輪胎滾動(dòng)阻力與花紋特性的相關(guān)性研究

胡德斌，王劍波，李 磊

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

為改善環(huán)境，世界各國(guó)都在削減二氧化碳排放，強(qiáng)化環(huán)保類的法律法規(guī)，歐盟ECE法規(guī)最早提出法案規(guī)定了輪胎滾動(dòng)阻力限值[1-3]。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的要求也隨之提高，多家汽車生產(chǎn)商已經(jīng)加大綠色車型的開發(fā)力度[4-8]。2008年特斯拉公司作為專業(yè)的電動(dòng)汽車生產(chǎn)商進(jìn)入汽車市場(chǎng)，2011年比亞迪股份有限公司和日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社也均進(jìn)軍電動(dòng)汽車市場(chǎng)。目前，許多知名車企都有電動(dòng)汽車在市場(chǎng)銷售。

輪胎滾動(dòng)阻力會(huì)導(dǎo)致能量的消耗，與滾動(dòng)輪胎相關(guān)的機(jī)械能損失都轉(zhuǎn)化為熱量[9]，這是輪胎材料機(jī)械滯后的結(jié)果。輪胎滾動(dòng)阻力計(jì)算公式如下：

式中，R為輪胎滾動(dòng)阻力，Ui為單位體積的應(yīng)變能量，Vi為體積，tanδi為應(yīng)力應(yīng)變滯后相位，i為自然數(shù)。

由式（1）可知，滾動(dòng)阻力來源于輪胎應(yīng)變能量與對(duì)應(yīng)體積和材料應(yīng)力應(yīng)變滯后相位的乘積。轎車子午線輪胎的能量損失分布（典型值）如下：胎冠 70%，胎側(cè) 15%，胎圈 15%。因胎冠部位對(duì)滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)最大，本工作重點(diǎn)討論胎冠部位的應(yīng)變。

輪胎胎面在接地區(qū)域有胎面彎曲、壓縮和剪切3種主要變形，如圖1所示。

圖1 輪胎胎面接地區(qū)域的胎冠變形

進(jìn)入接地區(qū)域時(shí)，胎冠先彎曲，導(dǎo)致曲率半徑小于未變形的輪胎；在接地區(qū)域，胎冠變平，曲率半徑變?yōu)闊o窮大，此時(shí)花紋塊受到壓縮和剪切作用；在接地區(qū)域末端，存在一個(gè)低曲率半徑的區(qū)域，本質(zhì)上與進(jìn)入接地區(qū)域相同。最后，在接地區(qū)域外，胎冠恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

以無側(cè)偏自由滾動(dòng)輪胎為例，單個(gè)花紋塊在接地過程中的變形如圖2所示，圖中紅色方框內(nèi)為變形中的單個(gè)花紋塊。

圖2 無側(cè)偏自由滾動(dòng)輪胎胎面單個(gè)花紋塊通過接觸區(qū)域示意

花紋飽和度即輪胎在接地范圍內(nèi)的花紋塊實(shí)際面積與接地面積之比，也可以使用空隙率的表征方法，即空隙率＝100%－花紋飽和度。胎面花紋飽和度和單個(gè)花紋塊的大小對(duì)胎面應(yīng)力和應(yīng)變有重要影響，進(jìn)而影響輪胎滾動(dòng)阻力，如圖3所示。圖中，h為高度，α為剪切變形角度，d為剪切變形位移。

圖3 單個(gè)花紋塊的受力變形

本工作通過花紋設(shè)計(jì)并雕刻光面輪胎，研究花紋特性（飽和度及形態(tài)）對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響，并得到其相關(guān)性，可對(duì)低滾動(dòng)阻力輪胎的花紋設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)輪胎

選用205/55R16 91V光面輪胎，輪胎結(jié)構(gòu)和材料均一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

MTS滾動(dòng)阻力測(cè)試機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件

采用ISO 28580—2018穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法—單點(diǎn)法[10]進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件如下：充氣壓力 210 kPa，速度80 km·h-1，負(fù)荷 4.822 kN，輪輞 6.5J×16。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試樣制備

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

胎面花紋設(shè)計(jì)方案如表1所示。其中，A，B，C方案花紋分別為縱向、橫向和混合花紋（見圖4），縱向、橫向和混合花紋溝深度均為6 mm。所示。

圖4 胎面花紋示意

表1 胎面花紋設(shè)計(jì)方案

1.4.2 試樣制備

為確保試驗(yàn)精度，光面輪胎均為同批次制備的產(chǎn)品。

由專業(yè)人員按照胎面花紋設(shè)計(jì)方案雕刻輪胎，全部輪胎雕刻均由同一操作人員在同一設(shè)備上完成。雕刻花紋后的輪胎（刻花輪胎）如圖5—7

圖5 縱向花紋刻花輪胎示意

圖6 橫向花紋刻花輪胎示意

圖7 混合花紋刻花輪胎示意

2 結(jié)果與討論

滾動(dòng)阻力測(cè)試結(jié)果如表2所示。其中，滾動(dòng)阻力系數(shù)為輪胎滾動(dòng)阻力與其試驗(yàn)負(fù)荷的比值。

表2 滾動(dòng)阻力測(cè)試結(jié)果

2.1 花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

2.1.1 縱向花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

縱向花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響見圖8。

從圖8可以看出，A1—A4方案輪胎花紋的飽和度依次降低，其對(duì)應(yīng)的滾動(dòng)阻力系數(shù)基本保持不變。原因主要為縱向花紋在周向的剪切變形受到限制（見圖9）?？v向花紋胎冠處滾動(dòng)阻力的來源為花紋塊的壓縮應(yīng)變及其體積變化，當(dāng)輪胎花紋飽和度降低后，其帶來的壓縮應(yīng)變?cè)龃笈c體積減小對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響相互抵消，滾動(dòng)阻力基本保持不變。

圖8 縱向花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

圖9 花紋塊剪切應(yīng)變示意

光面輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.91%，A1—A4方案輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)約為0.88%。隨著A1—A4方案輪胎花紋飽和度降低，橡膠體積減小（滾動(dòng)阻力趨勢(shì)減?。瑝嚎s應(yīng)變?cè)龃螅L動(dòng)阻力趨勢(shì)增大）。相比光面輪胎，刻花輪胎橡膠體積對(duì)滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)比壓縮應(yīng)變更大。

2.1.2 橫向花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

橫向花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響見圖10。

圖10 橫向花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

從圖10可以看出，B1—B4方案輪胎橫向花紋飽和度依次降低，對(duì)應(yīng)滾動(dòng)阻力系數(shù)持續(xù)增大。橫向花紋胎冠處滾動(dòng)阻力的來源為花紋塊的壓縮、剪切應(yīng)變和體積變化。與縱向花紋對(duì)比，橫向花紋有更大的縱向剪切應(yīng)變。B1—B4方案輪胎花紋飽和度降低帶來的壓縮、剪切應(yīng)變?cè)龃髮?duì)滾動(dòng)阻力的影響（增大）超過其體積減小對(duì)滾動(dòng)阻力的影響（減?。?，因此滾動(dòng)阻力持續(xù)增大。B4方案輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)（0.92%）甚至超過了光面輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)（0.91%）。

2.1.3 混合花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

混合花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響見圖11。

圖11 混合花紋飽和度對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

從圖11可以看出，C1—C4方案輪胎混合花紋的飽和度依次降低，對(duì)應(yīng)滾動(dòng)阻力系數(shù)先減小后增大?；旌匣y胎冠處滾動(dòng)阻力的來源為花紋塊的壓縮、剪切應(yīng)變和體積變化。C1—C2方案輪胎花紋飽和度減小帶來的體積減小對(duì)滾動(dòng)阻力的影響（減?。┏^壓縮、剪切應(yīng)變?cè)龃髮?duì)滾動(dòng)阻力的影響（增大），滾動(dòng)阻力降低；C2—C4方案輪胎的情況正好相反，剪切應(yīng)變的影響超過體積變化的影響，滾動(dòng)阻力持續(xù)增大。

2.2 花紋形態(tài)對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

花紋形態(tài)對(duì)滾動(dòng)阻力的影響見圖12。

圖12 花紋形態(tài)對(duì)滾動(dòng)阻力的影響

從圖12可以看出：花紋飽和度相同時(shí)，橫向花紋輪胎滾動(dòng)阻力更高，這與橫向花紋的縱向剪切應(yīng)變相對(duì)較大有關(guān)；縱向花紋輪胎滾動(dòng)阻力相對(duì)較低，這與縱向剪切應(yīng)變受到限制有關(guān)；混合花紋輪胎滾動(dòng)阻力介于橫向花紋與縱向花紋輪胎之間。

3 結(jié)論

（1）花紋飽和度與不同花紋形態(tài)交互作用后，其滾動(dòng)阻力呈現(xiàn)不同的結(jié)果，隨著花紋飽和度降低，縱向花紋輪胎滾動(dòng)阻力基本保持不變，橫向花紋輪胎滾動(dòng)阻力持續(xù)增大，混合花紋輪胎滾動(dòng)阻力先減小后增大。

（2）低滾動(dòng)阻力輪胎的花紋飽和度宜在70%左右。

（3）輪胎滾動(dòng)阻力與花紋形態(tài)有一定的相關(guān)性：縱向花紋對(duì)滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)相對(duì)較??；橫向花紋對(duì)滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)較大；混合花紋對(duì)滾動(dòng)阻力的貢獻(xiàn)介于橫向花紋與縱向花紋之間。