...津汽车检测中心轮胎滚动阻力测试设备安装到位 -中国汽车技术研究...
张一尘+张新峰+魏晓辰
摘 要：研究表明，汽车行驶过程中，20%的燃料消耗于轮胎滚动阻力上，轮胎滚动阻力每减少10%，整车油耗可降低2%～3%。轮胎滚动阻力影响因素众多，包括轮胎材料、内部结构、花纹形式、行驶速度、充气压力、负荷重量等。开展轮胎滚动阻力性能研究，对于降低汽车燃油消耗量有重要意义。文章从乘用车行驶速度的影响入手，对轮胎滚动阻力性能进行测试研究，定量分析乘用车在日常行驶速度区间内，轮胎滚动阻力的变化趋势。
关键词：乘用车轮胎；滚动阻力；行驶速度；单点试验；多点连续试验
中图分类号：U463.341 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0163-03
前言
随着我国交通设施的不断完善，截止2016年底，我国高速公路里程已突破13万公里，连续数年稳居世界第一。改革开放之后，国内经济水平飞速提高，截止2016年底，全国GDP总额超过70万亿人民币，达到74.4万亿，超过美国的三分之二。相伴经济腾飞，车辆的使用需求不断膨胀，汽车保有量不断增长，与此同时，社会汽车燃油消耗总量也在不断增加。汽车尾气污染带来的环境破坏日益严重，雾霾天数增多、四季气温反常、PM2.5浓度上升、温室效应不断凸显，这些问题无一不充斥在人们的日常生活中，导致国人生活水平提高的同时，生活质量却并没有随之提高。为了减少汽车污染物排放给环境带来的破坏，北京从2008年开始就对机动车辆进行限号行驶，其他地方也随之颁布了相似的政策。提高汽车的燃油经济性，可在保持国人出行方便的同时，减少对环境的污染，保证生活质量。因此，汽车节能减排愈加受到社会的普遍重视。
降低轮胎的滚动阻力是提高汽车燃油经济性的重要途径。轮胎的低滚阻化已经是轮胎工业发展的趋势，低滚阻轮胎在设计、生产过程中发展迅速。近年来，在国内外各大轮胎厂商及科研机构的努力下，轮胎滚动阻力系数不断降低。
本文依托轮胎滚动阻力试验设备，从轮胎滚动速度出发，通过实际试验，测试研究不同速度下轮胎滚动阻力及滚动阻力系数的变化程度，分析乘用车轮胎滚动阻力与行驶速度的对应关系，为轮胎开发和匹配提供数据支持。
1 试验设备
本试验设备采用中国汽车技术研究中心汽车试验研究所的轮胎滚动阻力试验机，见图1。
此设备采购自德国ZF，经TUV SUD（南德意志集团）与欧洲轮胎滚动阻力基准实验室对标，其测量精度和稳定性已达到国际最先进水平，试验结果精确可靠。
2 试验原理
轮胎滚动阻力大小与轮胎材料、内部结构、花纹形式、行驶速度、充气压力、负荷重量等因素相关。本试验所采用的试验设备将轮组设置在转鼓径向外侧，加载装置通过径向施加载荷将轮组压向鼓面，并达到指定径向压力。此时驱动轉鼓，使轮组达到某一转速，运转一定时间使轮胎性能稳定后，通过轮组固定端传感器测量轮胎所受切向阻力（或者通过转鼓固定端传感器测量转鼓输入扭矩或输入功率）。此时测量的阻力包含轮胎滚动阻力、转鼓和轮轴轴承摩擦力、转鼓和轮组风阻。然后将轮组径向压力减小到100N，仅使轮组能跟随转鼓转动而不滑动，此时的轮胎滚动阻力可忽略不计。测量轮胎切向力（或者转鼓输入扭矩、输入功率），此时测得的阻力包含转鼓和轮轴轴承摩擦力、转鼓和轮组风阻。其中，轮组径向压力的减小会使设备轴承摩擦力减小，但其差值可忽略不计。将两次测量值相减，即可得到轮胎的滚动阻力。
3 试验方案
ISO 28580中规定了轮胎滚动阻力试验方法，该方法可以横向比较出特定条件下不同轮胎滚动阻力性能的差异。本实验参考ISO 28580的试验方法，试验负荷为最大负荷的80%；标准型轮胎的充气压力为210kpa，增强型轮胎为250kpa，改变试验速度，研究每条轮胎在不同速度下滚动阻力与滚动阻力系数的变化情况。
3.1 方案一：单点试验
试验速度选取40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h五个单点；轮胎选用米其林225/55R17 101W、米其林235/45R18 94V、米其林225/60R17 103V、玛吉斯225/60R17 103H、玛吉斯225/55R18 102V五条轮胎。分别测试每条轮胎在不同速度点的滚动阻力及滚动阻力系数。研究每条轮胎在不同速度下滚动阻力及滚动阻力系数的变化情况。同一条轮胎每两次实验间隔不少于3小时，保证每一次实验开始前，轮胎轮辋组合体在25℃环境内得到充分热平衡。
3.2 方案二：多点连续试验
试验速度选取40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h五个单点，轮胎选用米其林225/55R18 102V。做40km/h 至 120km/h不停歇连续试验，再做120km/h至40km/h不停歇连续试验。研究轮胎稳定运行时速度变化对于滚动阻力及滚动阻力系数的影响。
4 试验过程
4.1 试验准备
按照ISO 28580要求，将轮胎安装在铝合金高精度标准试验轮辋上，充上相应气压，放在25℃恒温的滚动阻力实验室停放3小时以上，使轮胎与轮辋的组合体在测试环境中达到充分热平衡。
4.2 试验步骤
方案一：热平衡之后，按照ISO 28580的要求进行气压调整；以40km/h的速度升温运行30分钟后，读取转鼓输入功率、输入扭矩、轮胎轴力；分离载荷升温1分钟后读取相应参数；反向旋转升温20分钟后读取相应参数；分离载荷后1分钟再次读取相应参数。此时一条轮胎的一个单点测试完成。卸下轮组，在25℃环境中再次热平衡3小时以上之后，重复以上步骤，进行下一个速度点的测试。完成3.1中要求的5个单点速度试验后，此轮胎试验结束，进行下一条轮胎的测试，或者若干条轮胎交替进行测试，保证热平衡时间。endprint
方案二：热平衡之后，按照ISO 28580的要求进行气压调整；以上述一个单点试验程序为一个试验周期，单个周期结束后轮胎不停转，直接进入下一个试验周期。为了让轮胎达到稳定状态，重复40km/h速度测试周期6次，并全部记录，然后直接加速至60km/h，进入60km/h的试验周期，后依次进行80km/h、100km/h、120km/h试验周期。记录每一个试验周期的试验数据。试验完成后，卸下轮组，在25℃环境中再次热平衡3小时以上，调整气压，再次安装轮组于设备上，以120km/h为初始速度，重复运行120km/h周期6次，依次降速至100km/h、80km/h、60km/h、40km/h运行试验周期。记录所有周期试验数据。
5 数据处理与分析
为了更好地研究速度对轮胎滚动阻力和滚动阻力系数的影响，将六条轮胎在不同的试验速度下测得的7组滚动阻力数据放在表格中进行对比，并绘制试验速度与轮胎滚动阻力及滚动阻力系数的关系图。
由于篇幅所限，在这里每组试验数据及关系图就不赘述。其中，单点试验中，米其林225/55R17 101W轮胎试验速度由40km/h增加至120km/h，滚动阻力累计降低4.65N，滚动阻力系数累计降低0.73N/kN；单点试验中，米其林235/45R18 94V轮胎试验速度由40km/h增加至120km/h，滚动阻力累计降低4.87N，滚动阻力系数累计降低0.94N/kN；单点试验中，米其林225/60R17 103V轮胎试验速度由40km/h增加至120km/h，滚动阻力累计降低4.03N，滚动阻力系数累计降低0.60N/kN；单点试验中，玛吉斯225/60R17 103H轮胎试验速度由40km/h增加至120km/h，滚动阻力累计降低2.43N，滚动阻力系数累计降低0.36N/kN；单点试验中，玛吉斯225/55R18 102V轮胎试验速度由40km/h增加至120km/h，滚动阻力累计降低1.44N，滚动阻力系数累计降低0.22N/kN。
从五条轮胎的滚动阻力和滚动阻力系数随试验速度变化的曲线可以看出，随着试验速度从40km/h增加到120km/h，轮胎滚动阻力及滚动阻力系数均呈下降趋势，滚动阻力分别累计下降4.65N、4.87N、4.03N、2.43N、1.44N，滚动阻力系数分别累计下降0.73N/kN、0.94N/kN、0.60N/kN、0.36N/kN、0.22N/kN。
将五条轮胎测得的滚动阻力值汇总于同一图上进行对比（如图2、图3），可以看出不同轮胎的滚动阻力对于速度变化的敏感程度和特点并不一样，如图2中的滚动阻力值1（米其林225/55R17 101W）和滚动阻力值3（米其林225/60R17 103V），40km/h时轮胎1的滚阻值54.30N高与轮胎3的滚阻值54.09N，加速到120km/h时，轮胎1的滚阻值49.65N低于轮胎3的滚阻值50.06N。滚动阻力值2/4/5，随着速度的增加，滚阻值差距逐渐减小。整车匹配时轮胎时，推荐考虑轮胎滚动阻力特性与车辆设计速度的关系。
关于米其林225/55R18 102V 40km/h-120km/h 连续试验结果及120km/h-40km/h 连续试验结果可知，轮胎在前3个测试周期中状态趋于稳定。加速试验中五个测试点的滚动阻力分别是50.62N、50.10N、49.22N、48.56N、48.18N，滚动阻力系数分别是7.59N/KN、7.51N/KN、7.38N/KN、7.28N/KN、7.22N/KN；减速试验中五个测试点的滚动阻力分别是48.07N、48.53N、48.97N、49.70N、50.32N，滚动阻力系数分别是7.20N/KN、7.27N/KN、7.34N/KN、7.45N/KN、7.55N/KN，汇总于如下对比图中，分别绘制滚动阻力和滚动阻力系数的加减速试验对比图。
加速试验相比较减速试验，在40km/h-80km/h区间段滚动阻力大0.03-0.4N，滾动阻力系数大0.01-0.06N/kN，在100 km/h -120km/h，滚动阻力值及滚动阻力系数值十分接近。速度从40km/h增加到120km/h，轮胎滚动阻力累计下降2.44N，滚动阻力系数累计下降0.37N/kN；而减速试验中轮胎滚动阻力累计上升2.25N，滚动阻力系数累计上升0.35N/kN。
6 结束语
经过以上多次单点试验及连续加速减速试验，得出结论，在乘用车日常行驶速度区间内，轮胎滚动阻力及滚动阻力系数值与其速度相关，且速度越快，滚动阻力及滚动阻力系数值越低，轮胎滚动阻力消耗的能源越少。
参考文献：
[1]伍江涛，夏松茂.汽车轮胎滚动阻力及其测试方法[J].科技资讯，2007，23（21）：27-33.
[2]薛风先，王泽鹏，朱由锋.轮胎滚动阻力（因数）测定和数值计算方法[J].橡胶工业，2006，53（3）：174-178.
[3]张学利，何勇.汽车动力性检测中的滚动阻力[J].公路交通科技，2000，17（5）：93-95.
[4]高蔚，王建强，苏建.双滚筒上轮胎滚动阻力模型[J].公路交通科技，2003，20（6）：147-149.
[5]任礼行，刘青，张艾谦，等.轮胎滚动阻力测量与分析[J].汽车工程，2000，22（5）：316-319.
[6]李红伟，孙炳光.轮胎滚动阻力测试分析[J].轮胎工业，2009，29（3）：179-182.
[7]王阳，张子鹏，朱其文，等.国内外轮胎滚动阻力试验方法及影响因素分析[J].轮胎工业，2013（10）：628-633.
[8]ISO28580 Passenger car， truck and bus tyres-Methods of measuring rollingresistance-Single point test andcorrelation of measurement results.
[9]GB/T 29040-2012.汽车轮胎滚动阻力试验方法单点试验和测量结果的相关性[S].endprint
