改善輪胎滾動(dòng)阻力和防滑能力的分析

呂飛躍 吳晨昊 樊高飛

（東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

現(xiàn)如今節(jié)能減排的發(fā)展理念已經(jīng)得到大家普遍的認(rèn)同，人們?cè)谶x購(gòu)汽車(chē)時(shí)也越來(lái)越關(guān)注汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。汽車(chē)在行駛過(guò)程中依靠輪胎與路面接觸，地面向輪胎提供不同的力和力矩才能使汽車(chē)實(shí)現(xiàn)加速起步、勻速行駛、緊急制動(dòng)以及轉(zhuǎn)彎等各種行駛狀況。汽車(chē)在行駛過(guò)程受到的滾動(dòng)阻力消耗了相當(dāng)一部分燃油，載重汽車(chē)輪胎滾動(dòng)過(guò)程損失的能量可以（轉(zhuǎn)下頁(yè)）達(dá)到整體燃料消耗的10%～30%。[1-2]因此，在輪胎的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中充分考慮如何降低輪胎滾動(dòng)能量消耗，對(duì)于提高汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)，減少能源消耗有重大意義。

汽車(chē)在行駛過(guò)程中不可避免會(huì)受到滾動(dòng)阻力，影響它的因素有很多，這些因素都是通過(guò)改變施加在車(chē)輪的負(fù)荷或滾動(dòng)阻力系數(shù)f 來(lái)產(chǎn)生影響。本文通過(guò)對(duì)這些影響因素進(jìn)行探究，進(jìn)一步提出減小汽車(chē)行駛過(guò)程受到滾動(dòng)阻力的建議。

汽車(chē)行駛安全性是人們一直以來(lái)所追求的，而陰雨天氣道路過(guò)于濕滑，使汽車(chē)更加容易發(fā)生滑水現(xiàn)象。陰雨天氣路面布滿(mǎn)積水，這些積水的存在使胎面與路面不能緊密接觸，地面附著系數(shù)與干燥地面相比處于較小值，在這種情況下對(duì)汽車(chē)進(jìn)行操控會(huì)增加難度。駕駛員根據(jù)周?chē)男熊?chē)環(huán)境想要緊急制動(dòng)時(shí)，地面上的積水就起到潤(rùn)滑劑作用。積水使車(chē)輪不能與道路有效接觸，道路不能向車(chē)輪提供足夠的附著力而使制動(dòng)力減小，制動(dòng)距離與干燥地面相比大幅度增加。如果輪胎在陰雨濕滑路面仍然有較大的濕摩擦力，那么汽車(chē)在這種濕滑路面就有很好的防滑表現(xiàn)，從而使人們?cè)陉幱晏鞖庖部梢愿影踩鸟{車(chē)行駛。

1 滾動(dòng)阻力產(chǎn)生原因

機(jī)動(dòng)車(chē)在前行過(guò)程依靠輪胎和道路接觸來(lái)傳遞力和力矩，輪胎的性能直接對(duì)整體穩(wěn)定性表現(xiàn)和乘員的乘坐舒適性產(chǎn)生作用。隨著節(jié)能減排意識(shí)逐漸深入人心，人們?cè)谶x購(gòu)汽車(chē)時(shí)更加關(guān)注燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。經(jīng)過(guò)研究，如果能夠減少15%～30%的行駛過(guò)程滾動(dòng)阻力，就可以節(jié)省3%～6%的燃料。[3]這對(duì)于減少能源消耗和減少污染物排放有重大意義。

汽車(chē)在道路上行駛，輪胎承受著整車(chē)載荷，故輪胎和道路之間存在相互作用力，這些作用力使兩者都形成一定的變形。輪胎不斷的滾動(dòng)變形造成內(nèi)部相互摩擦，摩擦過(guò)程消耗能量，并產(chǎn)生大量的熱傳遞給接觸的空氣。如果短時(shí)間內(nèi)摩擦產(chǎn)生大量熱量又無(wú)法快速散發(fā)出去，輪胎溫度會(huì)急劇升高，造成輪胎的使用壽命大大減少。因?yàn)檩喬L動(dòng)時(shí)不可避免有內(nèi)部摩擦產(chǎn)熱量，所以要不斷向車(chē)輪提供能量保持繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。圖1 是385/55R22.5 型輪胎的斷面結(jié)構(gòu)。

圖1 輪胎結(jié)構(gòu)和材料分布

2 滾動(dòng)阻力影響因素

如果輪胎的充氣壓力與標(biāo)準(zhǔn)值相差較遠(yuǎn)，整車(chē)的重量作用在輪胎上會(huì)使胎側(cè)發(fā)生較大變形。輪胎在滾動(dòng)行駛過(guò)程橡膠和簾線等物質(zhì)的內(nèi)部摩擦加劇，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)增大，汽車(chē)需要消耗更多燃料來(lái)克服行駛過(guò)程的滾動(dòng)阻力。美國(guó)曾發(fā)布相關(guān)法規(guī)，要求滿(mǎn)足一定條件的乘用車(chē)必須安裝輪胎氣壓檢測(cè)系統(tǒng)（TPMS），該系統(tǒng)可以對(duì)輪胎充氣壓力進(jìn)行檢測(cè)，如果胎壓降低了規(guī)定值的25%，就對(duì)駕駛員發(fā)出提示信號(hào)。

當(dāng)輪胎使用里程數(shù)不斷提高之后，溝槽深度也在慢慢變淺，即，胎面更加趨向平面。由于輪胎胎面與地面直接接觸，胎面上的膠料與地面發(fā)生擠壓變形，內(nèi)部組成部分的摩擦產(chǎn)熱是輪胎行駛過(guò)程滾動(dòng)阻力的主要產(chǎn)生原因，汽車(chē)在道路上受到滾動(dòng)阻力大部分是胎面產(chǎn)生的。當(dāng)輪胎溝槽深度較小時(shí)，相當(dāng)于胎面膠的膠料體積處于較小值，輪胎內(nèi)部摩擦消耗能量大大減小，輪胎具有較小的滾動(dòng)阻力。

汽車(chē)的滾動(dòng)阻力隨著車(chē)速增大表現(xiàn)出相應(yīng)規(guī)律。當(dāng)車(chē)速低于輪胎的駐波臨界速度Vc，f 隨速度增大變化并不明顯；當(dāng)車(chē)速增加至Vc 之后，f 的變化速度極快，并且出現(xiàn)駐波現(xiàn)象。駐波現(xiàn)象是輪胎的一種固有特性，將車(chē)輪的滾動(dòng)速度增加到某個(gè)值，輪胎的邊緣會(huì)持續(xù)發(fā)生與上次一樣的振動(dòng)，從外界觀察振動(dòng)波形基本保持靜止不動(dòng)。在這種振動(dòng)情況能夠被看到以前，輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)就保持固定的加速度快速增長(zhǎng)。如果在達(dá)到駐波臨界車(chē)速之后，繼續(xù)增加車(chē)速，輪胎各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的變形量會(huì)急劇增大，振動(dòng)幅度也相應(yīng)增大。這些不正常的劇烈共振使輪胎溫度迅速超過(guò)100℃，造成輪胎的胎面和簾布層脫落，駐波現(xiàn)象甚至?xí)斐奢喬ケāＲ虼藶榱吮苊鈌 迅速增長(zhǎng)，應(yīng)該合理控制駕駛速度。

3 滑水現(xiàn)象

圖2 是輪胎與地面的接觸區(qū)域分析圖。當(dāng)汽車(chē)在有水路面上行駛的時(shí)候，車(chē)輪在向前滾動(dòng)過(guò)程中與路面的接觸情況也在變化。車(chē)輪和地面接觸區(qū)域之間有一層水膜，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為完全上浮區(qū)。隨著車(chē)輪向前滾動(dòng)，它們之間的水被輪胎擠壓出去。并且由于路面具有一定的不平度，道路的突出部分更容易跟車(chē)輪的胎面相接觸，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為不完全接觸區(qū)。輪胎和地面之間的水膜被完全排出的接觸區(qū)域是完全接觸區(qū)，在這個(gè)區(qū)域兩者直接接觸并且向汽車(chē)提供附著力，以使汽車(chē)具有良好的行駛和轉(zhuǎn)向能力。汽車(chē)如果在有積水的路面以較高的速度行駛，車(chē)輪在飛速滾動(dòng)前進(jìn)擠壓水層，水具有一定的慣性而對(duì)車(chē)輪作用有動(dòng)壓力。動(dòng)壓力值的增大會(huì)使水膜進(jìn)一步占據(jù)更多區(qū)域，完全接觸區(qū)的面積減小而不能提供足夠的附著力。當(dāng)動(dòng)壓力的作用使輪胎和地面徹底分離，即水膜占據(jù)了兩者之間的空間，這種滑水現(xiàn)象使得汽車(chē)在地面沒(méi)有足夠附著力，整體的方向操縱性變得很差，還會(huì)使汽車(chē)的制動(dòng)距離大大增加。[4-5]

圖2 接觸區(qū)域圖

陰雨天氣造成的道路濕滑大大地增加了行車(chē)安全風(fēng)險(xiǎn)，這種情況下的交通事故發(fā)生率是正常情況的6 倍。[6]

4 滑水現(xiàn)象影響因素

車(chē)輪在路面上滾動(dòng)前進(jìn)，輪胎對(duì)水層的擠壓作用使完全接觸區(qū)的水被有效排出，而越遠(yuǎn)離該區(qū)域的位置，水層越厚。車(chē)速增加時(shí)，在輪胎和路面接觸區(qū)域前方，由于水層與輪胎相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力值也在增加，使得水層占據(jù)更多區(qū)域面積，導(dǎo)致接觸區(qū)的面積減小。因此車(chē)速增加時(shí)，汽車(chē)在這種布滿(mǎn)積水的路面附著力減小，更加難以對(duì)汽車(chē)進(jìn)行操縱。

保持汽車(chē)輪胎充氣壓不變，增大施加在輪胎上的負(fù)荷，這時(shí)輪胎會(huì)發(fā)生更大的變形而且與道路的接觸面積增大。由于負(fù)荷的增大，汽車(chē)行駛過(guò)程垂直向下的力大于水層對(duì)汽車(chē)的升力，汽車(chē)不容易與道路脫離接觸，地面能夠向汽車(chē)車(chē)輪提供充足的附著力。汽車(chē)在行駛過(guò)程依靠輪胎與路面良好的接觸才能適應(yīng)各種行駛狀況。

合理設(shè)計(jì)輪胎的花紋布局能夠使汽車(chē)在路面有較好的防滑表現(xiàn)。輪胎在長(zhǎng)期使用過(guò)程中其表面的花紋也在被磨損，當(dāng)表面的花紋被磨損至一定程度就會(huì)影響汽車(chē)行駛過(guò)程的附著力表現(xiàn)，在有積水路面行駛?cè)菀资シ阑芰Χ斐山煌ㄊ鹿?。美?guó)的交通部門(mén)就曾經(jīng)規(guī)定：乘用車(chē)輪胎的花紋深度必須超過(guò)1mm，以防止影響汽車(chē)的正常行駛性能。

光面輪胎沒(méi)有花紋溝槽布置，在積水路面滾動(dòng)行駛時(shí)，輪胎和路面直接接觸區(qū)域的前方不斷有水流入，水流在動(dòng)壓力作用下可以布滿(mǎn)輪胎表面和地面的接觸區(qū)，汽車(chē)行駛過(guò)程不能得到足夠的附著力。

而胎面上布置有花紋溝槽的輪胎能夠使汽車(chē)在路面有較好的防滑表現(xiàn)。車(chē)輪在滾動(dòng)前進(jìn)時(shí)，輪胎和路面直接接觸區(qū)域前方的積水受到擠壓作用力而沿著溝槽流出，水流的順暢程度與汽車(chē)在這種路面的附著性能表現(xiàn)具有關(guān)聯(lián)。輪胎要想具有良好的防滑性能，就需要設(shè)計(jì)調(diào)整溝槽的布置情況，盡可能使車(chē)輪前進(jìn)方向的積水能夠順暢地通過(guò)溝槽流出，使路面能夠向輪胎提供足夠的附著力，而使汽車(chē)保持正常的制動(dòng)能力和行駛穩(wěn)定性，避免滑水現(xiàn)象這種危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

輪胎花紋溝槽體積直接對(duì)汽車(chē)在地面的附著能力產(chǎn)生作用。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦龃篌w積，積水會(huì)更快速通過(guò)溝槽排至輪胎外側(cè)，能使汽車(chē)在濕滑路面也有良好的附著性能。反之，輪胎花紋溝槽體積較小時(shí)，水流不能夠順利排出，對(duì)輪胎產(chǎn)生動(dòng)壓力，使汽車(chē)行駛過(guò)程的防滑能力減弱。但體積過(guò)大對(duì)于汽車(chē)的地面附著性能也有不利影響。輪胎與路面有足夠的接觸面積才能產(chǎn)生所需要的附著力，溝槽體積過(guò)大會(huì)造成輪胎跟地面之間的有效接觸面積減小，不利于汽車(chē)的穩(wěn)定行駛。

輪胎花紋方向也會(huì)對(duì)車(chē)輪的防滑表現(xiàn)產(chǎn)生影響。汽車(chē)在行駛過(guò)程中不但會(huì)受到沿行駛方向的摩擦力，還會(huì)受到側(cè)向摩擦力的作用。橫向花紋方向的輪胎在滾動(dòng)時(shí)，如果同時(shí)受到橫向和縱向兩個(gè)方向的外力，地面摩擦力對(duì)汽車(chē)的作用方向主要是縱向，所以汽車(chē)帶沿行駛方向有很好的防滑性。縱向花紋的輪胎行駛時(shí)主要受到來(lái)自橫向的摩擦力，故具有很好的橫向防滑表現(xiàn)，采用縱向和橫向組合的花紋可以使輪胎在整體上有良好的防滑性能。

5 結(jié)論

5.1 輪胎氣壓過(guò)低會(huì)使?jié)L動(dòng)過(guò)程內(nèi)部摩擦加劇，汽車(chē)受到的滾動(dòng)阻力增加。每3～6 個(gè)月對(duì)胎壓進(jìn)行檢查并及時(shí)充氣，可以使汽車(chē)有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

5.2 車(chē)速處于較低值時(shí)，車(chē)輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)基本保持不變；車(chē)速超過(guò)臨界速度，滾動(dòng)阻力系數(shù)迅速升高，容易發(fā)生駐波現(xiàn)象。

5.3 車(chē)速提高使車(chē)輪受到的附著力大大減??；增大輪胎所受載荷，附著力會(huì)相應(yīng)增大。

5.4 適當(dāng)增大花紋溝槽體積能夠使積水迅速排出，防滑性能得到提升，橫向和縱向花紋使汽車(chē)有不同方向的防滑水表現(xiàn)。