整车燃油经济性与轮胎相关性的试验研究与理论分析

张新月，殷瑞婧，周福强，仇 斌，危银涛

（1.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；2.燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066000）

随着地球的日趋变暖，石油资源短缺、不断涨价，环境污染控制的要求日益严酷，减少汽车燃料消耗以及尾气排放量已成当前世界性的重要环保课题[1-2]。汽车燃油经济性的影响因素包括发动机性能、汽车行驶阻力和传动效率、结构因素、道路条件、气候、交通状况等诸多方面。本工作通过试验和能量流分析，研究乘用车轮胎对整车燃油经济性的影响[3-4]。作为汽车的唯一接地部件，轮胎本身材料和结构属性及道路的作用，使轮胎在滚动时产生了阻碍前进的滚动阻力，作为车辆行驶的4种主要阻力来源之一，滚动阻力造成了燃油的消耗。车辆消耗燃料的10%是用来克服车辆的滚动阻力[5]；美国环保局的试验数据也表明[6]，当轮胎的滚动阻力降低10%时，轿车能有效地节约2%的燃油，载重汽车能节约4%的燃油。因此，轮胎的滚动阻力是车辆能源消耗的重要组成部分。

欧盟各成员国以及美国等已纷纷立法，对轮胎的滚动阻力提出限值要求[7-8]。2012 年开始实施的欧盟轮胎“标签法”[9]对在欧盟销售的轮胎各项性能提出更严格要求。目前，我国轿车轮胎有30%达不到欧盟第1阶段滚动阻力的最低要求，70%达不到其第2阶段的最低要求[10]。汽车制造商也开始对轮胎提出降低滚动阻力的要求。米其林推出的专用电动车轮胎Energy EV的滚动阻力系数降低20%，使得雷诺ZOE汽车的续航里程提高6%[11]，普利司通也推出EP150轮胎用于通用的Spark系列电动车[12]。

轮胎滚动阻力的组成为[13]：轮胎部件胶料的滞后损失 90%～95%；轮胎移动的空气阻力+轮胎/路面摩擦 5%～10%。不同结构、材料和花纹的轮胎滚动阻力是不同的，因此，同样车辆配备不同的轮胎，滚动阻力的表现差别可达50%[14]。事实上，由于滚动阻力的存在，轮胎所造成的燃油消耗量约占整个轿车燃油消耗量的20%，在卡客车中则占1/3[15]。

尽管理论上降低滚动阻力可以提高汽车的燃油经济性，但是通过量化的对标试验，定量确定不同的轮胎对整车燃油经济性的影响的研究报道甚少。本研究采用4种品牌同规格的轮胎分别进行滑行试验和等速油耗试验，对比分析轮胎与整车油耗的相关性，并在此基础上通过能量流分析，建立轮胎滚动阻力系数与整车燃油经济性的关系。

1 实验

通过滑行试验和等速油耗试验，辨识实际运行过程中轮胎的滚动阻力系数及其对汽车油耗的影响。选用试验车型为东风风行LZ6460Q8GS，参数如下：

试验所用4种品牌215/65R15轮胎的花纹形式如图1所示。

图1 4种品牌轮胎的花纹形式

1.1 滑行试验

试验车进行了50 km·h-1的滑行距离和滚动阻力系数辨识试验。试验前试验车辆必须进行预热行驶；在长约1 km的试验路段两端立上标杆作为滑行区段，汽车在进入滑行区段前车速应稍大于50 km·h-1；驾驶员将变速器排挡放入空挡（松开离合器踏板），汽车开始滑行；记录滑行初速度[应为（50±0.3）km·h-1]和滑行距离。

1.2 等速油耗试验

依次对不同品牌轮胎采用4种车速，20，30，40，50 km·h-1，进行等速油耗试验。为了确定在规定速度时的燃油消耗量，在低于或等于规定车速时进行往返一次，往返区段应尽量相同；并在至少等于或高于规定车速进行另两次试验，但应满足速度误差为±2 km·h-1的要求。

1.3 结果与分析

滑行试验数据分两部分，第1部分数据是手动记录的滑行距离和时间，处理后A—D品牌轮胎滚动阻力系数分别为0.009 46，0.009 57，0.012 17，0.010 90；第2部分数据是V-BOX储存卡中的数据，数据的储存频率是100 Hz，其中要用到的数据是时刻和对应的车速。第2部分的数据处理在MATLAB软件中通过编程完成，包括提取滑行数据、判断试验数据是否有效、计算行驶阻力、计算修正后的滚动阻力及其系数。

试验结果如图2所示。

图2 轮胎滚动阻力系数随车速变化的曲线

由图2可知，C品牌轮胎的滚动阻力系数最大，B品牌最小，A品牌仅次于B品牌，D品牌介于A品牌与C品牌之间。

4种品牌轮胎速度整合后的等速百千米油耗比拟合曲线如图3所示。油耗比（n）以百千米耗油8 L为基准计算，其计算公式为

式中，Q为百千米耗油量。

由图2可知，4种品牌轮胎的滚动阻力随着速度的提高都有增大的趋势。由图2与3对比分析可知，随着车速的提高，B品牌轮胎滚动阻力的增大趋势比A品牌轮胎强，因此当车速超过40 km·h-1后不久B品牌轮胎的滚动阻力将大于A品牌，滚动阻力系数与油耗比的分析结果是一致的。

分析图3，可以得到下述结论。

图3 4种品牌轮胎速度整合后的等速百千米油耗比拟合曲线

（1）C品牌轮胎为普通能耗轮胎，在低速20 km·h-1时，车辆产生较大的能耗，而A和B品牌轮胎为低滚动阻力轮胎，其在低速特性上具有较低的油耗。并随着车速的提高，耗油量逐渐增大。在20～30 km·h-1低速行驶时B品牌轮胎的节油性能更优于A品牌轮胎。

（2）D品牌轮胎的等速油耗比拟合曲线总的趋势是随着车速提高而增大，低速时有先降低后提高的变化，说明在等速油耗试验中，轮胎滚动阻力在30 km·h-1车速时达到最低。橡胶为粘弹性材料，随着轮胎滚动速度的不同，其对路面激励输入的响应也不同，滚动阻力与轮胎及材料的频谱特性有可待深入研究的空间。

（3）轮胎的花纹由横沟细密逐渐变为加深加宽，而其低速的滚动阻力也逐渐增大。

（4）随着速度的提高，不同品牌轮胎的油耗差异逐渐减小，在速度为50 km·h-1以上的油耗差异较小，几乎可以忽略，这是由于随着速度的提高，空气阻力的比例逐渐增大，增大到一定程度，空气阻力占主要因素。

比较图2与3可以发现，在20～50 km·h-1速度范围内，滑行试验与等速油耗试验的结果是一致的，随着速度的提高，滚动阻力对整车油耗的影响逐渐减小，速度在50 km·h-1以上时，轮胎滚动阻力的影响很小。

2 轮胎滚动阻力与整车燃油经济性相关性分析

上述试验充分说明了轮胎滚动阻力对车辆燃油经济性的影响，为从普遍意义上理解两者之间的关系，本研究基于能量流模型，推导轮胎滚动阻力对车辆燃油经济性的影响系数。

滚动阻力的降低意味着需要提供给车轮的力矩减小，相同速度下驱动所需的功率也因此降低。但是车辆发动机及传动系的低效导致总的能量消耗比传递到轮胎上的要大。因此，节省的燃油比仅由滚动阻力减小节省的燃油要多。另外，汽车附件，例如空气压缩器、发电机等，要消耗发动机的部分输出功率。车辆消耗能量流分析（每一项中用行的尺寸来表示在燃油消耗中的相对比例）[16]如图4所示。可以用传动系的效率值来描述指定道路工况的能量耗散[17-18]。发动机总的能量输出（Ee）可以表示为

图4 车辆消耗能量流分析

式中，Et为整个道路工况中传递的总的牵引能量，ε为传动系的效率，Pa为附件的平均功率需求，t为行驶的总时间。

发动机消耗的燃油直接与通过燃油燃烧释放的热能（Ef）成正比。Ef的计算公式如下：

式中，Fc为行驶单位距离的平均燃油消耗量，L为整个道路工况内通过的距离，H0为燃料单位体积的低热值。

发动机的总的机械能输出可以通过下式与燃油能量联系起来[17]：

式中，a为摩擦损失系数，N为整个道路工况内发动机转过的圈数，η为发动机的热效率。

综合式（1）—（3），得到关于一个工况内车辆燃油消耗量及所需的输入牵引能的关系式：

式中，Et为提供给车轮的总的机械能，用来克服指定工况内阻碍车辆运动的所有力。这些力包括空气动力阻力、重力（车辆爬坡时）和惯性力，当然还包括轮胎的滚动阻力。因此，Et可以表示为

式中，Ea，Eg，Ei和El分别为克服空气动力阻力、重力、惯性力和轮胎滚动阻力所需的能量，可以通过对工况内行驶距离上作用的力进行积分计算得到。

依据滚动阻力的基本定义（通过单位距离消耗的能量），得到燃油消耗量相对于滚动阻力的函数关系如下[19]：

式中，Flt为一个工况内车辆上所有轮胎的平均滚动阻力之和。

式（7）可以用来计算一个工况内滚动阻力引起的燃油消耗占总的燃油消耗的比值。这一比值也可以通过测得的燃油消耗率来计算：

式中，Fcl为单位距离上轮胎消耗的燃油，CR为滚动阻力系数，Wv为车辆所受重力。

轮胎滚动阻力变化时，每行驶单位距离消耗的能量的变化（ΔFc）由下式给出：

由于发动机的热效率和传动效率都小于1，该关系式表明，滚动阻力降低会带来节省燃油能量的放大作用。

现在的发动机的热效率大致相当，使用平均值0.408，ε取0.90；对于汽油，H0＝32 kJ·cm-3。根据式（9）可以算出，滚动阻力系数每减小1 kg·t-1，每吨车辆的汽油消耗率降低0.835 cm3·km-1[19]。

文献[20]对市售的五大品牌（米其林、普利司通、大陆、倍耐力和固特异）的常用规格轿车子午线轮胎进行了调研，统计出不同滚动阻力级别的轮胎数量分布。

滚动阻力标签法级别A，B，C，E，F，G的轮胎数量分别为9，176，862，1 466，673，114条。

由此可见，目前常用规格的轿车子午线轮胎滚动阻力级别主要分布在C级、E级和F级。统计数据中，五大品牌轮胎公司均有自己的B级滚动阻力轮胎产品，而A级的9条轮胎均为米其林的产品。

从欧盟标签法滚动阻力分级来看，E级轿车子午线轮胎的滚动阻力系数为9.1～10.5 kg·t-1，A级轮胎的滚动阻力系数不大于6.5 kg·t-1。从文献[21]给出的数据可知，到2020年，中国的汽车保有量将达到2.5亿～2.9亿辆，其中乘用车保有量达到2.2亿～2.6亿辆，商用车保有量达到0.33亿辆。如果所有乘用车轮胎的滚动阻力级别都从E级提高到A级，滚动阻力系数降低35%，按文献[6]提到的当轮胎的滚动阻力降低10%时，轿车能有效节约2%的燃油计算，乘用车可节省燃油7%。假设一辆乘用车使用E级轮胎时的百千米油耗为10 L，如果换成滚动阻力系数为A级的轮胎，则百千米油耗降低0.7 L，到2020年的2.4亿辆乘用车行驶百千米就可节省1.68亿L汽油，降低油耗非常可观。

3 结语

轮胎的滚动阻力性能对汽车的燃油经济性有直接的影响。本研究根据汽车能量流动分析方法，建立轮胎滚动阻力与汽车燃油消耗之间的关系。通过降低轮胎滚动阻力减小油耗量是相当可观的，特别是低速工况。建立轮胎滚动阻力与汽车燃油经济性之间的关系为节能轮胎技术的研究指明了方向。