轮胎滚阻与油耗基本知识探讨

•
根据专业测试，当汽车以100 km/h的车速匀速行驶时，主要会受到空气 阻力、汽车内部部件之间的摩擦力以及轮胎的滚动阻力这三种阻力的影响 。三者分别占到全部阻力的60%、15%和25%。 对汽车来说，全车25%的油耗用在克服轮胎的滚动阻力上，为了减少这部 分阻力， 各大轮胎品牌改良了轮胎花纹及采用特殊橡胶轮胎及辐射状非 对称花纹轮胎以及结构轮胎的优化（接地面积越大，滚动阻力越大，克服 阻力所消耗的能量越多），在减少轮胎滚动阻力的同时，保证了轮胎应有 的抓地性，有关机构测试表明轮胎每减少滚动阻力20%~30%，即可省油 6%~8%。
11
• •
• • • • • • •
1 轿车子午线轮胎滚动阻力的测试 本试验轮胎的滚动阻力在美国生产的TTM3 型转鼓试验机上测试,试验方法 参照国际标准ISO/DIS8768 中的规定。滚动阻力可以通过4 种方法测试并 计算,本试验采用测力法,其计算公式如下: Fr = Ft (1 + Rt/ R) 式中 Fr ———轮胎的滚动阻的轮胎滚动半径,m; R ———试验转鼓半径,m 。 从上述公式可以看出,只要测出传感器上 的力就可以计算出轮胎的滚动阻力。
3.2 带束层材料
主要的受力部件,它承受充气压力所产生应 力的60% ～70% 。
3.3 胎面材料
轮胎胎面胶材料的选用对轮胎的 滚动阻力影响较大,一般情况下由 胎面产生的滚动阻力占轮胎滚动 阻力的49% 。 胶种和炭黑品种对胎面胶的滚动阻力起决 定作用。近几十年来,白炭黑已被广泛应 用于胎面胶中以降低轮胎的滚动阻力,但 是白炭黑的应用必须配合硅烷偶联剂,才 能够在保证轮胎耐磨性和湿滑路面上的牵 引力不变的前提下,降低轮胎的滚动阻力。
目录
一、滚动阻力 二、影响因素 1.轮胎断面高宽比 2.轮辋直径 3.轮胎材料 4.气压和负荷
1
一、滚动阻力
1. 车辆在行驶过程中的油耗主要损失在为克服各种阻力而做的功上。
空气阻力
25%
汽车内部部件之间的摩擦力 轮胎的滚动阻力
60%
15%
2
滚动阻力（续）
2.轮胎的滚动阻力是怎么产生的呢？ 轮胎形变-（橡胶弹性体）-能量损失，占滚动阻力90%～95% 。 减少轮胎滚动阻力的同时，保证了轮胎应有的抓地性. 轮胎每减少滚动阻力20%~30%，即可省油6%~8%
10
•
•
•
•
首先要明确的是，一切节省油耗的措施，都是在保证车辆安全行驶的前提 下采取的，尤其是在选择轮胎方面。要想弄明白轮胎耗油的原因，首先要 了解轮胎的滚动阻力。 轮胎的滚动阻力是怎么产生的呢？当车辆行驶时，轮胎受汽车负载会变形 。轮胎本是是橡胶体，具有粘弹特性的，所以当轮胎因运动而变形回位时 ，这种类型的材料会损失部分能量并转化为热能。轮胎因运动而变形，不 断造成能量损失，这就是产生轮胎滚动阻力的主要原因，大约占到轮胎全 部滚动阻力的90%～95%。 很明显，只要降低了轮胎的滚动阻力，整个汽车受到的阻力就会下降，由 此就可达到降低油耗的目的。怎样才能做到既减少轮胎的滚动阻力，又不 影响轮胎的抓地性能呢？ 一般来讲，整车厂商在设计生产一款车型前，都会做大量的实验，为车辆 匹配不同的轮胎，使其达到比较经济省油的状况。因此，原车配套的轮胎 应该是比较省油的，最好不要轻易更换。但是由于批量生产的缘故，整车 生产商很难将性能最好或最节省燃油的轮胎配套在量产的车型上，因此， 为了进一步得到较低的油耗，您可以选择一些较先进的节能轮胎。
14
• • • •
2．3
轮胎材料
•
•
轮胎胎面胶材料的选用对轮胎的滚动阻力影响较大,一般情况下由胎面产生的滚动阻力 占轮胎滚动阻力的49% 。 胎面胶主要由NR 、SR、填充剂、油、硫化剂和其它助剂等组分组成,每种材料对轮胎的滚动阻 力都有一定的影响。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。近几十年来,白 炭黑已被广泛应用于胎面胶中以降低轮胎的滚动阻力,但是白炭黑的应用必须配合硅烷偶联剂,才 能够在保证轮胎耐磨性和湿滑路面上的牵引力不变的前提下,降低轮胎的滚动阻力。 试验测定当速度为80km/h 时,以TM( E2SBR) ,S11 (S2SBR) 和S12 (S2SBR) 为胎面材料的 225/50R16 轮胎的滚动阻力分别为50173,46.41 和43.18N 。由此可见,采用S2SBR 为胎面胶的 轮胎滚动阻力低于E2SBR 为胎面胶的轮胎。进一步的研究表明[2] ,如果在采用S2SBR 的同时, 加入适量的白炭黑和硅烷偶联剂,可以更有效地降低轮胎的滚动阻力。。 在SR 的应用方面,由于溶聚丁苯橡胶( S2SBR) 的分子特性,其滞后损失比乳聚丁苯橡胶( E2SBR) 低,因而正越来越多地用于轿车子午线轮胎中
7
小结：
以上分析表明,轿车子午线轮胎的滚动阻力受多方面因素的影响,但起决定作 用的是由于轮胎变形产生的滞后损失以及所用材料本身的滞后损失。因此,要降 低轮胎的滚动阻力,必须减小轮胎的变形.
断面高宽比的减小
S2SBR和白炭黑等 滞后损失小的材料
滚阻力
轮辋直径的增大
高模量的材料作带束层
8
谢谢！
9
•
3
二、影响因素
1 轮胎断面高宽比
轮胎滚动阻力随轮胎断面高宽比的减小而减小
不同系列(70,65) 185/* R14
在低速状态下,两个系列轮胎的滚动阻力相差较大,随着速度的增大,这种差别 逐渐减小,速度从50km /h 增大到120km /h 时,两者之间的差从41% 减小到22%.
4
2
轮辋直径
相同断面宽和高宽比轮胎185/60R*
15
13
• • •
2．3 轮胎材料 2．3．1 胎体帘线 在国内外轿车子午线轮胎设计和生产中,胎体帘线采用较多的为尼龙和聚酯帘线。在20 世纪70 年代以及80 年代初期,人造丝也曾被广泛应用于轿车子午线轮胎。但是人造丝的生产对环境污染 较严重,随着人们对环保要求的提高,在80 年代中期,轮胎工业中已很少使用人造丝,而聚酯帘线尤 其是高模量、低收缩聚酯帘线(DSP) ,因其强度大,高温下变形小,滞后损失明显低于普通帘线,因 此越来越多地应用于轮胎工业。为了进一步降低轮胎的滚动阻力,人们还将玻璃纤维或芳纶用于 胎体或带束层。 • 由此可见,同一规格的轮胎使用不同的胎体材料,其滚动阻力有明显差异。芳纶帘线制成的轮胎滚 动阻力最低,DSP 聚酯帘线的轮胎滚动阻力介于芳纶帘线轮胎和普通聚酯帘线轮胎之间。这主要 是由于芳纶帘线的强度比聚酯帘线高,在使用过程中轮胎的变形小,产生的滞后损失小;另一方面, 由于使用了芳纶帘线,轮胎的质量减小,也有利于降低轮胎的滚 • 2．3．2 带束层帘线 • 在子午线轮胎中,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% 。为了控 制轮胎在使用过程中的变形,轮胎设计者选用了高模量的材料用作带束层帘线,使带束层的伸张最 小,从而有效地控制轮胎的变形,以降低轮胎滚动阻力。 图1 示出了4 种不同带束层帘线的轮胎滚动阻力与速度的关系。从图1 可以看出,芳纶帘线带束层的 轮胎滚动阻力明显较低,在一定的速度范围内,随着速度的增大,芳纶帘线和其它帘线轮胎的滚动 阻力差别越来越大。其主要原因仍是芳纶帘线的强度较高以及较小的轮胎质量降低了轮胎的滚 动阻力。
12
1. 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的部分 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。因此,随着速度的增大,两者的差别减小。 2. 这是由于轮辋直径增大后,在相同的垂直负荷下,轮胎的变形相对减 小,降低了轮胎滚动过程中产生的滞后损失,从而使轮胎滚动阻力降 低。 3. ****** 4. 这是由于充气压力的增大,实际上增大了轮胎本身的刚度,在轮胎的 滚动过程中,其整体变形减小,由此产生的滞后损失减小,从而降低了 轮胎的滚动力。
6
4
气压和负荷
4.1 气压
试验测定当充气压力为175 ,280 和350kPa 时,205/60R15 二层聚酯帘线胎体轿车子 午线轮胎在80km /h 速度下的滚动阻力分别为56.3, 53.2 和47.1N 。由此可见,随着充 气压力的增大,轮胎的滚动阻力降低。
4.2 负荷
试验测定当负荷为2822.4,4723.6 和5360.6N 时,205/60R15 轮胎在80km /h速度下 的滚动阻力分别为33.2,53.2 和51.0N。由此可见,在一定的负荷范围内,轮胎滚动阻力随 负荷的增大而增大,当达到一定的负荷后,负荷增大,滚动阻力基本保持不变。
轮辋直径增大1 inch, 轮胎的滚动阻力降低约16%, 随着速度的增大,这种差 别变化很小。 轮辋直径增大后,在相同的垂直负荷下,轮胎的变形相对减小,降低了轮胎滚 动过程中产生的滞后损失,从而使轮胎滚动阻力降低。
5
3
轮胎材料
3.1 胎体材料
试验测定当速度为80km /h时,普通聚酯单层、DSP 聚酯和芳纶为胎体材料的165/70R13 轮胎的滚动阻力分别为68,65 和45N 。