轮胎滚动阻力与花纹特性的相关性研究

胡德斌，王剑波，李 磊

（中策橡胶集团股份有限公司，浙江 杭州 310018）

为改善环境，世界各国都在削减二氧化碳排放，强化环保类的法律法规，欧盟ECE法规最早提出法案规定了轮胎滚动阻力限值[1-3]。随着汽车工业的高速发展，国内对轮胎滚动阻力的要求也随之提高，多家汽车生产商已经加大绿色车型的开发力度[4-8]。2008年特斯拉公司作为专业的电动汽车生产商进入汽车市场，2011年比亚迪股份有限公司和日产自动车株式会社也均进军电动汽车市场。目前，许多知名车企都有电动汽车在市场销售。

轮胎滚动阻力会导致能量的消耗，与滚动轮胎相关的机械能损失都转化为热量[9]，这是轮胎材料机械滞后的结果。轮胎滚动阻力计算公式如下：

式中，R为轮胎滚动阻力，Ui为单位体积的应变能量，Vi为体积，tanδi为应力应变滞后相位，i为自然数。

由式（1）可知，滚动阻力来源于轮胎应变能量与对应体积和材料应力应变滞后相位的乘积。轿车子午线轮胎的能量损失分布（典型值）如下：胎冠 70%，胎侧 15%，胎圈 15%。因胎冠部位对滚动阻力的贡献最大，本工作重点讨论胎冠部位的应变。

轮胎胎面在接地区域有胎面弯曲、压缩和剪切3种主要变形，如图1所示。

图1 轮胎胎面接地区域的胎冠变形

进入接地区域时，胎冠先弯曲，导致曲率半径小于未变形的轮胎；在接地区域，胎冠变平，曲率半径变为无穷大，此时花纹块受到压缩和剪切作用；在接地区域末端，存在一个低曲率半径的区域，本质上与进入接地区域相同。最后，在接地区域外，胎冠恢复到原来的状态。

以无侧偏自由滚动轮胎为例，单个花纹块在接地过程中的变形如图2所示，图中红色方框内为变形中的单个花纹块。

图2 无侧偏自由滚动轮胎胎面单个花纹块通过接触区域示意

花纹饱和度即轮胎在接地范围内的花纹块实际面积与接地面积之比，也可以使用空隙率的表征方法，即空隙率＝100%－花纹饱和度。胎面花纹饱和度和单个花纹块的大小对胎面应力和应变有重要影响，进而影响轮胎滚动阻力，如图3所示。图中，h为高度，α为剪切变形角度，d为剪切变形位移。

图3 单个花纹块的受力变形

本工作通过花纹设计并雕刻光面轮胎，研究花纹特性（饱和度及形态）对轮胎滚动阻力的影响，并得到其相关性，可对低滚动阻力轮胎的花纹设计提供参考。

1 实验

1.1 试验轮胎

选用205/55R16 91V光面轮胎，轮胎结构和材料均一致。

1.2 试验设备

MTS滚动阻力测试机，美特斯工业系统（中国）有限公司产品。

1.3 试验方法和试验条件

采用ISO 28580—2018稳态测试方法—单点法[10]进行试验。

试验条件如下：充气压力 210 kPa，速度80 km·h-1，负荷 4.822 kN，轮辋 6.5J×16。

1.4 试验设计和试样制备

1.4.1 试验设计

胎面花纹设计方案如表1所示。其中，A，B，C方案花纹分别为纵向、横向和混合花纹（见图4），纵向、横向和混合花纹沟深度均为6 mm。所示。

图4 胎面花纹示意

表1 胎面花纹设计方案

1.4.2 试样制备

为确保试验精度，光面轮胎均为同批次制备的产品。

由专业人员按照胎面花纹设计方案雕刻轮胎，全部轮胎雕刻均由同一操作人员在同一设备上完成。雕刻花纹后的轮胎（刻花轮胎）如图5—7

图5 纵向花纹刻花轮胎示意

图6 横向花纹刻花轮胎示意

图7 混合花纹刻花轮胎示意

2 结果与讨论

滚动阻力测试结果如表2所示。其中，滚动阻力系数为轮胎滚动阻力与其试验负荷的比值。

表2 滚动阻力测试结果

2.1 花纹饱和度对滚动阻力的影响

2.1.1 纵向花纹饱和度对滚动阻力的影响

纵向花纹饱和度对滚动阻力的影响见图8。

从图8可以看出，A1—A4方案轮胎花纹的饱和度依次降低，其对应的滚动阻力系数基本保持不变。原因主要为纵向花纹在周向的剪切变形受到限制（见图9）。纵向花纹胎冠处滚动阻力的来源为花纹块的压缩应变及其体积变化，当轮胎花纹饱和度降低后，其带来的压缩应变增大与体积减小对轮胎滚动阻力的影响相互抵消，滚动阻力基本保持不变。

图8 纵向花纹饱和度对滚动阻力的影响

图9 花纹块剪切应变示意

光面轮胎的滚动阻力系数为0.91%，A1—A4方案轮胎滚动阻力系数约为0.88%。随着A1—A4方案轮胎花纹饱和度降低，橡胶体积减小（滚动阻力趋势减小），压缩应变增大（滚动阻力趋势增大）。相比光面轮胎，刻花轮胎橡胶体积对滚动阻力的贡献比压缩应变更大。

2.1.2 横向花纹饱和度对滚动阻力的影响

横向花纹饱和度对滚动阻力的影响见图10。

图10 横向花纹饱和度对滚动阻力的影响

从图10可以看出，B1—B4方案轮胎横向花纹饱和度依次降低，对应滚动阻力系数持续增大。横向花纹胎冠处滚动阻力的来源为花纹块的压缩、剪切应变和体积变化。与纵向花纹对比，横向花纹有更大的纵向剪切应变。B1—B4方案轮胎花纹饱和度降低带来的压缩、剪切应变增大对滚动阻力的影响（增大）超过其体积减小对滚动阻力的影响（减小），因此滚动阻力持续增大。B4方案轮胎的滚动阻力系数（0.92%）甚至超过了光面轮胎的滚动阻力系数（0.91%）。

2.1.3 混合花纹饱和度对滚动阻力的影响

混合花纹饱和度对滚动阻力的影响见图11。

图11 混合花纹饱和度对滚动阻力的影响

从图11可以看出，C1—C4方案轮胎混合花纹的饱和度依次降低，对应滚动阻力系数先减小后增大。混合花纹胎冠处滚动阻力的来源为花纹块的压缩、剪切应变和体积变化。C1—C2方案轮胎花纹饱和度减小带来的体积减小对滚动阻力的影响（减小）超过压缩、剪切应变增大对滚动阻力的影响（增大），滚动阻力降低；C2—C4方案轮胎的情况正好相反，剪切应变的影响超过体积变化的影响，滚动阻力持续增大。

2.2 花纹形态对滚动阻力的影响

花纹形态对滚动阻力的影响见图12。

图12 花纹形态对滚动阻力的影响

从图12可以看出：花纹饱和度相同时，横向花纹轮胎滚动阻力更高，这与横向花纹的纵向剪切应变相对较大有关；纵向花纹轮胎滚动阻力相对较低，这与纵向剪切应变受到限制有关；混合花纹轮胎滚动阻力介于横向花纹与纵向花纹轮胎之间。

3 结论

（1）花纹饱和度与不同花纹形态交互作用后，其滚动阻力呈现不同的结果，随着花纹饱和度降低，纵向花纹轮胎滚动阻力基本保持不变，横向花纹轮胎滚动阻力持续增大，混合花纹轮胎滚动阻力先减小后增大。

（2）低滚动阻力轮胎的花纹饱和度宜在70%左右。

（3）轮胎滚动阻力与花纹形态有一定的相关性：纵向花纹对滚动阻力的贡献相对较小；横向花纹对滚动阻力的贡献较大；混合花纹对滚动阻力的贡献介于横向花纹与纵向花纹之间。