淺談如何降低輪胎的滾動(dòng)阻力

郁鎮(zhèn)寅

摘 要：隨著環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約意識(shí)的增強(qiáng)，全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)越來(lái)越重視汽車(chē)的節(jié)能減排，制定了日益嚴(yán)格的油耗法規(guī)，希望敦促汽車(chē)制造廠商提升技術(shù)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文主要就輪胎的設(shè)計(jì)制造和消費(fèi)者使用的兩個(gè)角度進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：輪胎：滾動(dòng)阻力

隨著全球汽車(chē)保有量的急劇增加，對(duì)石油能源的依賴(lài)程度在逐漸增加，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題變得尤為顯著。隨著環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約意識(shí)的增強(qiáng)，全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)越來(lái)越重視汽車(chē)的節(jié)能減排，制定了日益嚴(yán)格的油耗法規(guī)，希望敦促汽車(chē)制造廠商提升技術(shù)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。汽車(chē)廠商除了在車(chē)輛白重，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等方面進(jìn)行改善，也對(duì)輪胎制造商提出了更嚴(yán)格的要求，因?yàn)檩喬L動(dòng)阻力性能對(duì)整車(chē)油耗的影響非常顯著。

汽車(chē)在行駛過(guò)程中受到的主要力有行駛阻力，驅(qū)動(dòng)力。其中行駛阻力主要包括滾動(dòng)阻力，空氣阻力，內(nèi)部摩擦力，有坡度時(shí)還需克服重力。滾動(dòng)阻力主要是因?yàn)檩喬ピ谛旭傔^(guò)程中與路面接觸，因承重所產(chǎn)生的變形會(huì)導(dǎo)致組成部件變熱，將一部分由發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸來(lái)的能量損耗。而低滾動(dòng)阻力輪胎的出現(xiàn)，通過(guò)更低的滾動(dòng)阻力減少所需驅(qū)動(dòng)力，從而降低汽車(chē)的油耗。有研究表明，滾動(dòng)阻力每降低10%，乘用車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性能可提高1%～2%。

影響滾動(dòng)阻力的因素有很多，本文主要就輪胎的設(shè)計(jì)制造和消費(fèi)者使用的兩個(gè)角度進(jìn)行探討。

1 輪胎設(shè)計(jì)制造

輪胎的設(shè)計(jì)制造，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配方設(shè)計(jì)兩大方面。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 輪胎子午化.無(wú)內(nèi)胎化

斜交胎是早期出現(xiàn)的一種輪胎結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是胎體堅(jiān)固、負(fù)荷變形小、胎側(cè)不易損傷、轉(zhuǎn)向與制動(dòng)性能良好等。但同時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)所限，斜交胎耐磨性能較差，同時(shí)滾動(dòng)阻力比較高，因此并不能滿足快速發(fā)展的汽車(chē)對(duì)輪胎提出的性能要求。子午線輪胎是由法國(guó)米其林輪胎公司于1946年4月最先制造出來(lái)的，與斜交輪胎相比，子午線輪胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是胎體簾線與輪胎徑向成Oo角，相鄰層的簾線不是相交而是相互平行，胎面與胎體之間有起箍緊作用的帶束層。相對(duì)斜交輪胎，子午線輪胎具有耐磨、抓著性能好、行駛溫度低及使用壽命長(zhǎng)等的優(yōu)點(diǎn)。從全球來(lái)看，目前歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家轎車(chē)輪胎的子午化率已達(dá)100%，載重輪胎子午化率也已達(dá)90%以上。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)日益嚴(yán)苛的要求，我國(guó)的子午化率也在不斷提升，截至2013年輪胎子年化率也已達(dá)到8g%。

無(wú)內(nèi)胎輪胎沒(méi)有內(nèi)胎，因此輪胎整體質(zhì)量減輕，滾動(dòng)阻力降低。試驗(yàn)表明，無(wú)內(nèi)胎輪胎的滾動(dòng)阻力平均降低10%。另一方面，無(wú)內(nèi)胎輪胎由于其接地壓力比較均勻，偏磨現(xiàn)象少，因而可以延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。對(duì)于無(wú)內(nèi)胎輪胎來(lái)說(shuō)，空氣只能經(jīng)由胎體滲漏。當(dāng)輪胎被扎破后，空氣只能從被刺穿的胎孔中泄出，因而漏氣較慢，壓力并不會(huì)急劇下降，這樣輪胎在短時(shí)間內(nèi)仍能安全地繼續(xù)行駛，安全性能更好。目前在我國(guó)，有內(nèi)胎輪胎已經(jīng)基本退出轎車(chē)市場(chǎng)，而卡客車(chē)輪胎的無(wú)內(nèi)胎化也在逐步增長(zhǎng)。

1.1.2 新型骨架材料

開(kāi)發(fā)高性能新材料，是實(shí)現(xiàn)輪胎輕量化非常重要的一個(gè)層面。其中鋼絲是輪胎中用量最大的骨架材料，也是輪胎輕量化的主力軍?？梢詮膬蓚€(gè)方面著手，一方面提高鋼簾線強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)型鋼簾線的強(qiáng)度比普通型鋼簾線的強(qiáng)度高15%；超高強(qiáng)型鋼簾線可以提高25%；極高強(qiáng)型鋼簾線可以提高34%。提高鋼簾線強(qiáng)度，可以適當(dāng)減少鋼絲用量，減輕輪胎的重量。鋼絲制造商Bekaert公布的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)鋼絲簾線強(qiáng)度從普通型提高到高強(qiáng)度型時(shí)，輪胎可以減輕2.5kg。另一方面是開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度胎圈鋼絲，比如采用1.55的強(qiáng)度，每條輪胎可減少0.45kg左右的胎圈鋼絲用量，這相當(dāng)于輪胎重量的4%左右。

此外，很多輪胎公司已嘗試將芳綸材料應(yīng)用于高性能輪胎中，在提高輪胎性能的同時(shí)，可使輪胎重量降低1 0%，進(jìn)一步降低滾動(dòng)阻力。因此芳綸也是近些年應(yīng)用增長(zhǎng)最快的骨架材料之一。

1.2 配方設(shè)計(jì)

配方設(shè)計(jì)主要可以從兩方面考慮，一種方式可以采用新材料替代常規(guī)材料進(jìn)行優(yōu)化.另一種則可使用完全不同的先進(jìn)高分子材料替代輪胎某個(gè)部件來(lái)降低重量。

1.2.1 橡膠、填料

過(guò)去的輪胎配方主要使用乳聚丁苯橡膠（ E-SBR），鎳系順丁橡膠（NiBR），天然橡膠作為橡膠體系，炭黑作為填料體系。80年代初，日本首先開(kāi)發(fā)出相對(duì)分子量可調(diào)的溶聚丁苯橡膠（ S-SBR），這種橡膠在微觀結(jié)構(gòu)、苯乙烯含量、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布以及乙烯基含量等方面都比乳聚丁苯橡膠有更大的變化范圍。這種分子特性使其滾動(dòng)阻力比乳聚丁苯橡膠低，因而已被廣泛應(yīng)用于低滾動(dòng)阻力輪胎的胎面膠中。另外稀土順丁橡膠相較于普通鎳系順丁橡膠，具有抗?jié)窕?、低生熱及滾動(dòng)阻力低的特點(diǎn)，近些年也逐漸在低滾阻輪胎的胎面和胎側(cè)被應(yīng)用。 炭黑多年來(lái)一直是橡膠制品的重要補(bǔ)強(qiáng)劑。20世紀(jì)90年代初，米其林通過(guò)用高分散性白炭黑替代胎面膠中的炭黑創(chuàng)立了低滾動(dòng)阻力的概念。從此之后，白炭黑被逐漸廣泛應(yīng)用于輪胎行業(yè)，是推進(jìn)低滾動(dòng)阻力輪胎發(fā)展史上的重要功臣。白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)材料，最主要的優(yōu)點(diǎn)是提高并平衡輪胎的滾動(dòng)阻力與濕地抓地力[4]。除了可以應(yīng)用在胎面，白炭黑也被應(yīng)用于輪胎胎側(cè)來(lái)降低滾動(dòng)阻力。

1.2.2 新型材料的應(yīng)用

除了在傳統(tǒng)材料選擇方面可以進(jìn)行調(diào)整外，有一些廠商推出了創(chuàng)新性的材料概念，可以替代傳統(tǒng)材料，達(dá)到輕量化目的。

美國(guó)ExxonMobil公司開(kāi)發(fā)出一種新型熱塑性彈性體，商品名為埃馳固的DVA樹(shù)脂。該樹(shù)脂由尼龍和Exxpro特種彈性體動(dòng)態(tài)硫化而成，埃馳固動(dòng)態(tài)硫化合金的主要終端應(yīng)用是替代傳統(tǒng)輪胎氣密層，它獨(dú)特的材料特性能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的滲透性、提高輪胎耐用性并促進(jìn)輪胎輕量化。目前大部分轎車(chē)車(chē)胎的鹵化丁基橡膠氣密層厚約0.8mm，重約lkg。采用新材料替代這一設(shè)計(jì)，使用吹膜工藝，就像塑料袋一樣，制造出的氣密層又薄又輕。這種新型氣密層可使傳統(tǒng)的氣密層部件減重近80%，而且在氣密性方面表現(xiàn)更佳。利用它可以生產(chǎn)出更輕、更耐用的輪胎，同時(shí)更好地保持胎壓。

2用戶(hù)使用

除去生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的輪胎設(shè)計(jì)等影響因素，在實(shí)際使用中，消費(fèi)者的使用習(xí)慣也會(huì)對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力產(chǎn)生影響。

2.1 輪胎的選擇

選擇尺寸和規(guī)格符合車(chē)輛設(shè)計(jì)的輪胎。一般來(lái)講，輪胎與地面接觸面積越大，摩擦阻力也就愈大，車(chē)子行進(jìn)的動(dòng)力也就越大。選用更寬的輪胎，增加了接觸面，雖然操控性能可以有一定程度的提升，但滾動(dòng)阻力必然也會(huì)增加。所以不能盲目加寬輪胎，要協(xié)調(diào)好車(chē)輛的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性能。

2.2 保持合適胎壓

胎壓對(duì)于輪胎實(shí)際使用中的滾動(dòng)阻力有著至關(guān)重要的影響。因?yàn)樘焊叩椭苯記Q定輪胎的接地面積，也就是接觸面的大小。如果輪胎氣壓不足將導(dǎo)致行駛阻力增加，造成耗油上升。而如果在輪胎氣壓過(guò)高，雖然一定程度上有利于降低油耗，但胎壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致輪胎胎面異常磨損，并且影響行駛安全。確保最佳胎壓的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，首先要了解適合的胎壓，一般胎壓提示牌位于司機(jī)門(mén)門(mén)框處或油箱門(mén)內(nèi)；其次必須在輪胎冷卻條件下測(cè)量胎壓，車(chē)輛行駛后胎壓會(huì)因輪胎溫度上升而上升；最后應(yīng)定期檢查胎壓，保持合適范圍。

2.3 使用氮?dú)?/p>

輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)的老化主要是因?yàn)榭諝庵械难鯕馀c之反應(yīng)氧化所引起，老化后強(qiáng)度變差甚至出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，這是造成輪胎使用壽命縮短的原因之一。氮?dú)馐嵌栊詺怏w，化學(xué)性質(zhì)極不活潑，分子比氧氣分子大，不易熱漲冷縮，變形幅度小，其滲透胎壁的速度只有空氣的30%～40%[6]。因此可減緩輪胎老化速度低，提高輪胎的保氣性能，保持穩(wěn)定的胎壓。從而降低了滾動(dòng)阻力，達(dá)到節(jié)油減排的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

以上分析表明，輪胎的滾動(dòng)阻力受到多方面因素的影響，在輪胎設(shè)計(jì)中起決定作用的是輪胎變形產(chǎn)生的滯后損失以及所用材料本身的滯后損失。因此，要降低輪胎的滾動(dòng)阻力，必須減小輪胎的變形，因此我們要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上子午化和無(wú)內(nèi)胎化，提高骨架材料的強(qiáng)度。另外，使用S-SBR、Nd-BR、白炭黑等滯后損失小的材料，或者采用新高分子材料替代輪胎某個(gè)部件減少重量，也可以降低滾動(dòng)阻力。同時(shí)，消費(fèi)者在使用中如果可以保持良好的使用習(xí)慣，也可以幫助降低輪胎的滾動(dòng)阻力。