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基于汽车轮胎

滚动阻力特性

的研究

克劳斯·桑德

德国联邦公路研究所

车辆技术问题F 131

bast

1 问题陈述

随着时代的发展，汽车行业和与之相关的个人交通产业日益发现自己处于高速流通性和环境保护之间的尴尬领域。随着运输服务的增长，越来越多的汽车和卡车的排放量（与1991年相比，2010年德国汽车增加19％，卡车增加46％）显著增加了经济和环境的负担，特别是二氧化碳（CO2）对温室效应的影响，因此，环境保护也变得越来越重要。

与此同时，有关部门和汽车行业都采取了许多减少燃料消耗和污染物排放的措施，如汽车行业开发了节油型发动机并减轻了车辆的重量，交通部门要求驾驶员注意环保并以合理的速度行驶。作为可能措施的一种，车辆的滚动阻力（特别是轮胎的滚动阻力）也日益受到更多的关注。 联邦公路研究所（BAST）开发了多种方法和测量装置，用于测量试验台和路面上的轿车轮胎滚动阻力的研究。在道路建设者的视角上，他们关注的是道路的具体情况，比如路面纹理对滚动噪声和滚动阻力的影响。而轮胎制造商更感兴趣则是轮胎特性方面，如驾驶员希望的“低滚动阻力”轮胎，已经在一些汽车制造商的车辆原装设备上发布。

新一代轮胎也从“经济”，作为增加利润效益的同义词, 到“能源”，特殊能源保护的方法, 再到 “节油” ，作为燃料节约的术语。同时, 轮胎制造商表明, 若滚动阻力降低30%, 燃油节省将高达5%。 因此，在本研究中，轮胎在BAST的车辆/道路试验台的试验中进行检查，是关于新一代轮胎的滚动阻力是否减小，以及在多大程度上减小，以及从而预期这将有多大程度上有助于降低燃料消耗的关键方法。

2 对滚动阻力的研究

2.1 一般定义

当汽车行驶在平路上时，必须消耗能量以克服运动中的阻力和损失，这通常结合到行驶阻力。车辆橡胶轮胎的车轮阻力是行驶阻力的一部分，由车轮和路边部件共同造成（图2.1）。

轮胎特有的滚动阻力主要是由轮胎橡胶的弯曲下沉引起的，并且由轮胎圈和路面之间的摩擦和粘附损失组成。根据定义，它表示滚动阻力用作每单位行程的能量损失，单位为牛顿乘以米/米（Nm / m），因此它是一个标量。但是，在多数情况下，为了简单起见，仅给出牛顿（N）的滚动阻力，因为能从力的方向，测量出运动的方向（图2.2）。而滚动阻力也与车轮载荷有关，滚动阻力系数CR是车轮在一定条件下滚动时阻力与车轮负荷之比，它是一个无量纲数，对于车轮载荷范围很宽的子午线轮胎，可以假设该系数近似恒定。

2.2滚动阻力和能量要求

如图2.1所示, 在理想条件下, 即车辆在平路上运动时, 当汽车以稳定速度平稳行驶时，空气和车轮的阻力趋于恒定，根据这些要求，现在假设轮胎仅受到特定的车轮阻力即车辆运动时车轮的滚动阻力。由于现代汽车不断改进，所受的空气阻力较低，在市区以恒定速度行驶时，滚动阻力占车辆总阻力的比例约为80％，甚至在100 km / h的速度下达到50％，如图2.3所示。从表2.1可以看出，在汽车驾驶的阻力中，滚动阻力为现代汽车能量需求的主要组成部分。通过模拟汽车在典型的城市道路中的行驶条件，可以得到由四个车轮的滚动阻力引起的能量需求，大约占总能量的50％，超过了ECE（联合国欧洲经济委员会汽车法规）规定的能力损失要求。更有甚是，在恒定低速下，能量需求占总能量的比例高于80％，如图2.3所示。在所考虑的速度范围内，车辆轮胎消耗的能量总是能占车辆消耗总能量的很大一部分。

通常情况下，能量的消耗与行驶距离相关，那么在假设滚动阻力系数与速度无关的情况下，单位滚动阻力的能量损失也与速度无关，这显然

图2.1：车辆行驶的各项阻力构成

是不成立的。事实上，阻力系数随速度呈二次方增加，而驱动阻力取决于齿轮或齿轮比的选择。

表2.2显示了在平面上以恒定速度移动的车辆的燃料消耗。 速度在30到90 km / h之间的车辆的汽油消耗量可以简化为线性关系形式：

Fc =单位路程的汽油消耗量(I/km)

Fc0 =没有滚动阻力的汽油消耗量（I / km）

W =车辆的总载荷（kN）

k =速度因数（1 / km·kN）

CR =滚动阻力系数

图2.2：启动和粘附引起的滚轮损失力

等式的左边在简化消耗模型中对应于没有滚动阻力损失的理论预期消耗，并且可以与已知的 滚动阻力系数一起使用，以估计汽油消耗的减少。 当滚动阻力系数发生变化时，汽油消耗也随之变化：

例如，当k = 0.09 / km·kN，W = 16kN且CR = 0.012（对应于1.2％）时，可获得最大可实现的减少1.7/100km，而不会损失滚动阻力。 假设典型的标称消耗为10/100 km，这相当于消耗减少17％。 然而，如果滚动阻力损失减少30％，则上述示例车辆的结果是消耗减少0.5 /100 km，相当于基于标称消耗的5％。

图 2.3：燃油储备行程随速度的分布

表 2.1: 大众高尔夫的各项参数和能源需求

根据表2.1计算试验中的理论预期能量消耗量时，可比较获得结果。 总能量需求为10 kWh / 100 km，热值为9 kWh / 100 km，发动机效率为30％，总消耗量为3.7 /100 km，因此滚动阻力分量值为1.7 /100 km。

2.3滚动阻力的降低

有助于轮胎滚动阻力降低的特性现象如图2.4所示。其中，具有显着影响的是由于胎面橡胶的变形而引起的滞后及相关损失。因此，轮胎在滚动阻力方面的影响归因于轮胎的以下要素：

bull;结构：轮胎胎壳，帘线带和脚区

bull;bull;胎面花纹：分层，负比例和宽度

bull;bull;橡胶化合物：模块和阻尼

图2.4：滚轮上不同类型的功率损耗

图2.5：负载下滚动轮胎的能量密度分布

图2.5详细介绍了轮胎各种因素的能量密度分布比例。当改善滚动阻力性能时，特别是采取措施通过对胎面的橡胶混合物进行改善时，也要考虑其他相关的性能处理，如舒适性，耐磨性和湿抓地力以及冰雪上的牵引力。最终，如果要被市场接受，则降低滚动阻力轮胎不应该使轮胎的整体特性有任何显著的恶化。

3测试试验台

车辆/道路试验台（PFF）由BAST于1990年委托设计。 它特殊的地方不仅仅在于它的尺寸，而在于磁轴承原理的首次应用，它是基于内部鼓原理的测试机的许多结构中的一种特殊结构（图3.1）。

它的内径为5.5米，宽度为0.6米，重量为18000千克，双面开口圆环通过环形周边外安装的电磁铁组的效果而不接触地安装，并作用于由特殊磁钢制成的反作用杆上（图3.2）。 主力接管安排在开放圆环的最低点。 环在垂直和轴向方向上的稳定性由接管单独支撑和控制，所述支撑和引导单元横向地接合在环的上方。

反应轨道被引导到与磁体的磁极相距5mm的距离。缝隙传感器检测垂直和轴向位置，并且与电子控制系统一起为所有三个空间轴产生圆环位置作限定作用。控制的参考点不是旋转轴，

图3.1：车辆/道路测试试验台

而是圆环内表面相对于底层的最低点的高度。 在测试中，测试轮引入的力可以更好地消散和校正。同时发生由于离心力的变化，环的直径进行有比例的减小。

为了驱动整个系统，使用总输出功率为200 kW的多极直线电机，最大速度可达260 km / h。

测试轮通过可移动的轮轴引导。电动调节器在一宽范围内动态调节测试轮的倾斜度，从而调节外倾角和后倾角。

车轮负载由气动控制的双空气弹簧单元施加，作用在车轮上的所有力都可以通过集成在导轮上方的三分力测量单元进行测量（图3.3）。 车轮由异步电机驱动，功率为50 kW，连接万向轴，速度可无级调节。

图3.2：PFF的原理结构图

圆环的可自由进入的内表面周长约为18米，设有模拟道路。由18个单独填充的经过特殊工艺处理的天然材料组成的地板盒组成，水泥和沥青混凝土最大粒度为16毫米，垫厚度约40毫米。测试台的整个控制由具有多处理器系统的测试台计算机处理。表3.1总结了车辆/道路试验台的一些技术数据。

4实验设计

4.1轮胎的选择

在1994年底准备系统测试时，已经有两家制造商提供了低滚动阻力的轮胎，第三家制造商宣布在1995年春季上市。

为了尽可能获得关于滚动阻力减少轮胎的的一般性能规律，计划了两种轮胎尺寸的测试以及两种速度等级的测试。如之前关于滚动阻力的研究所示，滚动阻力系数的测试，以及车轮载荷和气压的影响，轮胎尺寸和速度等级（速度符号SSY）的关系和影响。

图3.3：带轮架的PFF工作站，负载测量系统和用于车轮装载的气动双空气弹簧

表3.1：车辆/道路试验台的技术数据

两个制造商分别从T类（最高时速190公里/小时）和H/V类（分别为210和240公里/小时）提供轮胎。第三个制造商在测试程序T轮胎结束时交付。然而，为了获得更大轮胎尺寸的一般结果，在标准版本中采购了额外的HR轮胎，因为制造商所提供的新橡胶化合物产品应具有相对于先前类型产品的更低的滚动阻力。

轮胎的尺寸定义为在预期速度等级（T或HV类别）中使用最普遍的尺寸。这些条件通过175/70 R 13 T和195/65 R 15 HV的标准尺寸来满足，因为它们大部分都应用于中低级和中上级车辆的原始设备或标准设备中，具有很高的市场份额，如大众高尔夫或欧宝雅特或奥迪100和梅赛德斯奔驰W124都属于这一类别。

作为标准轮胎，滚动阻力减小型轮胎的尺寸和橡胶化合物与常规类型的轮胎相比应无明显变化。为了使不同胎面几何形状的影响最小化，对于两组实验应使用相同或相当的轮廓的轮胎。 对于每组和每种类型的轮胎样品采购于大约相同的生产周期内（DOT编号），以最小化与轮胎寿命相关的影响。

对于轮辋尺寸，应选择与相应轮胎尺寸相关的通用尺寸。尺寸为175/70的轮胎安装在

5.5Jx13轮辋上，尺寸为195/65，轮辋为6Jx15。 试验轮胎的各项技术数据以及测量的胎面深度和共用硬度均列于附录中。

4.2试验道路

调查的目的是为了说明低滚动阻力轮胎相对于普通轮胎的滚动阻力的降低程度。为了能将试验台试验的结果与实际在道路运行相关，有必要在试验台中设定一些实际情况或实际条件，特别是对比较滚动阻力的试验。因此，测试的一个基本要素是所使用的模拟道路，其表面结构和性质应与交通下的路面状况相似。

因此，根据ZTV-bit-Stb 84的要求（适用性试验方案见附录），沥青路面0/11 S被用作试验路面。 由于在试验台的各个盒子中生产的覆盖部分的表面具有高比例的粘合剂，因此通过添加沙子对道路段进行蒸汽喷射并且在表面上除去多余的粘合剂以实现交通典型的纹理（图4.1）。 测量的表面特征总结在表4.1中。

如表所示，处理后的测试通道的表面应满足要求（SRT值gt; 50，粗糙度深度gt; 0.5mm），因此在纹理特性方面应对应于具有多年使用寿命的典型沥青混凝土路面。

图4.1：地面沥青混凝土0/11 S.的表面

4.3 力学测量

如第3章所述，车辆/车道试验台（PFF）具有动态可调的车轮导向装置。 试验台车轮悬架在设计时已经考虑了滚动阻力测量的要求。 用于周向和侧向力测试的稳定纵向和横向连杆单元，由带有集成测力传感器的轻型车轮连杆代替，用于测量纵向力（图4.2）。

通过使用带有低摩擦和低间隙的滚针轴杆端部，对于对角线布置的导力磁铁实现对测试轮的精确，且低摩擦和无反作用的引导。在测量臂的试验台铰接点上，安装一个特殊的应变计传感器，使其在测量方向上具有高动态负载的能力，同时可测量宽范围的横向力（测量范围plusmn;1,25 kN），仅通过检测支撑力的水平分量即可实现（图4.3）。

表4.1：试验轨道的特征参数

4.4 测量方法

根据定义，轮胎的滚动阻力产生于轮胎的所受的纵向力。所以PFF的测量机构仅检测作用在轮轴上的力即可。由于PFF的路面具有有限的曲率（在水平道路上时），在轮轴中测量的力对应于轮带中的滚动阻力，而轮胎的动态滚动半径和有效道路半径在测量时也必须被考虑， 图4.4中的试验台布置力图说明了这种关系。

此外，必须考虑到纵向力测量中滚动阻力会产生额外的力（另见第2.1章）。 这些力产生的原因是：

bull;轴承摩擦

bull;气流导致的空气阻力

bull;由于车轮导向和负载的垂直不对称引起

的纵向力

bull;由于温度和机械循环导致的称重传感器的电气和机械零点误差

纵向力测量的一般关系可以表述如下：

FX = 产生的纵向力

R = 滚动阻力

FW = 空气阻力和流量损失

FL = 轴承摩擦

FXZ =垂直未对准引起的纵向力误差

F0

资料编号：[4037]