。
3) 輪胎材料：同一規(guī)格的輪胎使用不同胎體材料，其滾動(dòng)阻力有明顯差異；子午線輪胎的帶束層是主要的受力部件，它承受充氣壓力所產(chǎn)生應(yīng)力的60% ～ 70%，選用高模量的材料用作帶束層簾線，使帶束層的伸張最小，可有效地控制輪胎的變形，以降低輪胎滾動(dòng)阻力；胎面膠的材質(zhì)對(duì)輪胎 滾動(dòng)阻力影響也較大，通常由胎面產(chǎn)生的滾動(dòng)阻 力占輪胎滾動(dòng)阻力的50%。研究表明，膠種和炭 黑品種對(duì)胎面膠的滾動(dòng)阻力起決定作用。目前， 白炭黑配合硅烷耦聯(lián)劑能夠在保證輪胎耐磨性和 濕滑路面上牽引力不變的前提下，降低輪胎滾動(dòng) 阻力。
( 4) 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。
5) 輪胎行駛速度：輪胎的行駛速度對(duì)其滾動(dòng)阻力的影響較復(fù)雜，在中低速度下行駛時(shí)，對(duì)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。
( 6) 輪胎花紋：輪胎的滾動(dòng)阻力隨著胎面花紋溝數(shù)的增加而增加，這是因?yàn)闇系拇嬖?，散熱效果變好，輪胎溫度降低，并由于胎面部的真?shí)接觸面積變小，壓縮變形增加。
三、輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試方法
輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)分為室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)方法和道路試驗(yàn)方法。
道路試驗(yàn)方法分為滑行法、牽引法和功率法。道路試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)地模擬輪胎滾動(dòng)阻力情況，但道路溫度、磨損狀況及其它外部因素容易對(duì)滾阻測(cè)試造成影響，重復(fù)精度不高。
室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)是在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，它不受環(huán)境條件限制，試驗(yàn)周期短，試驗(yàn)條件可控，試驗(yàn)結(jié)果可比性好。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)方法按照測(cè)量參數(shù)的不同，可分為測(cè)力法、扭矩法、功率法和減速度法。無論采用何種方法，都要將測(cè)量數(shù)據(jù)換算成作用于輪胎與轉(zhuǎn)鼓接觸面的滾動(dòng)阻力值。國內(nèi)外輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要是GB /T 18861 － 2012、GB /T 29040 － 2012、ISO 18164：2005、ISO 28580：2009、SAE J1269：2006、ECE Ｒ117 － 2011。目前國際上滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)多采用測(cè)力法。GB /T 18861－ 2012 沒有提供不同實(shí)驗(yàn)室間或不同試驗(yàn)機(jī)之間試驗(yàn)結(jié)果的比較方法，它供研發(fā)使用，不能對(duì)輪胎進(jìn)行分級(jí)。GB /T 29040 － 2012提供了不同實(shí)驗(yàn)室間或不同試驗(yàn)機(jī)之間試驗(yàn)結(jié)果的比較方法，能夠?qū)喬ミM(jìn)行質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)。
四、輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性影響實(shí)例分析
以某一商用車裝用不同品牌的輪胎為例，進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性影響的分析。車輛參數(shù)見表1。
表1 車輛參數(shù)
( 1) A品牌和B品牌輪胎滾阻系數(shù)測(cè)定
參照GB /T 29040 － 2012，在同一臺(tái)架上，用測(cè)力法對(duì)兩個(gè)品牌的6.50Ｒ16LT輪胎進(jìn)行了滾動(dòng)阻力系數(shù)測(cè)試，試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)速度按20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h，試驗(yàn)負(fù)荷為單胎最大負(fù)荷的85%，試驗(yàn)氣壓為單胎最大負(fù)荷對(duì)應(yīng)的氣壓，具體測(cè)試結(jié)果見表2。可見，B品牌輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)明顯低于A品牌的值。
表2 輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)測(cè)試值
( 2) 車輛行駛阻力計(jì)算車輛行駛的總阻力為
式中：A為車速的二次函數(shù)項(xiàng)系數(shù)；B為車速的一次函數(shù)項(xiàng)系數(shù)；C為擬合公式常數(shù)項(xiàng)。
裝用A品牌和B品牌輪胎的車輛擬合行駛阻力曲線見圖3。
( 3) 等速行駛?cè)剂舷牧糠抡嬗?jì)算
采用Cruise軟件對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)整車狀態(tài)，建立整車仿真分析模型，將整車參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線、變速器速比及主減速比以及A品牌和B品牌輪胎對(duì)應(yīng)行駛阻力等輸入到Cruise模型中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到A品牌和B品牌輪胎對(duì)應(yīng)的整車最高檔等速行駛?cè)剂舷牧磕M計(jì)算值，見圖4。B品牌輪胎的等速油耗值低于A品牌約0.4L /100km。
圖4 整車等速行駛油耗仿真計(jì)算曲線圖
( 4) 綜合燃料消耗量仿真計(jì)算
依據(jù)GB 27840 － 2011，模擬車輛在C －WTVC工況下的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行車輛裝用A品牌和B品牌輪胎的綜合油耗計(jì)算。A品牌和B品牌輪胎的綜合油耗模擬計(jì)算結(jié)果分別為10.4L/100km和10.1L/100km，兩者相差0.3L/100km。B品牌輪胎的綜合油耗比A品牌低2.9%。
五、結(jié)語
綜上所述，輪胎的滾動(dòng)阻力是影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的不可忽略的因素之一。本文分析了輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因，影響滾動(dòng)阻力的主要因素，簡(jiǎn)要敘述了滾動(dòng)阻力的測(cè)試方法。
以兩種品牌輪胎的實(shí)例臺(tái)架測(cè)試和仿真計(jì)算說明，若輪胎滾動(dòng)阻力降低15%，大約可降低油耗3%。降低輪胎滾動(dòng)阻力是提升車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的重要方向之一。
點(diǎn)贊 0 反對(duì) 0 舉報(bào) 0
收藏 0
評(píng)論 0 分享 73
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗(yàn)方法”將有國家標(biāo)準(zhǔn)
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時(shí)代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯(lián)合國法規(guī)R59對(duì)機(jī)動(dòng)車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯(lián)合國法規(guī)R58對(duì)后下部防護(hù)裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯(lián)合國法規(guī)R57對(duì)摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
