滚动阻力与胎设计教学课件

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21. 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,从而减少燃油消耗、降低温室气体

2、的排放、改善空气质量。31.1 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欧盟标准乘用车 C1 轮胎轻型卡车 C2 轮胎载重卡车及客车 C3 轮胎滚动阻力系数kg/t能源效率等级滚动阻力系数kg/t能源效率等级滚动阻力系数kg/t能源效率等级RRC 6,5ARRC 5.5ARRC 4.0A6.6 RRC 7.7B5.6 RRC 6.7B4.1 RRC 5.0B7.8 RRC 9.0C6.8 RRC 8.0C5.1 RRC 6.0CEmptyDEmptyD6.1 RRC 7.0D9.1 RRC 10.5E8.1 RRC 9.2E7

3、.1 RRC 8.0E10.6 RRC 12.0F9.3 RRC 8.1FRRC 12.1GRRC 10.6GEmptyG52016自2012年11月起执行的强制性限制乘用胎(C1)轻型卡车轮胎(C2)载重卡车及客车轮胎(C3)11月执行第一阶段滚动阻力要求12,0 kg/t10,5 kg/t8,0 kg/tC1+C2(2014年11月执行);C3(2016年11月执行)湿地抓着力指数1,1/2014年11月执行滚动噪声70 74 dB(A)72-73 dB(A)73-75 dB(A)2016年11月执行第二阶段:从2016年11月起执行的强制性限制第二阶段滚动阻力要求10,5 kg/t9,0

4、 kg/t6,5 kg/tC1+C2(2018年11月执行);C3(2020年11月执行)6SmartWay滚阻目标值导向轮 驱动轮 拖车轮 美国Smartway71.2 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

5、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。89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121.4 存在主要问题缺乏测试手段：滚动阻力试验机、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

6、验能达到A，B级，但是不敢标。132. 何为滚动阻力？运动方向与运动方向相反的力风惯性内摩擦滚动阻力滚动阻力定义为一个轮胎运动单位距离消耗的能量斜坡阻力142.1 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，该概念被证实不合要求。滚动阻

7、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。152.2 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1819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221.TREAD

8、2.BODY PLY(CARCASS) 3.BELT 4.SIDEWALL5.BEAD(APEX) 6.INNERLINER 7.CAPPLY 1234567Tread49%Sidewall14%Carcass11%Bead part11%Belt8%others7%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243. 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253.1.1 溶聚丁苯橡胶26不同用途轮胎采用不同SBR胶种F1204 SSBR2305SSBR2205SSBR2535SSBR4235SBR1500

9、SBR1502SBR1712ESBR1721SSBR4235ESBR1721SSBR4235用途低滚动阻力轮胎高性能轮胎普通轮胎高防滑性轮胎赛车轮胎苯乙烯含量%15-2525-3523.535-4040乙烯基含量%60-2060-2017-2635-2035-200C tan0.260.440.200.460.5560C tan0.110.140.150.160.1827SSBR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

10、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。 283.1.2 钕系顺丁橡胶与其它胶种一样钕系顺丁橡胶(NdBR)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

11、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 胶种Nd-BR Ni-BR生胶门尼粘度ML（1+4）1004445混炼胶门尼粘度ML（1+4）1008070硬度 邵A6565300%定伸应力 Mpa11.711.8Goodrich生热3339回弹性%4945DIN磨耗/mm24753孟山都疲劳/KC 寿命100%张力309158 寿命125%张力935030NdBR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分子链上，

12、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。313.1.2 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，但分子链中的双键结构

13、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。32CARBONSILICACONTENTS100105Wet Traction100110Rolling Resistance10097WearProperties0 tanHydrophilic -OH GroupHysterisys滞后损失DispersionPolymerHighLowLowS-SBRLowHighHighE-SBR-60-50-40-30-20-10010203

14、0405060708090Silica CompdCB CompdWet TractionRegionR.R.RegionTan Delta 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

15、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,有助于降低胎面胶的滚动阻力。3.1.4 低滞后炭黑363.2 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。

16、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6

17、0系列44行驶路线滚动阻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45RR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48175/65R14 滚动阻力与速度关系速度影响49充气压力的影响较高的充气压力可降低滚动阻力轿

18、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 8767测得的滚动阻力514. 测量滚动阻力ISO 方法ISO 8767, 9948, 13327SAE 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；