韓福濤　蘇　杰　劉曉民　邢　力　毛成濤　黃蒲史　松　杰　滿忠雷　張少巖

（山東出入境檢驗(yàn)檢疫局山東青島266061）

輪胎滾動(dòng)阻力影響因素及測(cè)試方法研究

韓福濤蘇杰劉曉民邢力毛成濤黃蒲史松杰滿忠雷張少巖

（山東出入境檢驗(yàn)檢疫局山東青島266061）

為有效應(yīng)對(duì)國(guó)外技術(shù)壁壘，對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生機(jī)理、影響因素和測(cè)試方法進(jìn)行了研究。分析了輪胎滾動(dòng)阻力的產(chǎn)生機(jī)理，研究了輪胎材料特性、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝和使用條件對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響；分析了室外道路試驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)法與經(jīng)驗(yàn)法、間接法和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)法等4類(lèi)滾動(dòng)阻力測(cè)試方法，闡明了室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)法是輪胎產(chǎn)品滾動(dòng)阻力質(zhì)量性能評(píng)價(jià)的合適方法。

輪胎；滾動(dòng)阻力；影響因素；測(cè)試方法

1　前言

輪胎是我國(guó)重要的大宗出口商品。近年來(lái)，隨著世界各國(guó)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，輪胎生產(chǎn)領(lǐng)域加大了節(jié)油環(huán)保綠色輪胎的研發(fā)力度。由于車(chē)輛運(yùn)行所需能量由燃油燃燒提供，降低輪胎滾動(dòng)阻力就會(huì)節(jié)省燃油消耗，減少溫室氣體排放，可有效提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，保護(hù)環(huán)境。子午線輪胎滾動(dòng)阻力降低10%，轎車(chē)和輕型載重汽車(chē)可節(jié)約燃料約1.2%，載重汽車(chē)可節(jié)約燃料約3.9%［1，2］。因此，低滾動(dòng)阻力輪胎的研發(fā)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。歐盟近年來(lái)陸續(xù)公布了EC1222/2009、EC661/2009等技術(shù)法規(guī)，要求2012年11月1日以后所有歐盟范圍內(nèi)銷(xiāo)售的輪胎必須標(biāo)注輪胎滾動(dòng)阻力等關(guān)鍵指標(biāo)，并提出了分級(jí)和限值要求；美國(guó)也推出了低滾動(dòng)阻力輪胎的SmartWay認(rèn)證要求。歐美是我國(guó)輪胎主要出口市場(chǎng)，上述法規(guī)對(duì)我國(guó)輪胎出口產(chǎn)生了巨大影響和沖擊。

為有效應(yīng)對(duì)上述技術(shù)壁壘，本項(xiàng)目系統(tǒng)研究了輪胎滾動(dòng)阻力的產(chǎn)生機(jī)理，分析了輪胎材料特性、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝和使用條件對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響，闡述了室外道路試驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)法與經(jīng)驗(yàn)法、間接法和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)法等4類(lèi)滾動(dòng)阻力測(cè)試方法。

2　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(guò)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［3］。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。

3　影響因素

輪胎滾動(dòng)阻力影響因素主要包括輪胎材料特性、輪胎結(jié)構(gòu)、加工工藝、輪胎使用條件（氣壓、負(fù)荷、行駛速度、路面狀況等）等幾個(gè)方面。

3.1輪胎材料特性

3.1.1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%［4］。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(duì)滯后損失均有一定影響，但聚合物類(lèi)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［5，6］。

3.1.2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阅埽?］。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(wú)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(duì)溫度的依賴性，使膠料的滾動(dòng)阻力明顯降低［7，8］。

3.13骨架材料

骨架材料的滯后損失對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力影響很大。同規(guī)格輪胎使用不同的簾線材料，其滾動(dòng)阻力有明顯差異［9］。目前，用作輪胎骨架材料的簾線主要有鋼絲、芳綸、聚醋、人造絲和錦綸等。應(yīng)用高強(qiáng)度鋼絲和新型高性能纖維作骨架材料是降低輪胎滾動(dòng)阻力的有效方法之一。鋼絲的滯后損失較低是半鋼和全鋼子午線輪胎的滾動(dòng)阻力低于相應(yīng)規(guī)格斜交輪胎的原因之一。轎車(chē)子午線輪胎胎體簾線多采用尼龍和聚醋簾線，聚醋簾線因強(qiáng)度大，高溫下變形小，滯后損失明顯低于普通簾線［10］。

3.2輪胎結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)因素對(duì)滾動(dòng)阻力影響并非完全獨(dú)立作用，而是相互影響，需綜合考慮各項(xiàng)因素和材料配置。

3.2.1斷面高寬比

高寬比對(duì)滾動(dòng)阻力的影響比較復(fù)雜。對(duì)于扁平率較大的子午線輪胎其滾動(dòng)阻力顯著低于斜交輪胎。降低斷面高寬比即扁平化有利于提高輪胎的徑向剛性，能減小輪胎變形，有利于降低滯后損失，從而降低滾動(dòng)阻力。但也有研究認(rèn)為，在不同結(jié)構(gòu)的輪胎中，輪胎高寬比對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響有所差異［1］。

3.2.2帶束層和簾布層

減小帶束層簾線的角度，可增大胎面剛性，減小輪胎周向變形，使輪胎具有較大的滾動(dòng)半徑，降低胎面膠滯后損失以及在地面上的滑移，從而降低輪胎滾動(dòng)阻力。子午線輪胎的胎體簾布層層數(shù)少，胎側(cè)中下部位較軟，為提高下胎側(cè)剛度，減小胎圈處的變形、降低滾動(dòng)能量損失，胎體簾布層的反包高度應(yīng)很大。

3.2.3胎圈結(jié)構(gòu)

胎圈材料多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)滾動(dòng)阻力影響較大。應(yīng)采用由下向上剛度逐漸變小的原則，使應(yīng)力、應(yīng)變合理分配，降低輪胎滾動(dòng)能量損失。鋼絲圈采用更接近于圓形的六邊形結(jié)構(gòu)可能有利于降低輪胎滾動(dòng)阻力［11］。

3.2.4胎面結(jié)構(gòu)

胎面花紋設(shè)計(jì)對(duì)滾動(dòng)阻力影響較大。一般情況下縱向花紋比橫向花紋具有更低的滾動(dòng)阻力，但無(wú)論是縱向花紋還是橫向花紋，花紋溝條數(shù)增加，滾動(dòng)阻力隨之增大［11］。胎面花紋溝細(xì)而淺可增大胎面剛性，降低滾動(dòng)阻力，故胎面磨損后的舊輪胎滾動(dòng)能量損失比新輪胎?。?］。

3.3生產(chǎn)工藝

輪胎膠料采用兩段法混煉工藝，即第一段先將所有炭黑與一部分生膠進(jìn)行混煉，第二段將一段母煉膠與剩余的生膠進(jìn)行混煉，可以降低輪胎滾動(dòng)阻力，且不損害輪胎的牽引性能和耐磨性能。通過(guò)設(shè)定改變混煉程序可以使炭黑分散得更為均勻，有利于降低膠料的滯后損失，從而降低滾動(dòng)阻力。降低輪胎的硫化外溫，有利于降低輪胎的滾動(dòng)阻力，但需要更長(zhǎng)的硫化時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率。

3.4使用條件

3.4.1充氣壓力

增加充氣壓力將降低滾動(dòng)阻力，但減少的程度因輪胎負(fù)荷不同而異。隨著充氣壓力的增大，輪胎胎體簾線張緊，輪胎剛度增大，滾動(dòng)過(guò)程中在相同的負(fù)荷下下沉量降低，其整體變形減小，由此產(chǎn)生的滯后損失減小，從而降低了滾動(dòng)阻力［12］。

3.4.2輪胎負(fù)荷

滾動(dòng)阻力與輪胎負(fù)荷成正比，因此輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)（輪胎滾動(dòng)阻力與輪胎負(fù)荷的比值）可以用來(lái)表征不同規(guī)格輪胎的滾動(dòng)阻力性能。研究表明，滾動(dòng)阻力隨輪胎負(fù)荷的增大而增大，當(dāng)達(dá)到一定的負(fù)荷后，負(fù)荷繼續(xù)增大，滾動(dòng)阻力的變化量減小。

3.4.3輪胎速度

速度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響較為復(fù)雜。當(dāng)輪胎開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)阻力較高；隨著輪胎速度的提高，輪胎溫度逐漸達(dá)到平衡，使輪胎滾動(dòng)阻力降低，但輪胎速度繼續(xù)增加到產(chǎn)生駐波現(xiàn)象時(shí)，輪胎的滾動(dòng)阻力將顯著增加。同時(shí)，輪胎速度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響程度還受輪胎帶束層、高寬比等輪胎結(jié)構(gòu)和輪胎負(fù)荷的影響。

3.4.4其他使用條件

環(huán)境溫度、路面材料和粗糙度、道路曲率、輪胎側(cè)滑等使用條件均對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力有所影響［9，12，13］。輪胎的使用環(huán)境溫度高，將使輪胎達(dá)到較高的平衡溫度，滾動(dòng)阻力略有降低。路面材料輕度影響滾動(dòng)阻力，路面越粗糙，輪胎的滾動(dòng)阻力越大。曲率半徑越小，輪胎的變形越大，因而產(chǎn)生的輪胎滾動(dòng)阻力越大。

4　測(cè)試方法

目前國(guó)內(nèi)外輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試方法主要有室外道路試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法與半經(jīng)驗(yàn)法、間接法和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)法等4類(lèi)。

4.1室外道路試驗(yàn)法

室外道路測(cè)試方法有滑行法、牽引法和功率平衡法等?；蟹ㄊ钱?dāng)汽車(chē)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(cè)量記錄滑行過(guò)程中的速度-時(shí)間關(guān)系；牽引法是通過(guò)裝有測(cè)力傳感器的單輪和雙輪試驗(yàn)拖車(chē)在各種路面上進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)量［14］。由于空氣阻力影響測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)致測(cè)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(chē)穩(wěn)定行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)車(chē)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(chē)輪與底盤(pán)測(cè)功機(jī)輥筒之間以及底盤(pán)測(cè)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(cè)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(lèi)測(cè)試方法不易標(biāo)準(zhǔn)化。

4.2半經(jīng)驗(yàn)法與經(jīng)驗(yàn)法

4.2.1半經(jīng)驗(yàn)法

美國(guó)SAE J1263-1996提出的輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)公式為式（1）：

式中：f0為不隨速度變化的滾動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)于良好瀝青或混凝土路面取0.014，卵石路面取0.025，砂石路面取0.020；fv為速度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響系數(shù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出影響系數(shù)后就可以利用上述公式求出不同速度下的輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)和滾動(dòng)阻力［7］。

4.2.2經(jīng)驗(yàn)法

對(duì)于轎車(chē)輪胎，在良好的硬路面上的滾動(dòng)阻力系數(shù)fr的經(jīng)驗(yàn)公式［7，15］為式（2）或式（3）：

當(dāng)v＜50km/h時(shí)，取fr=0.0165。

對(duì)于載重汽車(chē)輪胎，在良好的硬路面上的滾動(dòng)阻力系數(shù)fr的經(jīng)驗(yàn)公式［16］為式（4）：

上述經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式中由于未考慮輪胎負(fù)荷、充氣壓力和輪胎結(jié)構(gòu)、規(guī)格等因素的影響，因此計(jì)算結(jié)果與輪胎的實(shí)際滾動(dòng)阻力數(shù)值之間有較大的誤差。

4.3間接法

間接法即不直接測(cè)量輪胎的滾動(dòng)阻力，而是測(cè)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［17］。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?jī)x設(shè)備來(lái)測(cè)量tanδ。間接法只能通過(guò)間接測(cè)量tanδ對(duì)滾動(dòng)阻力進(jìn)行定性測(cè)量。

4.4室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)法

室內(nèi)臺(tái)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(tái)架主要有雙輥筒試驗(yàn)臺(tái)和單輥筒轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)。

雙輥筒試驗(yàn)臺(tái)一般指雙輥筒式底盤(pán)測(cè)功機(jī)，通常采用反拖法和滑行法測(cè)試滾動(dòng)阻力。反拖法是用測(cè)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(cè)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)；滑行法是借助測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的慣性運(yùn)動(dòng)通過(guò)輥筒帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。雙輥筒上測(cè)定的輪胎滾動(dòng)阻力大于車(chē)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(cè)量適宜在大直徑單輥筒轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行［18，19］。

單輥筒轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)（圖1）測(cè)量輪胎滾動(dòng)阻力應(yīng)用比較廣泛，轉(zhuǎn)鼓直徑一般有1.7m和2m等，轉(zhuǎn)鼓半徑越大，模擬平路面效果越好［20］。該類(lèi)試驗(yàn)臺(tái)按測(cè)量輪胎滾動(dòng)阻力的方法和原理可分為測(cè)力法、扭矩法、功率法和減速度法等4種。輪胎轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)能夠較好地控制試驗(yàn)條件，試驗(yàn)結(jié)果較為精確，但以圓形轉(zhuǎn)鼓模擬輪胎行駛條件，與實(shí)際使用條件相比還是有一定差異［21］。

目前，國(guó)際上已發(fā)布單輥筒轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)在室內(nèi)穩(wěn)態(tài)條件下測(cè)量滾動(dòng)阻力的試驗(yàn)方法，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO18164：2005、美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)SAE J1269：2006、SAE J2452：1999標(biāo)準(zhǔn)等，不能滿足檢測(cè)數(shù)據(jù)直接比較的要求，不宜作為輪胎滾動(dòng)阻力性能分級(jí)和限值的評(píng)價(jià)方法。為此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO28580：2009標(biāo)準(zhǔn)，建立了不同設(shè)備間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正程序，可滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接比對(duì)的要求，因此可作為輪胎滾動(dòng)阻力性能評(píng)價(jià)的測(cè)試方法。歐盟ECE R117法規(guī)規(guī)定的測(cè)試方法與此方法基本一致，只是在試驗(yàn)結(jié)果的校正程序上略有不同。

5　結(jié)語(yǔ)

由于滾動(dòng)阻力影響因素多且影響復(fù)雜，精確測(cè)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(cè)量十分困難?，F(xiàn)有的主要測(cè)試方法有室外道路試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法與半經(jīng)驗(yàn)法、間接法和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)法等4類(lèi)，其中室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)法具有試驗(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)，可作為輪胎產(chǎn)品滾動(dòng)阻力性能評(píng)價(jià)的主要測(cè)試方法。

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Study on the Influence Factors and Testing Methods of Tire Rolling Resistance

HAN Futao，SU Jie，LIU Xiaom in，XING Li，MAO Chengtao，HUANG Pu，SHI Songjie，MAN Zhonglei，ZHANG Shaoyan
（Shandong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Qingdao，Shandong，266061）

In response to foreign technical barriers，the mechanism，influence factors and test methods of tire rolling resistance are studied in this paper.The mechanism of tire rolling resistance is analyzed.The effects of tire material properties，structure，production process and service conditions on the rolling resistance of tire are studied.Four kinds of rolling resistance testing methods，such as outdoor road test method，semi empirical method，empirical method，indirect method and indoor bench test method，are analyzed.Indoor bench test method is the suitable method for the evaluation of rolling resistance of tire products.

Tyre；Rolling Resistance；Influence Factors；Testing Methods

TQ336.1

E-mail：15965556649@163.com

山東出入境檢驗(yàn)檢疫局科技計(jì)劃項(xiàng)目（SK201336）

2015-09-09