汽车轮胎滚动阻力与燃油经济性的关系
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与 公 路 汽 运
Highways&AutomotiveApplications
第5期
2009年9月
汽车轮胎滚动阻力与燃油经济性的关系
孙占先,刘 超,孙向馨,李文久
(青岛滨海学院,山东青岛 266555)
摘 要:在石油资源越来越紧张的情况下,消耗量的主要影响因素;,动阻力的形成原因及影响因素;一,。
:;;;节油
8:A 文章编号:1671-2668(2009)05-0020-03
目前,如何有效地节约不可再生的能源已刻不容缓地摆在每一位有识之士面前。对汽车行业的从业者而言,如何开发研制新型节能汽车、最大限度地提高节油率更是责无旁贷且意义重大。
众所周知,各种汽车的燃油经济性是有差异的,影响汽车燃油经济性的重要因素是发动机性能,但还有其他影响因素,包括汽车构造、汽车技术状况、驾驶技术和道路情况等。当汽车以等速ua行驶一定距离s时,汽车的燃油消耗量(mL)
Q=
ρg102ua
(1)
F=
ηT
(
Ff+Fw)
式中:Ff为汽车的滚动阻力(N);Fw为汽车受到的空气阻力(N)。
车轮滚动时,轮胎与路面接触的区域产生变形,相应的支撑路面也发生变形。由于轮胎和支承路面的相对刚度不同,它们的变形特点也不同。图1表示车轮在不同路面上的滚动情况。其中,图1(a)为弹性轮胎在硬路面上的滚动情况。此时轮胎的变形是主要的,硬路面(砼和沥青等人工路面)在承受载荷时几乎没有变形,可以近似地视为刚性,车轮的滚动阻力主要来自轮胎的弹性迟滞损失。图1(b)为弹性轮胎在软路面上的滚动情况。软路面(土路、砂地和积雪路面等)在车轮滚动过程中形成车辙变形,同时轮胎本身也发生一定的很小量的弹性变形,车轮的滚动阻力来自松软路面的变形和轮胎的弹性迟滞损失(车辙形成所消耗的能量远大于轮胎的弹性迟滞损失)
。
可按下式将其折算成等速的百公里燃油消耗量[L/(100km)]:
Q=
=ρgηT1.02ua
(2)
式中:P为阻力功率;b为燃油消耗率;s为汽车等速
行驶的距离;ua为汽车的行驶速度;ρ为燃油的密度;g为重力加速度;C为常数;F为行驶阻力;ηT为汽车传动系机械效率。
由式(2)可知,汽车的燃油经济性主要受汽车行驶时遇到的阻力F和发动机有效油耗率b的影响。因此,只有使这些因素降低,才能减少汽车的油耗量,提高其经济性。本文主要讨论汽车轮胎滚动阻力对汽车燃油经济性的影响,并探讨减少轮胎滚动阻力的措施。
图1 车轮在路面上的滚动情况
1 轮胎的滚动阻力
如前所述,汽车燃油经济性受到行驶阻力F的影响,而汽车行驶阻力F一般可由下式计算(忽略坡度阻力和加速阻力的情况):
下面从轮胎的径向变形过程出发,进一步分析弹性轮胎在硬路面上滚动时滚动阻力的形成。弹性轮胎在硬路面上滚动时,轮胎上每一微小弹性体工作状态的变化可以看成依次地进行径向加载与卸载
总第134期 Highways&AutomotiveApplications 21的过程(如图2所示)。图2(a)为一径向载荷Q的弹性轮胎,如在轮胎上截取一截面2′-2,则当轮胎滚动一周时,此截面完成一次加载、卸载过程。法线1′-4左边截取面逐步地滚向地面,这是加载(压缩)过程,此时变形曲线相当于图2(b)中的OCA曲线。当截取面位于4′-4位置时,具有最大的变形。当截取面位于4′-4右边时变形逐渐减小而处于卸载(恢复)过程,此时的变形曲线相当于图2(b)中的
EDA曲线。与 公 路 汽 运
进行加载(压缩)与卸载(恢复)2出,((相当于面积EDABFE),的能量损失,
称之为轮胎的弹性迟滞损失。
距离随弹性迟滞损失的增大而增大。合力Fz1与载荷法向W1大小相等,方向相反。
若将法向反作用力Fz1平移至通过车轮中心,则从动轮在硬路面上滚动时的受力情况如图3(b)所示,即滚动时有滚动阻力偶矩Tf=Fz1・a阻碍车轮滚动。同时,由图3可知,滚动,1。由平衡p1Fp1=
=Fz1rr
式中:r为车轮半径。
令
=f,则Fp1=fFz1=fW,其中,f为滚动r
阻力系数。
可见,滚动阻力系数是车轮在一定条件下滚动时所需推力与车轮负荷之比,即单位汽车重力所需的推力。换而言之,滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负荷之乘积,即:
图2 弹性车轮在硬路面上滚动时的情况
Ff=Wf,且Ff=
r
这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。当车轮不滚动时,在法线1′-4前后对应的a点和a′点的变形虽然相同,但由于弹性迟滞损失,处于压缩过程中的前部a点所受的法向反力会大于后部处于恢复过程中的a′点的地面法向反力。从图2(b)中可看出,设取同一变形δ,压缩时受力为CF,恢复时受力为DF,CF>DF,这样就使得地面法向反作用力的分布不对称,因而其合力Fz1相对于法线1′-4前移一段距离[如图3(a)所示],
这个
这样,在分析汽车行驶阻力时,不必考虑汽车滚
动时所受的滚动阻力偶矩,只要知道滚动阻力系数求出滚动阻力就可以了。
2 如何通过减少轮胎的滚动阻力来达到节
油的目的
由前所述,轮胎在滚动过程中必然存在滚动阻力,滚动阻力又直接影响着汽车的燃油经济性。因此,降低轮胎的滚动阻力成为减小汽车燃油消耗的一项重要措施。而滚动阻力与滚动阻力系数密切相关,滚动阻力系数又与路面种类、行驶速度、轮胎构造与所用材料和轮胎气压等因素有关。因此,可从这些方面寻求减少燃油消耗的途径。2.1 路面对轮胎滚动阻力的影响
表1给出了汽车在某些路面上以中、低速行驶时,滚动阻力系数的大致数值。由表1中可以看出,汽车在良好的沥青或砼路面上行驶时,滚动阻力系数较小,即滚动阻力较小,且附着力较大;而在雨后的压紧土路或压紧的雪道及湿砂路面上行驶时,滚动阻力系数相对较大,滚动阻力也相对较大,且附着力较小。
Tf为滚动阻力矩;Fp1为车轮中心增加的一推力;Fz1为车轮的法向
反作用力;a为车轮压缩过程中前部距车轮中心的距离;W为车轮法向载荷
图3 从动轮在硬路面上滚动时的受力情况
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表1 各类路面滚动阻力系数f的值路面类型良好的沥青或砼路面一般沥青或砼路面
碎石路面良好的卵石路面坑洼的卵石路面干燥的压紧土路雨后的压紧土路
泥泞土路结冰路面压紧的雪道
滚动阻力系数
0.010～0.0180.018～0.0200.020～0.0250.025～0.0300.035～0.0500.025～0.0350.～1500.0.3000.060～0.1500.015～0.0300.030～0.050
值迅速增加,因为气压降低时,滚动的轮胎变形大,
迟滞损失增加。
2.4 轮胎设计生产商为减少轮胎滚动阻力所采取
的措施
世界上领先的轮胎制造商米其林公司致力于轮胎花纹、,开发了,7,,如70和80系列轮胎用于、385/55s和60s轮胎用于挂车等。
米其林EnergyXM1轮胎采用独特的含硅配方的GreenX创新技术,运用新的轮胎整体设计(即全新的轮胎配方、非对称花纹设计、新的胎体结构),使轮胎在降低滚动阻力的同时具有良好的附着性能。
2.2 行驶速度与减少轮胎滚动阻力的关系
3 结 语
对于汽车燃料消耗,轮胎的滚动阻力是重要影响因素之一。一般来说,硬路面上轮胎滚动阻力将消耗汽车发动机输出功率的30%～40%,而轮胎滚动阻力每降低5%,大约可降低油耗1%。本文就影响汽车轮胎滚动阻力的有关因素进行了分析,目的是希望针对这些影响因素采取措施降低汽车油耗,节约燃油。
现在的汽车轮胎设计和生产商正在不断地对轮胎的结构采取创新技术,力争在不断减少其滚动阻力的同时,使其具有良好的附着性能。参考文献:
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汽车行驶速度对滚动阻力系数的影响较大。如
图4所示,轿车轮胎(以普通斜交胎、扁平断面胎和子午线轮胎为例)在车速100km/h以下时,滚动阻力逐步增加但变化不大;在某一车速(140km/h)以上时滚动阻力增长较快;当车速达到某一临界值(200km/h左右)时,滚动阻力迅速增长,此时轮胎产生“驻波”现象,轮胎周缘不再是圆形,而呈明显的波浪状。出现“驻波”后,不但滚动阻力迅速增加,轮胎的温度也很快增加到100℃以上,胎面与轮胎帘布层脱落,几分钟就会出现爆破现象,这对高速行驶的车辆是很危险的
。
黑龙江工程学院学报,2005(2).
图4 不同汽车轮胎行驶速度对滚动阻力的影响
[5] 陈海涛.汽车结构因素对燃油经济性的影响[J].公路
与汽运,2006(2).
2.3 轮胎的结构、帘线与减少轮胎滚动阻力的关系
[6] 陈强明.轮胎滚动阻力与汽车燃油经济性的关系[J].
轮胎的结构、气压、负荷和橡胶材料的滞后损失等都会影响轮胎的滚动阻力,到目前为止,我国轮胎生产企业在降低轮胎滚动阻力方面所采取的措施主要是降低橡胶特别是胎面胶的损耗因子。同时,轮胎的充气气压对f值影响也很大。气压降低时f
兰州交通大学学报,2006,25(1).
[7] 刘 锋,李丽娟,杨学贵.轮胎与地面接触问题的非线
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