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1、滚动阻力与轮胎设计,李勇 ,1,主要内容,背景 何为滚动阻力 滚动阻力的影响因素 测量滚动阻力 滚动阻力的换算,2,1. 背景,欧盟标签法：2012年11月实行轮胎滚动阻力分级，性能最佳的为A级，最差的为G级，达不到最低限定值(即F级以下)的轮胎不得在欧盟境内销售。 欧V排放标准: 2009年9月欧洲汽车执行了欧V排放标准对能耗和环保提出了更高的要求。 美国新能源政策：2016年前汽车每加仑汽油行驶里程必须平均达到57km。 美国Smartway认证：自2004年，美国环保署的汽车环境评价体系，与运输物流领域企业共同合作的项目,旨在鼓励消费者购买通过认证后的汽车和包括轮胎在内的其他汽车配件,从
2、而减少燃油消耗、降低温室气体的排放、改善空气质量。,3,1.1 Tire labeling 正变为全球趋势,预计中国墨西哥和巴西将在未来23年里推出相应制度，并与国际接轨。,4,欧盟标准,5,2016,6,美国,Smartway,7,1.2 滚动阻力现状,目前欧盟本土生产的轿车胎滚动阻力平均在E级；卡车胎及公共汽车轮胎的滚动阻力一般在C-E级。 据全国轮胎轮辋标准化技术委员会对大型轮胎企业的抽样调查结果显示，我国轿车胎滚动阻力多为E、F级，大部分可达到欧盟第一阶段的最低要求，但有相当比例的没能达到欧盟第二阶段的最低要求。 上海轮胎研究所对全国载重胎的调查分析结果显示，约30%的载重胎达不到欧盟
3、第一阶段滚动阻力的最低要求，70%达不到欧盟第二阶段滚动阻力的最低要求。 即使三巨头的最新节能轮胎滚动阻力在B 到 C 的范围，滚动阻力也极少达到A级。 这说明低滚动阻力必将成为全世界轮胎公司追求的目标。,8,9,轮胎三巨头轮胎的滚动阻力和抗湿滑性也极少达到A级。,不同品牌轮胎滚动阻力,10,中国轮胎36%尚未满足欧盟第一阶段标准，50%不满足欧盟第二阶段标准。,2011年芬兰测试世界公司对不同品牌轮胎油耗测试对比,11,欧洲85%的用户认为轮胎标签有助于他们做出购买决定,根据欧洲市场研究，以下属性影响消费者购买决定：,1.3 消费观念,12,1.4 存在主要问题,缺乏测试手段：滚动阻力试验机
4、、轮胎试验场； 缺乏基础理论研究和数据支持； 全白炭黑配方及生产工艺； 缺乏产品一致性。国内轮胎最大的苦恼，实验能达到A，B级，但是不敢标。,13,2. 何为滚动阻力？,14,2.1 滚动阻力定义,定义：滚动阻力是轮胎在路面上滚过单位距离时转变成为热量的机械能。 滚动阻力包括与滚动相关的空气动力阻力引起的机械能损失、轮胎与路面以及轮胎与轮辋的摩擦、以及发生在轮胎结构内部的能量损失。另外，还包括了轮轴处的轴承损失，因为它们减少了传递到轮胎的能量。 尽管滚动阻力定义为单位距离的能量与力的单位相同（J/m=N），但它是没有方向的标量。 在平坦路面上自由滚动的轮胎，力的概念是合适的，但是在其它情况下，
5、该概念被证实不合要求。 滚动阻力的值是从工况参数和几何参数计算得来的，它不对应实际的物理力。,15,2.2 滚动阻力占车辆能耗,城市道路，能量消耗百分比,16,高速公路，能量消耗百分比,17,变 形, o,材料特性 , tan,各部位体积, V,使用条件(空气压,负荷 , 速度.),扁 平 率,重 量,结 构,材 料,工 艺,2.3 影响滚动阻力的三大物理因素,18,19,在一定条件下，提高胎面硬度和减少肩部硬度可以将低生热,*来自美国橡胶制造商协会,2.4 轮胎的各部位消耗能量比例,20,运动方向,空气动力对转动轮胎的延迟作用占015%,微小滑移5%,屈挠,屈挠,压缩与剪切,接地部位的变形所
6、造成的能量损失占能量损失总量的8095%,21,轮胎各部位消耗能量,22,1.TREAD 2.BODY PLY(CARCASS) 3.BELT 4.SIDEWALL 5.BEAD(APEX) 6.INNERLINER 7.CAPPLY,1,2,3,4,5,6,7,Tread,49%,Sidewall,14%,Carcass,11%,Bead part,11%,Belt,8%,others,7%,23,能量分散图,轿车胎横截面,卡车胎横截面,该图采用有限元方法计算,2.5 计算机模拟能量损失,24,3. 滚动阻力的影响因素,3.1 橡胶配方：降 3.2 结构设计：减重 3.3 使用条件的影响,2
7、5,3.1.1 溶聚丁苯橡胶,26,不同用途轮胎采用不同SBR,27,SSBR的技术进展,溶聚丁苯橡胶的开发与任何新产品、新技术的开发一样，也毫无例外地具有一个不断发展、不断完善的过程，从第一代多结构单元变化的SSBR到第二代开发出性能更为全面的具有代表性品种，主要有锡偶联、端基改性、硅烷改性以及嵌段型等SSBR，可以提高胶料的拉伸强度，改善加工性能。 集成橡胶SIBR属于第三代SSBR范畴，是以苯乙烯-丁二烯-异戊二烯为原料，利用分子设计、控制聚合物化学组成和微观结构的方法合成的新一代SSBR，也是锂系橡胶的重要改性型产品。,28,3.1.2 钕系顺丁橡胶,与其它胶种一样钕系顺丁橡胶(NdB
8、R)目前也在朝改性的方向发展。 NdBR有分子结构规整性高、窄分子量分布的高、中、低门尼系列产品； 还有分子量高、分子量分布宽的长支链NdBR。与普通NdBR相比，虽有相同的微观结构但宏观结构不同，生胶门尼粘度很容易达到80以上，但与NR并用后的混炼胶门尼粘度低于其生胶门尼粘度，与普通NdBR/NR混炼胶门尼粘度相近； 新型高门尼 NdBR在具有很好加工性能的同时，具有良好的动态抗裂口增长和优异的滞后性能，这对提高BR在轮胎中的使用比例是非常重要的。,29,胎侧胶中使用Nd-BR与Ni-BR的性能比较,30,NdBR研究进展,日本JSR公司采用在聚合反应后期添加改性剂的方式，将极性基团引入到大
9、分子链上，可使NdBR具有更好的物性，耐寒性的提高更显著。 Enichem公司的催化剂低温老化法，可分别提高聚合活性，改善NdBR的冷流性、加工性能和控制产物门尼粘度的过大波动。,31,3.1.2 异戊二烯橡胶,2000年世界生产能力为140.9万t/a，占合成橡胶世界总生产能力的11.5%，位居世界合成橡胶总产量的第三位，国内尚属空白。IR结构性能与天然橡胶（NR）相似，是合成胶中性能最接近NR的胶种，在各类橡胶制品中，可以大比例代替天然橡胶。俄罗斯在轮胎中，已经把IR用量提高到70100%。 国内对高反式-1，4聚异戊二烯的研究较多，虽然它与普通天然橡胶或异戊橡胶具有完全相同的化学组成，但
10、分子链中的双键结构相反，因此性能上差异很大。常温下反式-1，4聚异戊二烯是具有高硬度和高拉伸强度的结晶型聚合物，熔点60左右。 国内曾进行了在轮胎胎面胶的应用试验，可以作为高速节能轮胎用原材料，但其不良的加工性能限制了其应用推广。,32,CARBON,SILICA,CONTENTS,100,105,Wet Traction,100,110,Rolling Resistance,100,97,Wear,Properties,0 tan Hydrophilic -OH Group,Hysterisys滞后损失,Dispersion Polymer,High,Low,Low S-SBR,Low,Hi
11、gh,High E-SBR,Temp.,3.1.3 白炭黑,33,高分散白炭黑低温区性能不降（适合冬季轮胎），高温区大降，适合低滚阻,34,白炭黑用量关系，在小比例时，基本无助于滚阻；全白炭黑混炼工艺复杂,35,由于聚集体分布相对较宽，着色强度较低，在中等苛刻度的条件下，胎面胶的耐磨性能主要取决于炭黑的粒径， 炭黑的聚集体尺寸分布越宽，胶料的滞后性能亦越低，RR也越小； 超高结构炭黑吸油值和压缩吸油值(即244)约分别为170c3(100)-1和1203(100)-1,甚至更高的炭黑。 这类炭黑的特征是聚集体分布相对较宽,即小的聚集体嵌入到大的聚集体中,这样会提高其有效填充密度,有助于降低胎面
12、胶的滚动阻力。,3.1.4 低滞后炭黑,36,3.2 结构设计：减重,带束层宽度加大或太窄都能显著增加滚动阻力。 胎面的深度和宽度是影响质量的两个关键设计参数，呈线性减少，新胎与旧胎差20% 胎面宽度过分减小，胎冠上胎肩部位会产生过大的载荷。,37,刀槽,（a）接触区域内轮胎的纵向弯曲；（b）接触区域内轮胎的横向弯曲。 在纵向花纹加刀槽可以将低滚动阻力，降低了接地时的花纹应变,38,胎冠曲率,胎冠的曲率对滚动过程中接触区域内产生的应力以及带束上产生的应力有很大的影响。虽然较为平坦的胎冠（减小曲率）不总是更好，但一般来说更好。 较平坦的胎冠会增加胎肩区域胎面的厚度。这种情况下，质量的影响会抵消扁
13、平化带来的能量耗散的减少，结果滚动阻力会增加,39,冠带层,冠带层减少高速时的滚动阻力 低于120kph时，滚动阻力要高。 第一，增加冠带层直接增加了轮胎的质量。 第二，增加的橡胶和帘线耗散能量。 另外，冠带层增加了胎冠区域周向的刚度。,40,全零带,与普通子午胎不同的结构,普通带束层：置以一个角度,采用无接头技术：沿轮胎圆周0角度缠绕,零带主要防止宽胎反拱,41,外直径,较大的外直径会减小滚动阻力系数。相同结构的轮胎，滚动阻力系数基本上与外直径的-1/3次方成比例关系。,42,宽胎面轮胎,单胎代替双胎 = 降低滚动阻力 = 节省燃料,43,高宽比,电动汽车采用60系列,44,行驶路线,滚动阻
14、力占总阻力的百分比（四种路线对比）,市内,市外,高速公路,主流路面,滚动阻力,内摩擦力,空气阻力,惯性阻力,3.3 使用条件的影响,45,RR,路面质量越好，RR越小。,46,行驶时间,滚阻迅速降低，然后趋于稳定,行驶时间对滚阻的影响（轿车轮胎）,以100为基准,基准100：轮胎滚动30分钟后依标准ISO 8767 测得。,47,温度的影响,温暖的天气使得轮胎的效率更高（低滚阻）,基准100：在25下依标准ISO8767测得的滚阻,k=0.006-1。K的其它值有时也会用到，但是其值一般在0.005到0.008-1之间,48,175/65R14 滚动阻力与速度关系,速度影响,49,充气压力的影
15、响,较高的充气压力可降低滚动阻力,轿车轮胎,基准100：在充气压力为2.1bar下依标准ISO 8767测得。,50,负荷的影响,随着负荷的增加，轮胎变得更高效 (CRR) ，但是实际阻力 (FRR)增大了 ，因为轮胎的负荷增加了。,Z = 加在轮胎上的垂直载荷占设计最大载荷的百分比,The tire becomes more efficient (CRR) - BUT the actual resistive force (FRR) increases because the load on the tire increases,轿车,基准100：在负荷为最大负荷80%时依标准ISO 876
16、7测得的滚动阻力,51,4. 测量滚动阻力,ISO 方法 ISO 8767, 9948, 13327 SAE 方法 SAE J1269, J1270 (扭矩、阻力、功率法) J2452 (减速度法) 四个基本的测试方法：减速度法；阻力法；扭矩法；功率法。,52,减速度法,减速测试法是ISO标准里规定的,注： 表示转动角速度；表示角加速度。,.,53,阻力法,依ISO标准测定阻力,力传感器（测力计）,54,扭矩法,依ISO标准测定扭矩,扭矩传感器（扭矩计）,55,功率法,依ISO标准测定输入的电功率,瓦特计,56,测力计法 单滚筒法 vs 双滚筒法,轮胎在单滚筒测力计上的变形大于在路面上的变形，比在双滚筒 测力计上的变形大得更多。 测力计产生的滚动阻力大于路面产生的滚动阻力 。 在标准气压下，双滚筒测力计造成的变形甚至会导致轮胎破坏，因此欧洲法规里允许在做双滚筒测力计测试时，将轮胎气压充到超过标准值的50%。,57,5. 滚动阻力的换算,滚动阻力的计算公式,58,侧偏情况,是侧偏力， 是倾覆力矩， 是回正力矩,侧偏工况：,59,为侧偏角，为外倾角，T为轮轴上的力矩，为轮胎角速度，v为路面速度，R1为轮胎加载后的半径，R为试验鼓的半径,60,轮胎坐标系,61,不同转鼓,62,不同速度、负荷,转鼓实验中,63,谢谢！,64,