偏转角度对轿车子午线轮胎滚动阻力系数的影响

偏转角度对轿车子午线轮胎滚动阻力系数的影响
作者：马弋洋魏晓辰陈泰吉景立新
来源：《时代汽车》2022年第24期
摘要：针对不同规格的轿车子午线轮胎，采用控制变量分析方法，研究偏转角度（slip angle，camber angle）对轮胎滚动阻力系数值的影响。

结果表明，通过合理规律的增加或递减角度度数及改变转动方向都可以改变轮胎的滚动阻力系数值，使其呈现一定的规律和趋势。

关键词：偏转角度轿车子午线轮胎滚动阻力系数值转动方向
Effect of Deflection Angle on Rolling Resistance Coefficient of Radial Tires in Cars
Ma Yiyang Wei Xiaochen Chen Taiji Jing Lixin
Abstract：For different specifications of car radial tires， the control variable analysis method is used to study the influence of the deflection angle （slip angle， camber angle） on the rolling resistance coefficient value of tires. The results show that by increasing or decreasing the angle degree of reasonable law and changing the direction of rotation， the rolling resistance coefficient value of the tire can be changed， so that it shows a certain law and trend.
Key words：deflection angle car radial tire rolling resistance coefficient value rotation direction
隨着全球化趋势的不断发展以及人们环保意识的不断提高，节能减排和绿色环保已成为设计制造轮胎的重要目标。

有关试验表明，汽车在行驶过程中，汽车总阻力的20%为轮胎滚动阻力，每减少10%的轮胎滚动阻力，汽车可降低2%～3%燃油消耗，因此，降低轮胎滚动阻力是减少汽车燃油消耗和减少环境污染的最直接方法。

[1-2]对此，我国“十三五”行业发展规划纲要提出了发展绿色轮胎的要求。

[3]同时，根据全球标签制度法的现状，以及研究各国对轮胎滚动阻力的指标和分级制度，[4]国内已有相当一部分轮胎企业开始推进低滚阻绿色轮胎的研究和发展。

其在配方、材料选用、结构设计等方面坚持绿色制造，以低滚阻绿色轮胎为目标，在制造道路上不断前行。

轮胎滚动阻力是指当充气轮胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上滚动时，其外缘中心对称面与车轮滚动方向一致，所受到的与滚动方向相反的阻力即为轮胎滚动阻力。

根据作用机理的不同，轮胎滚动阻力还可进一步分解为弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇效应阻力。

其中，对于弹性迟滞阻力来说，胎体变形所引起的轮胎材料迟滞作用是造成轮胎滚动阻力的主要原因。

因为汽车在行驶过程中，轮胎滚动变形所受应力和应变存在相位差，轮胎在旋转过程中产生了滞后损失，该滞后损失是滚动阻力的主要组成部分，约占滚动阻力的80%以上。

[5]
由于轮胎是一个复杂的组合体，所以影响轮胎滚动阻力的因素有很多，包括路面种类，车速，轮胎温度以及轮胎的构造等等。

目前大多数研究都是从常规影响因素来探究和分析轮胎的滚动阻力系数值。

对于轮胎在行驶中的偏转角度的影响，这一区域的探究还是比较少的。

所以本工作着重于通过对轿车子午线轮胎在转动前进中的偏转角度变化来进行研究，从而分析出偏转角度对滚动阻力系数值的影响。

1 轮胎偏转角度
1.1 Camber angle：外倾角是指在汽车的横向平面内轮胎的几何中心线与地面铅垂线的夹角。

当轮胎中心线与铅垂线重合时为零外倾角;当轮胎中心线在铅垂线外侧时的夹角为正外倾角;当轮胎中心线在铅垂线内侧时的夹角为负外倾角。

[6]
同时，轮胎外倾角影响着汽车的转向性能：一方面可以使车轮紧贴垂直地面滚动滑动，从而减少转向阻力，提高转向的轻便性。

另一方面，轴承及其锁紧螺母的载荷减小，使用寿命增加，转向安全系数提高。

为了避免车轮满载后垂直于地面的变形，可能导致车轮上部向内倾斜，影响轮胎接头的损坏，大部分基础车辆都会以1度左右的外八字角进行标定。

另外，不准确的外倾角也会对车辆造成影响，比如过大的正外倾角会导致轮胎外侧单边磨损，悬架部件的加速磨损和车辆会向正外倾角较大的一侧行驶等问题。

而负外倾角过大则会导致轮胎内侧单边磨损，悬架部件的加速磨损，车辆将向负外倾角较小的一侧行驶等问题。

1.2 slip angle：轮胎侧偏角，弹性车轮在侧向力的作用下，由于车轮的侧向弹性变形，其实际运动的方向不再是车轮平面所指的方向，而与其差一角度，这一现象称为轮胎侧偏，所偏
角度称为车轮轮胎侧偏角，即：车轮中心平面方向与轮胎接地中心行进方向间的夹角，=wheel slip angle，简称slip angle。

[7]
侧偏最常见于汽车转弯。

汽车转弯时，前后轮都会产生侧偏角。

如果前后轮侧偏角相等，则汽车实际转弯半径等于方向盘转角对应的转弯半径，称为“中性转向”；如果前轮侧偏比后轮大，汽车实际转弯半径大于方向盘转角对应的转弯半径，称为“不足转向”；如果后轮侧偏比前轮大，汽车实际转弯半径小于方向盘转角对应的转弯半径，称为“过度转向”。

2 试验方法
从全球的研究状况来看，对轮胎性能的测试方法基本上大同小异，只是在某些细节方面可能存在着些许不同，并且测试用的滚动阻力试验机在结构及测试原理上是大致相同的。

所以本研究工作的试验方法以ISO 28580：2018《乘用车、卡车和公共汽车轮胎--滚动阻力测量方法--单点试验和测量结果的相关性》为基础标准并在此标准上设置一些额外条件。

此标准提供了四种测试方法，分别是测力法、扭矩法、功率法和减速度法。

根据实际工作环境及要求，本次研究工作选择扭矩法来进行。

滚动阻力Fr（N）计算公式：
Fr=Tt/R-Fpl （1）
其中Tt为输入扭矩（N·m）；R为转鼓半径（m）；Fpl为附加损失值（N）；滚动阻力系数（Cr），其公式为Cr=Fr/Lm，其中Fr为滚动阻力（N）；Lm为试验载荷（kN）。

试验准备及试验条件：
试验准备：按照要求，需将所有测试轮胎安装至符合标准[8]规定的测量轮辋上；
试验条件：根据表1的规定来设置测试环境及测试条件：
3 试验轮胎的选择
为了探究不同尺寸规格的轮胎在滚阻偏转角度试验中滚阻系数值的表现趋势，分别选取了三条较为常见的，不同尺寸规格的轮胎作为试验轮胎。

具体参数如表2所示。

通过上表可以看出，结合相关标准，试验轮胎的初始条件基本保持一致，由此保证试验中的单一变量为角度的变化。

轮胎尺寸的不同是为了收集更广泛的试验数据，避免造成试验误差。

通过试验中偏转角度的变化，来观察轮胎的滚阻系数值的变化趋势。

4 不同角度下轮胎的滚阻系数值
4.1 三种试验轮胎在0°时的滚阻系数值
在常规的滚阻试验中，一般认为0°为常规角度。

所以我们测试了三种试验轮胎在0°时的滚阻系数值作为标准参考值。

具体数值如表3所示。

4.2 外倾角（camber angle）对滚阻系数的影响与分析
由于在实际的路况运行中，轮胎受到各种因素影响，所以轮胎在行进过程中会产生的外倾角范围大约为（-2～+2）°。

由此我们从中选取了6个具有代表性的度数进行了测试，并对测试结果进行记录。

具体数据如表4至表6所示。

从图4可以看出，在其他条件参数不变的情况下，外倾角（camber angle）的度数变化与轮胎的滚阻系数值的变化十分紧密。

角度值不断增大，轮胎的滚阻系数值也随之增大。

角度值不断减小，轮胎的滚阻系数值也不断减小。

但是整体滚阻系数值的变化幅度却不大，处于平缓增长或减小的趋势。

4.3 侧偏角（slip angle）对滚阻系数的影响与分析
此试验过程中，为了与外倾角的试验条件保持一致，所以我们仍然选取6个相同度数进行测试，并对测试结果进行记录。

具体数据如表7至表9所示。

从图5可以看出，在其他条件参数不变的情况下，侧偏角（slip angle）的度数变化对轮胎的滚阻系数值的影响比较明显。

滚阻系数值会随着侧偏角角度值的增大而增大，减小而减小。

并且整体滚阻系数值的变化幅度较大，变化最大处为0°时滚阻系数值的2.1倍左右。

5 结论
本工作研究了偏转角度对轿车子午线轮胎滚动阻力系数值的影响，结果如下：
（1）在一定角度范围内，控制其他参量不变的情况下，随着camber angle和slip angle增大或减小，轮胎的滚动阻力系数值都会相应的增大或减小。

（2）camber angle和slip angle变化幅度不同，camber angle整體变化幅度不大，而slip angle整体变化幅度较为明显。

（3）在保证轮胎安全且正常运行的情况下，合理有效的减小轮胎偏转角度，是降低轮胎滚动阻力系数值的有效途径。

参考文献：
[1]顾高照，侯波，丁全勇，等．低滚动阻力轿车轮胎胎面胶配方的研究[J]．轮胎工业，2013，33（8）：468-471．
[2]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，2013，33（10）：628-633．
[3]孙砚田.轮胎滚动阻力分析及其性能优化方法研究[D].南京：江苏大学，2016.
[4]苏博.全球轮胎标签制度现状[J].橡胶科技，2017，15（4）：5-10.
[5]彭国良，盛梦龙，刘晓民，等．车辆行驶因素对轮胎滚动阻力的影响[J].广东化工，2016，43（18）：118．
[6]崔海梁，刘志玮，罗晓光.汽车四轮定位对汽车使用性能的影响[J].《交通标准化》，2006（149）：75.
[7]张蔚林.新英汉汽车技术词典[M].人民交通出版社，2006：1－1803.
[8]ISO 4000-1：2021 Passenger car tyres and rims — Part 1：Tyres （metric series）．。