轎車輪胎滾動阻力的研究

劉俊杰，陳亞婷，周 磊，孫向陽，邱昌峰，張 舜，陳仁全

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

隨著石油資源的枯竭和溫室效應(yīng)的加劇，節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)越來越受到世界各國的重視。歐盟、美國和日本等地區(qū)和國家對輪胎滾動阻力性能的要求已上升到法規(guī)層面，我國也即將對輪胎的滾動阻力提出強(qiáng)制性要求。對于轎車輪胎或輕型載重輪胎，3.4%～6.6%的燃料用于克服滾動阻力；對于載重子午線輪胎，這一值則達(dá)到了12.4%～14.5%[1]。研究表明，輪胎滾動阻力降低15%～30%，可節(jié)省燃料3%～6%[2-3]。輪胎滾動阻力的影響因素較多，包括橡膠、結(jié)構(gòu)設(shè)計和外部使用條件等；目前大多數(shù)試驗研究主要從輪胎結(jié)構(gòu)、花紋和膠料配方三方面降低輪胎滾動阻力，提升整車的經(jīng)濟(jì)性[4]。本工作從使用輪輞、行駛速度、充氣壓力和負(fù)荷方面研究輪胎的使用條件對其滾動阻力的影響。

1 實驗

1.1 試驗對象

試驗輪胎為215/50R17 91H轎車輪胎，試驗輪輞分別為6.5J×17，7.0J×17和7.5J×17。

1.2 試驗設(shè)備

T-34369.02型滾動阻力試驗機(jī)，德國采埃孚股份公司產(chǎn)品；3D Mapping 400型外輪廓掃描試驗機(jī)，德國Dr.Noll公司產(chǎn)品；GDJ-3型輪胎剛度試驗機(jī)，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品；Flat-Trac CT型六分力試驗機(jī)，美國MTS系統(tǒng)公司產(chǎn)品。

1.3 正交試驗方案

以輪輞規(guī)格、速度、負(fù)荷和充氣壓力為4個因素設(shè)計四因素三水平正交試驗。正交試驗因子及水平見表1。其中，因子A為輪輞規(guī)格，3個水平的選擇主要是考慮輪胎與輪輞裝配時經(jīng)常會使用比標(biāo)準(zhǔn)輪輞大12.7 mm（0.5英寸）或小12.7 mm（0.5英寸）的輪輞型號；因子B為行駛速度（km·h-1），3個水平的選擇主要是考慮覆蓋汽車正常的行駛速度范圍；因子C為負(fù)荷率（%，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷為690 kg），3個水平的選擇主要是考慮汽車的空載、半載、滿載3種情況；因子D為充氣壓力（kPa），3個水平的選擇主要是考慮覆蓋汽車輪胎的充氣壓力使用范圍。

表1 正交試驗因子及水平

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果分析

按因子水平表進(jìn)行正交試驗方案設(shè)計，并以輪胎的滾動阻力系數(shù)為評價指標(biāo)對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 正交試驗結(jié)果及分析

從表2可以看出，各因子從主到次順序為D，A，C，B。由于輪胎滾動阻力系數(shù)越小越好，因此應(yīng)挑選每個因子的K1，K2，K3中最小值對應(yīng)的水平。對于A因子，K3＜K2＜K1；對于B因子，K1＜K3＜K2；對于C因子，K1＜K2＜K3；對于D因子，K3＜K2＜K1，因此最優(yōu)方案為A3B1C1D3。

由于行駛速度對輪胎滾動阻力系數(shù)影響很小，而該規(guī)格輪胎一般用于小型SUV，其充氣壓力在200～300 kPa之間，汽車行駛速度一般為40～130 km·h-1，因此對輪胎充氣壓力和行駛速度對輪胎滾動阻力系數(shù)的影響進(jìn)行單因素試驗做進(jìn)一步研究。

行駛速度對輪胎滾動阻力系數(shù)影響試驗條件為：輪輞 7.5J×17，負(fù)荷率 53%，充氣壓力300 kPa。試驗結(jié)果表明，行駛速度為40，50，60，70，80，90，100，110，120和130 km·h-1時，輪胎滾動阻力系數(shù)分別為7.88，7.78，7.91，7.96，7.89，8.03，7.96，8.08，8.17和8.10 N·kN-1。 可 見，行駛速度在40～110 km·h-1范圍內(nèi)，輪胎的滾動阻力系數(shù)變化不大；當(dāng)行駛速度達(dá)到120 km·h-1后，輪胎的滾動阻力系數(shù)有小幅上升，這可能是因為速度增大，加劇了輪胎不均勻性帶來的影響，造成滾動阻力系數(shù)上升。因此，研究輪胎充氣壓力對滾動阻力系數(shù)的影響試驗中行駛速度選擇80 km·h-1。

充氣壓力對輪胎滾動阻力系數(shù)影響試驗條件為：輪輞 7.5J×17，負(fù)荷率 53%，行駛速度 80 km·h-1。結(jié)果表明：輪胎充氣壓力為180，190，200，210，220，230，240，250，260和270 kPa時，輪胎滾動阻力系數(shù)分別為10.18，9.92，9.55，9.32，9.01，8.98，8.79，8.52，8.52和8.32 N·kN-1?？梢姡喬コ錃鈮毫υ?80～270 kPa時，輪胎的滾動阻力系數(shù)與充氣壓力呈負(fù)相關(guān)性，即輪胎充氣壓力增大時，輪胎的滾動阻力系數(shù)減小。這是因為輪胎的充氣壓力越大，行駛過程中其變形越小，生熱越小，則滾動阻力系數(shù)越??；平常生活中轎車輪胎的充氣壓力一般為200～250 kPa。輪胎充氣壓力從200 kPa增大至220 kPa時，其滾動阻力系數(shù)從9.55 N·kN減小至9.01 N·kN-1，充氣壓力相差20 kPa，滾動阻力系數(shù)相差0.54 N·kN-1；當(dāng)輪胎的充氣壓力從220 kPa增大至240 kPa時，其滾動阻力系數(shù)從9.01 N·kN-1減小至8.79 N·kN-1，充氣壓力相差20 kPa，滾動阻力系數(shù)僅相差0.22 N·kN-1；當(dāng)輪胎的充氣壓力從240 kPa增大至250 kPa時，其滾動阻力系數(shù)從8.79 N·kN-1減小至8.52 N·kN-1，充氣壓力相差10 kPa，滾動阻力系數(shù)相差0.27 N·kN-1。因此，建議在正常駕駛過程中，如空載則使用220 kPa充氣壓力，滿載則使用250 kPa充氣壓力，以達(dá)到節(jié)省燃油的目的。-1

2.2 外輪廓

對成品輪胎進(jìn)行外輪廓掃描。安裝在同一輪輞上的輪胎在不同充氣壓力下的輪胎外輪廓對比見圖1。安裝在不同輪輞上的輪胎在相同充氣壓力下的外輪廓對比見圖2。安裝于不同規(guī)格輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎外直徑和斷面寬如表3所示。

表3 安裝于不同規(guī)格輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎外直徑和斷面寬 mm

圖1 安裝在同一輪輞上的輪胎在不同充氣壓力下的外輪廓對比

圖2 安裝在不同輪輞上的輪胎在相同充氣壓力下的外輪廓對比

從圖1和表3可以看出，充氣壓力對輪胎的外形尺寸影響較小。從圖2可以看出，輪胎的裝配輪輞對其外形尺寸，尤其是輪胎斷面寬影響較大，當(dāng)輪胎裝配在7.5J×17輪輞時，輪胎的斷面最寬點與輪輞寬度差值更小，這種形態(tài)更加有利于提高輪胎的操縱性能和耐久性能。

2.3 接地印痕

安裝在不同輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎的靜負(fù)荷試驗結(jié)果見表4。

表4 安裝在不同輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎的靜負(fù)荷試驗結(jié)果

安裝在不同輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎在220 kPa充氣壓力、53%負(fù)荷率下的接地印痕對比見圖3。

圖3 安裝在不同輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎接地印痕對比

從表4和圖3可以看出，使用7.5J×17輪輞的輪胎接地印痕長軸明顯比使用6.5J×17輪輞的輪胎印痕長軸更長，結(jié)合使用不同輪輞的輪胎下沉量可知，輪輞寬度越大，輪胎下沉量越小，接地面積越大，因此使用7.5J×17輪輞對輪胎的制動性能、耐久性能和操縱性能更加有利。

2.4 縱向滑移特性

對安裝在不同輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎進(jìn)行縱向滑移特性試驗，試驗條件為：行駛速度 80 km·h-1，充氣壓力 220 kPa，負(fù)荷率53%，試驗結(jié)果見表5。

輪輞規(guī)格對輪胎縱向滑移特性的影響見圖4。

從表5和圖4可以看出，使用不同輪輞的輪胎在純縱向滑移工況下，其驅(qū)動力因數(shù)和制動力因數(shù)相差不大，選擇7.5J×17輪輞時輪胎的牽引制動性能較好。

圖4 安裝在不同輪輞上的輪胎縱向滑移特性曲線

表5 安裝在不同輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎的縱向滑移試驗結(jié)果

外輪廓、接地印痕和縱向滑移特性試驗結(jié)果表明，使用7.5J×17輪輞、負(fù)荷率為53%（相當(dāng)于汽車空載負(fù)荷）、充氣壓力為220 kPa、行駛速度為80 km·h-1時，對輪胎的滾動阻力、操縱性能、制動性能和耐久性能均比較有利。

3 結(jié)論

以215/50R17 91H轎車輪胎為研究對象，通過正交試驗對行駛速度、負(fù)荷、充氣壓力和輪輞規(guī)格對輪胎滾動阻力的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，輪胎的滾動阻力受充氣壓力和輪輞規(guī)格影響較大，充氣壓力越大，使用輪輞寬度越大，輪胎滾動阻力越小。對裝配于不同規(guī)格輪輞上的215/50R17 91H轎車輪胎進(jìn)行外輪廓、接地印痕和縱向滑移特性試驗，結(jié)果表明，使用7.5J×17輪輞、負(fù)荷率為53%（相當(dāng)于汽車空載負(fù)荷）、充氣壓力為220 kPa、行駛速度為80 km·h-1時，對輪胎滾動阻力、操縱性能、制動性能和耐久性能均比較有利。