探討輪胎滾動阻力測試方法與測試設(shè)備

蘇博

(上海輪胎橡膠（集團）股份有限公司輪胎研究所，上海 200072)

探討輪胎滾動阻力測試方法與測試設(shè)備

蘇博

(上海輪胎橡膠（集團）股份有限公司輪胎研究所，上海 200072)

汽車行駛過程中產(chǎn)生的運動阻力即車輛滾動阻力，阻力的大小直接影響燃油的消耗。文章對輪胎的滾動阻力的測試方法與測試設(shè)備進行分析探討。

滾動阻力；測試方法；測試設(shè)備

輪胎的滾動阻力通常被定義為一條輪胎在單位距離內(nèi)行駛時能量的損失。國際單位制傳統(tǒng)上使用的滾動阻力單位為Nm/m，這與以N為單位的牽引力相等。輪胎與路面之間的滾動阻力可被看作是使加載負荷的輪胎勻速運動所需的縱向力，或者也可以被視為滾動阻力與輪胎負荷相除所得滾動阻力系數(shù)。

車輛滾動阻力是基本的運動阻力之一，無論在任何路面條件下均會產(chǎn)生。而其所帶來的最直接的影響莫過于燃油的消耗了。研究表明，乘用轎車的平均滾動阻力減少10%將會使其油耗減少3%。滾動阻力直接影響車輛燃油消耗，對于二氧化碳排放的多少也有影響。

1 現(xiàn)場（路面)測試方法

1.1 滑行測試方法

測試車輛沿平坦路面直線下滑，其速度和距離都隨時間變化情況而進行測量。作用于車輛上的阻力造成了車輛的減速。以能量損失特征和車輛自身數(shù)據(jù)為依據(jù)的根據(jù)相關(guān)方程式可計算滾動阻力。然而，這種測試方法所測得的數(shù)據(jù)并不精確，特別是在高速行駛條件下當空氣阻力大于滾動阻力時。因此，我們有必要了解空氣動力學阻力，以便對測試結(jié)果做出進一步修正。然而盡管解決這一問題的方法很多，但這一測試方法的準確性還是自有其限制。

1.2 滾落山坡測試方法

連接水平面的一段下坡被用來進行該測試。測試車輛在斜坡某一位置下滑，最后停止于水平路面的某一位置（如圖1）。在速度低于15 km/h的測試情況下，空氣阻力可以忽略不計。滾動阻力系數(shù)可以根據(jù)某些方程予以計算得出。此種測試方法的精確性與測試運動距離的精確程度密切相關(guān)。

1.3 牽引車測試方法

裝有測試輪胎的測試車輛被裝入自身擁有車輪的空氣動力學倉內(nèi)。該倉可將車輛與空氣阻力隔開。在牽引裝置與測試車輛間安置了一臺具有較高精確度的拉力試驗機（如圖2）。測試車輛在水平測試軌道上被勻速牽引前進。拉力試驗機記錄了測試車輛所有輪胎用來平衡滾動阻力的受力情況。由于該測試車輛與氣流阻隔開來，因此測試過程完全不受空氣阻力的影響。然而，由于牽引車車速不可避免的要發(fā)生變化，因此測試結(jié)果的準確性將受到較大影響。由于牽引車輛速度改變所引起的慣性力也會干擾測試。該測試的準確性受制于精確的車速控制以及長時間的勻速運行。

圖1 諾基亞測試輪胎滾動阻力

圖2 使用牽引車測試方法測試輪胎與路面間的關(guān)動阻力

1.4 根據(jù)測試車輛內(nèi)部驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的測試方法

該測試方法所依據(jù)的是測試車輛引擎和動力輪胎之間的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。不幸的是，高速行駛下的空氣阻力（超過15 km/h）會極大影響測試結(jié)果，因此，對測試結(jié)果進行修正在所難免。此種測試方法同樣受制于速度的變化影響。

1.5 根據(jù)車輛最高行駛速度的測試方法

盡管滾動阻力影響汽車最高行駛速度，但在這種情況下，最重要的影響因素卻經(jīng)常是空氣阻力。在車輛以最高速度行駛時所測得的所有滾動阻力都是極為不精確的。

1.6 拖車測試方法

多年來，一直被設(shè)計用于測試輪胎與路面之間的摩擦力的拖車同樣可沿用于輪胎的滾動阻力的測試之中。被設(shè)計用來測試牽引力的拖車實際并不適用于滾動阻力的測試，因為滾動阻力大小大約只有最大牽引力的1%～2%。

因此，如果用于測試滾動阻力，其測試范圍顯然并不適用。通常情況下，這類拖車并不能提供輪胎滾動阻力測試以足夠的精確性。我們要知道滾動阻力的大小通常只有輪胎負重的1%。如果我們測試滾動阻力的精確性目標力求達到2%，同時測試過程中的輪胎負載為3 000 N,那么該測試側(cè)向力的儀器必須具有0.6 N的測試精度。在輪胎垂直負載達到3 000 N的系統(tǒng)里，想要勻速行駛于并不十分平坦的路面絕非易事。

圖3 輪胎滾動阻力測試拖車以及工作原理

2 拖車測量設(shè)備

2.1 一般的測試拖車

據(jù)瑞典國家道路研究所報告稱，早在20世紀80年代，比利時道路研究中心設(shè)計并建造了一種特殊的用來測試滾阻的拖車。它成為第一種用來測試滾動阻力的設(shè)備。圖3顯示了拖車及工作原理。

2.2 格但斯克工業(yè)大學的轎車胎測試拖車

在20世紀90年代末期，格但斯克工業(yè)大學設(shè)計并建造了一輛為轎車胎測量滾動阻力的測試拖車，在2005年投入使用。近些年，測試拖車的設(shè)計已獲得專利，并不斷地取得了改進。格但斯克工業(yè)大學測試拖車（如圖4）。

圖4 格但斯克工業(yè)大學設(shè)計的輪胎滾動阻力測試拖車

這種拖車是為測試轎車輪胎而設(shè)計。這款三輪拖車的設(shè)計是自持的也就意味著這款拖車能夠自己和被拖的車起到連接作用。穩(wěn)定拖車的前輪有自我調(diào)節(jié)性能。拖車的液壓制動系統(tǒng)只在前輪運作，在道路行駛過程中可提供良好的制動性能，足以保證拖車良好的穩(wěn)定性。為了適應(yīng)轎車的懸架系統(tǒng)，這種拖車采用獨立的前懸掛系統(tǒng)。

作用于測試車輪上的滾動阻力是測量臂在垂直方向上力的分量。同時，我們可應(yīng)用感應(yīng)傳感器測量臂與臂之間的角度Θ并用來計算滾動噪聲（如圖5）。再對拖車在加速/減速和設(shè)計到水平平面臂的偏轉(zhuǎn)的測試結(jié)果進行修正。

圖5 測試系統(tǒng)原理

數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)為美國IOtech Inc.公司產(chǎn)高速、高性能裝置Daqbook/200。信號可由安裝在拖車上的傳感器傳遞到車輛的啟動裝置。在車艙內(nèi)，安裝好筆記本電腦不僅可以控制測試，還可以存儲離線分析結(jié)果，如圖6。操作程序可用Borland Delphi 7軟件進行編寫，在Windows操作系統(tǒng)下通過運用標準裝置進行數(shù)據(jù)相關(guān)處理。

圖6 車內(nèi)電腦數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

拖車的測試系統(tǒng)包括：①支撐車輪速度傳感器（感應(yīng)儀）－頻率信號；②測試車輪速度傳感器（旋轉(zhuǎn)脈沖發(fā)生器）－頻率信號；③測量臂的角位（感應(yīng)儀）－模擬信號；④臂傾斜（測斜儀）－模擬信號；⑤測試車輪壓力（壓電傳感器）－模擬信號；⑥測試輪胎溫度（紅外傳感器）－模擬信號；⑦紅外觸發(fā)器－模擬信號。

2.3 BASt拖車

為測試轎車胎用的BASt滾動阻力拖車給測試輪胎/車輪組合件使用一個單獨的車輪懸架（如圖7、圖8、圖9）。

圖7 為轎車輪胎設(shè)計的BASt滾動阻力測試拖車

圖8 在BASt拖車上測試輪胎懸架的原理

圖9 BASt拖車的懸架

2.4 IPW載重拖車

載重掛車裝置測量卡車輪胎的滾動阻力。四條輪胎的滾動阻力總和的測量是由卡車和拖車測力傳感器來完成。拖車的車身可以加載18 t的重量，前后車軸的負載都在9 t左右。其卡車拖車拖車，以一個每小時15 km的速度行駛以避免因風速帶來的對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響。卡車拖車測試裝置見圖10。

圖10 卡車拖車滾動阻力測量裝置

2.5 德國亞琛工業(yè)大學的移動輪胎測試臺

德國亞琛工業(yè)大學開發(fā)出一款移動輪胎測試臺。這個拖車主要是為了在實時記錄輪胎的力和力矩，與道路測量的數(shù)據(jù)或在實驗室獲取的公眾道路和試驗場的測試數(shù)據(jù)做對比與分析（如圖11、圖12和圖13）。

圖11 德國亞琛工業(yè)大學的移動輪胎測試臺

圖12 在平坦道路上的測試

圖13 在測試鼓上的測試

室內(nèi)滾動阻力測試是通過試驗機上進行測試，由于它的實驗條件雖系模擬的使用條件但可以加以控制，故實驗數(shù)據(jù)的重復性好。室外滾阻測試一般都是試驗車輛在道路上完成的，盡管試驗條件真是，但易受到外界因素的影響，存在誤差。目前，國內(nèi)輪胎滾動阻力試驗以室內(nèi)試驗為主。隨著國內(nèi)輪胎試驗場的建設(shè)，應(yīng)加強對輪胎滾動阻力戶外測試的研究。

Discussion on rolling resistance test methods and test equipments

Discussion on rolling resistance test methods and test equipments

Su Bo

(Tire Institute of Shanghai Tyre & Rubber (Group) Co., Ltd., Shanghai 200072, China)

The exercise resistance generated by moving vehicles is rolling resistance, which directly affects fuel consumption. The article discusses and analyses test methods and test equipment of tire rolling resistance.

rolling resistance; test method; test equipment

TQ336.1

1009-797X(2015)21-0065-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.21.013

(R-03)

蘇博，（1980-），男，畢業(yè)于美國猶他州立大學，工程師，從事科技情報管理及法律咨詢等工作。

2014-03-14