低滚动阻力的轻质轮胎

发布时间:2010-07-13
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据米其林公司估算,假如世界上所有的轿车和载货车都配备了低滚动阻力的轻质轮胎的话,每年可能会节约200亿升燃油,减少CO2排放5 000万吨,而汽车轮胎在设计和原材料等方面的矛盾则阻碍了这一项目的研发。

如果汽车生产厂家把经济的燃油消耗数据提上日程,或者把这一问题摆在非常重要的地位,则滚动阻力较小的轻质轮胎有望早日问世,这一工作正在紧锣密鼓地进行之中。目前,各种各样的轿车都配备了所谓的轻质轮胎,有些车型甚至已经开始在大批量生产中配备了这种轮胎,尤其是那些不久前才推向市场的低油耗车型,如大众公司的BlueMontion平台的轿车,都配备了这样的轻质轮胎。

一辆四轮轿车四个车轮每天所消耗的燃料约为总燃油消耗的25%左右,这是一个令人震惊的数字,另一方面也表明在轮胎上节约燃料大有潜力可挖,而汽车轮胎方面的专家们正在努力充分挖掘出轮胎的利用率。固特异公司进行的试验得出了这样的结论:轮胎滚动阻力消耗的燃料占整车油耗的1/7,但是,豪华轿车和五星级的轿车,其轮胎滚动阻力的差异高达42%(最好数值与最差数值之比)。

充气轮胎与地面接触面积的大小取决于轮胎的设计、轮胎内的气压和车辆的行驶速度,这些因素的影响视轮胎不同而不同,大约为10%~15%。轮胎侧壁,尤其是轮胎的花纹在轮胎与地面接触的区域内都会发生变形,而这些变形是产生滚动摩擦阻力的最根本因素。在轮胎滚动过程中,这些变形产生的能量没有得到有效利用,相反在不利的条件下甚至还转换成为有害的热量,导致轮胎加速老化和损毁。

最理想的汽车轮胎是能最大程度减少滚动阻力,轮胎的不同部位对减小轮胎滚动阻力的影响程度不同(见图1),尤其是通过轮胎形状结构、外层轮胎的花纹结构和橡胶混合配比的改进可以很好地降低轮胎的滚动阻力,而生产这种轮胎最重要的原材料是硅橡胶材料。原材料在这里发挥的作用非常大,因为变形越小,带来的能量损失也就越少;另一方面,由于目标冲突,轮胎原材料的优化受到了限制,比如封闭式的轮胎花纹轮廓设计直接影响了轮胎浮水性能的提高,而降低轮胎花纹的高度尺寸又是新型轮胎行驶里程所不能允许的(见图2)。


 
图1  轮胎各部位产生滚动阻力的比例

 
图2  轮胎设计中的矛盾:通过改变轮胎橡胶的配比对改善轮胎阻力有限大帮助,但这一措施受到了轮胎湿滑性能的极大制约


 

另一个可以优化的轮胎结构是在车辆行驶过程中不出现变动的轮胎肩部,而通过改进轮胎胎面橡胶材料的配比对于降低滚动阻力应该是最佳的解决方案。这一方案对于改善轮胎在湿滑路面上的行驶性能有着相当重要的作用,比如可有效缩短制动距离,大大提高车辆的行驶安全性。大陆轮胎公司的研发工程师Holger Lange博士认为,这并没有解决轮胎目标冲突的问题,相反,只是在一个允许的范围内避免了矛盾的冲突。

大多数的低滚动阻力轮胎都在常规尺寸的范围中,比如Polo BlueMotion轿车使用的165/70 R 14 T的规格(见图3),Golf轿车中使用的195/65 R15,帕萨特和奥迪A3e轿车使用的205/55 R16 H等规格。由于在高速范围内(V/W/Y)对轮胎的性能和高速适应性都提出了很高的要求,因此很难做到品种规格的多样化。

 


图3  大众Polo BlueMotion轿车使用的窄型轻质轮胎:对降低油耗具有明显效果

如果要进一步降低轮胎的滚动阻力,就必须将轮胎设计得更窄一些。理论上,具有节油潜力、理想轻质轮胎的规格尺寸应为175/25 R20,但是由于这种轮胎的承载能力和生产加工特性,它也许永远不会问世。

即使是一点小小的进步,同样也能带来积极的结果。固特异公司的试验就可以证明,在保持轮胎的宽度尺寸不变的情况下,仅仅将车轮直径从15″提高到16″,就可使滚动阻力减少6%。目前,据普利司通、大陆轮胎和米其林公司的报道,轻质轮胎可比标准轮胎的滚动阻力低6%~20%。Holger先生还计划明年实现再次降低10%的目标。

一方面,几乎所有的OEM汽车生产厂家都在使用低滚动阻力的轮胎,至少是当前的所谓节油轮胎;另一方面,轮胎的研发设计者们都把对轮胎提出的各种不同的要求列入自己的设计任务书中。例如,原戴姆勒-克莱斯勒公司就把这样的要求写进了自己的轮胎设计任务书中,“在我们的轮胎研发工作中,没有仅仅把降低轮胎滚动阻力作为设计目标,但是,我们所有的车型基本上都采用了滚动阻力得以优化改进的轮胎。我们关注的是大批量生产时的变型品种”。

在宝马公司则恰恰相反,销售明细中明确写明了供客户选择的各种轮胎、规格和生产厂家及注意事项,并且注明了该车型可以选择使用哪些低滚动阻力的轮胎,包括扁平的跑车轮胎、轮胎手册,其中一些轮胎的滚动阻力数据并不是很好,例如在BMW 3系轿车中,就可配用由普利司通公司生产的Turanza ER 300 I型205/55 R16 91 H/V/W规格的轮胎,由邓禄普公司生产的SP Sport 01A型225/45 R 17 1 V/W规格的轮胎,以及由米其林公司和固特异公司生产的低滚动阻力轮胎。

但是,在豪华的BMW 7系列轿车和劳斯莱斯轿车中使用的轮胎没有列入他们的明细之中。冬季轮胎也一样,目前,没有任何一家汽车生产厂在他们的冬季轮胎产品中推荐使用轻质轮胎。这是一个众所周知的市场空白,这一市场空白有望在不久的将来被填补。轮胎的滚动阻力有不同的等级分类,这些以轮胎侧壁为特征的轮胎滚动阻力等级分类是最终用户选购轮胎时的辅助工具。

值得庆幸的是,有些轮胎专家已经明确指出这些特征中的不足。他们认为,在涉及滚动阻力的评判特征时,仅从众多方面中的一个方面作为轮胎滚动阻力的评判标志,它可能诱导人们从这个方面、或者从那个方面观察评判轮胎,例如从价格低廉方面评判轮胎,但是忽略了充分利用滚动阻力带来的节油潜力,或者不考虑行驶的安全性。为了防止这种一叶障目的问题,高档轿车的轮胎生产厂家首先要明确表示其产品在湿滑路面上的制动性能。

目前,米其林公司的第四代“绿色”轮胎已经投放市场。标致308型轿车已经在大批量生产中使用了这种牌号为“节能”(Energy Saver)的轮胎(见图4 )。这种轮胎的重量明显减轻,据米其林公司介绍,在相同的行驶条件下这种轻质轮胎具有更好的湿滑路面附着性能,其滚动阻力比上一代要低5%~8%,比第一代轻质轮胎要低30%。米其林公司在2007年法兰克福国际汽车博览会期间展示了他们的第四代轻质轮胎,主要的规格尺寸为:155/65 R14 T(190km/h)~215/55 R16 V(240km/h)。


 
图4  米其林公司研发生产的新型轻质轮胎:“节能”(Energy Saver)轮胎

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