滾動(dòng)阻力與胎設(shè)計(jì)教學(xué)課件

1、滾動(dòng)阻力與輪胎設(shè)計(jì)李勇 1主要內(nèi)容背景何為滾動(dòng)阻力滾動(dòng)阻力的影響因素測(cè)量滾動(dòng)阻力滾動(dòng)阻力的換算21. 背景歐盟標(biāo)簽法：2012年11月實(shí)行輪胎滾動(dòng)阻力分級(jí)，性能最佳的為A級(jí)，最差的為G級(jí)，達(dá)不到最低限定值(即F級(jí)以下)的輪胎不得在歐盟境內(nèi)銷售。歐V排放標(biāo)準(zhǔn): 2009年9月歐洲汽車執(zhí)行了歐V排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)能耗和環(huán)保提出了更高的要求。美國(guó)新能源政策：2016年前汽車每加侖汽油行駛里程必須平均達(dá)到57km。美國(guó)Smartway認(rèn)證：自2004年，美國(guó)環(huán)保署的汽車環(huán)境評(píng)價(jià)體系，與運(yùn)輸物流領(lǐng)域企業(yè)共同合作的項(xiàng)目,旨在鼓勵(lì)消費(fèi)者購(gòu)買通過認(rèn)證后的汽車和包括輪胎在內(nèi)的其他汽車配件,從而減少燃油消耗、降低溫室氣體

2、的排放、改善空氣質(zhì)量。31.1 Tire labeling 正變?yōu)槿蜈厔?shì)預(yù)計(jì)中國(guó)墨西哥和巴西將在未來23年里推出相應(yīng)制度，并與國(guó)際接軌。4歐盟標(biāo)準(zhǔn)乘用車 C1 輪胎輕型卡車 C2 輪胎載重卡車及客車 C3 輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)kg/t能源效率等級(jí)滾動(dòng)阻力系數(shù)kg/t能源效率等級(jí)滾動(dòng)阻力系數(shù)kg/t能源效率等級(jí)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月起執(zhí)行的強(qiáng)制性限制乘用胎(C1)輕型卡車輪胎(C2)載重卡車及客車輪胎(C3)11月執(zhí)行第一階段滾動(dòng)阻力要求12,0 kg/t10,5 kg/t8,0 kg/tC1+C2(2014年11月執(zhí)行);C3(2016年11月執(zhí)行)濕地抓著力指數(shù)1,1/2014年11月執(zhí)行滾動(dòng)噪聲70 74 dB(A)72-73 dB(A)73-75 dB(A)2016年11月執(zhí)行第二階段:從2016年11月起執(zhí)行的強(qiáng)制性限制第二階段滾動(dòng)阻力要求10,5 kg/t9,0

4、 kg/t6,5 kg/tC1+C2(2018年11月執(zhí)行);C3(2020年11月執(zhí)行)6SmartWay滾阻目標(biāo)值導(dǎo)向輪 驅(qū)動(dòng)輪 拖車輪 美國(guó)Smartway71.2 滾動(dòng)阻力現(xiàn)狀目前歐盟本土生產(chǎn)的轎車胎滾動(dòng)阻力平均在E級(jí)；卡車胎及公共汽車輪胎的滾動(dòng)阻力一般在C-E級(jí)。據(jù)全國(guó)輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)對(duì)大型輪胎企業(yè)的抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)轎車胎滾動(dòng)阻力多為E、F級(jí)，大部分可達(dá)到歐盟第一階段的最低要求，但有相當(dāng)比例的沒能達(dá)到歐盟第二階段的最低要求。上海輪胎研究所對(duì)全國(guó)載重胎的調(diào)查分析結(jié)果顯示，約30%的載重胎達(dá)不到歐盟第一階段滾動(dòng)阻力的最低要求，70%達(dá)不到歐盟第二階段滾動(dòng)阻力的最低要求。即使

5、三巨頭的最新節(jié)能輪胎滾動(dòng)阻力在B 到 C 的范圍，滾動(dòng)阻力也極少達(dá)到A級(jí)。這說明低滾動(dòng)阻力必將成為全世界輪胎公司追求的目標(biāo)。89輪胎三巨頭輪胎的滾動(dòng)阻力和抗?jié)窕砸矘O少達(dá)到A級(jí)。 不同品牌輪胎滾動(dòng)阻力10中國(guó)輪胎36%尚未滿足歐盟第一階段標(biāo)準(zhǔn)，50%不滿足歐盟第二階段標(biāo)準(zhǔn)。 2011年芬蘭測(cè)試世界公司對(duì)不同品牌輪胎油耗測(cè)試對(duì)比11歐洲85%的用戶認(rèn)為輪胎標(biāo)簽有助于他們做出購(gòu)買決定根據(jù)歐洲市場(chǎng)研究，以下屬性影響消費(fèi)者購(gòu)買決定：1.3 消費(fèi)觀念121.4 存在主要問題缺乏測(cè)試手段：滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)、輪胎試驗(yàn)場(chǎng)；缺乏基礎(chǔ)理論研究和數(shù)據(jù)支持；全白炭黑配方及生產(chǎn)工藝；缺乏產(chǎn)品一致性。國(guó)內(nèi)輪胎最大的苦惱，實(shí)

6、驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到A，B級(jí)，但是不敢標(biāo)。132. 何為滾動(dòng)阻力？運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)方向相反的力風(fēng)慣性內(nèi)摩擦滾動(dòng)阻力滾動(dòng)阻力定義為一個(gè)輪胎運(yùn)動(dòng)單位距離消耗的能量斜坡阻力142.1 滾動(dòng)阻力定義定義：滾動(dòng)阻力是輪胎在路面上滾過單位距離時(shí)轉(zhuǎn)變成為熱量的機(jī)械能。滾動(dòng)阻力包括與滾動(dòng)相關(guān)的空氣動(dòng)力阻力引起的機(jī)械能損失、輪胎與路面以及輪胎與輪輞的摩擦、以及發(fā)生在輪胎結(jié)構(gòu)內(nèi)部的能量損失。另外，還包括了輪軸處的軸承損失，因?yàn)樗鼈儨p少了傳遞到輪胎的能量。盡管滾動(dòng)阻力定義為單位距離的能量與力的單位相同（J/m=N），但它是沒有方向的標(biāo)量。在平坦路面上自由滾動(dòng)的輪胎，力的概念是合適的，但是在其它情況下，該概念被證實(shí)不合要求。滾動(dòng)阻

7、力的值是從工況參數(shù)和幾何參數(shù)計(jì)算得來的，它不對(duì)應(yīng)實(shí)際的物理力。152.2 滾動(dòng)阻力占車輛能耗城市道路，能量消耗百分比16高速公路，能量消耗百分比17 變 形, o 材料特性 , tan 各部位體積, V使用條件(空氣壓,負(fù)荷 , 速度.)扁 平 率重 量結(jié) 構(gòu)材 料工 藝2.3 影響滾動(dòng)阻力的三大物理因素1819在一定條件下，提高胎面硬度和減少肩部硬度可以將低生熱*來自美國(guó)橡膠制造商協(xié)會(huì)2.4 輪胎的各部位消耗能量比例20運(yùn)動(dòng)方向空氣動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎的延遲作用占015%微小滑移5%屈撓屈撓壓縮與剪切接地部位的變形所造成的能量損失占能量損失總量的8095%21輪胎各部位消耗能量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能量分散圖轎車胎橫截面卡車胎橫截面該圖采用有限元方法計(jì)算2.5 計(jì)算機(jī)模擬能量損失243. 滾動(dòng)阻力的影響因素3.1 橡膠配方：降3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：減重3.3 使用條件的影響253.1.1 溶聚丁苯橡膠26不同用途輪胎采用不同SBR膠種F1204 SSBR2305SSBR2205SSBR2535SSBR4235SBR1500

9、SBR1502SBR1712ESBR1721SSBR4235ESBR1721SSBR4235用途低滾動(dòng)阻力輪胎高性能輪胎普通輪胎高防滑性輪胎賽車輪胎苯乙烯含量%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的技術(shù)進(jìn)展溶聚丁苯橡膠的開發(fā)與任何新產(chǎn)品、新技術(shù)的開發(fā)一樣，也毫無例外地具有一個(gè)不斷發(fā)展、不斷完善的過程，從第一代多結(jié)構(gòu)單元變化的SSBR到第二代開發(fā)出性能更為全面的具有代表性品種，主要有錫偶聯(lián)、端基改性、硅烷改性以及

10、嵌段型等SSBR，可以提高膠料的拉伸強(qiáng)度，改善加工性能。集成橡膠SIBR屬于第三代SSBR范疇，是以苯乙烯-丁二烯-異戊二烯為原料，利用分子設(shè)計(jì)、控制聚合物化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的方法合成的新一代SSBR，也是鋰系橡膠的重要改性型產(chǎn)品。 283.1.2 釹系順丁橡膠與其它膠種一樣釹系順丁橡膠(NdBR)目前也在朝改性的方向發(fā)展。NdBR有分子結(jié)構(gòu)規(guī)整性高、窄分子量分布的高、中、低門尼系列產(chǎn)品；還有分子量高、分子量分布寬的長(zhǎng)支鏈NdBR。與普通NdBR相比，雖有相同的微觀結(jié)構(gòu)但宏觀結(jié)構(gòu)不同，生膠門尼粘度很容易達(dá)到80以上，但與NR并用后的混煉膠門尼粘度低于其生膠門尼粘度，與普通NdBR/NR混煉膠門

11、尼粘度相近；新型高門尼 NdBR在具有很好加工性能的同時(shí)，具有良好的動(dòng)態(tài)抗裂口增長(zhǎng)和優(yōu)異的滯后性能，這對(duì)提高BR在輪胎中的使用比例是非常重要的。29胎側(cè)膠中使用Nd-BR與Ni-BR的性能比較 膠種Nd-BR Ni-BR生膠門尼粘度ML（1+4）1004445混煉膠門尼粘度ML（1+4）1008070硬度 邵A6565300%定伸應(yīng)力 Mpa11.711.8Goodrich生熱3339回彈性%4945DIN磨耗/mm24753孟山都疲勞/KC 壽命100%張力309158 壽命125%張力935030NdBR研究進(jìn)展日本JSR公司采用在聚合反應(yīng)后期添加改性劑的方式，將極性基團(tuán)引入到大分子鏈上，

12、可使NdBR具有更好的物性，耐寒性的提高更顯著。Enichem公司的催化劑低溫老化法，可分別提高聚合活性，改善NdBR的冷流性、加工性能和控制產(chǎn)物門尼粘度的過大波動(dòng)。313.1.2 異戊二烯橡膠 2000年世界生產(chǎn)能力為140.9萬t/a，占合成橡膠世界總生產(chǎn)能力的11.5%，位居世界合成橡膠總產(chǎn)量的第三位，國(guó)內(nèi)尚屬空白。IR結(jié)構(gòu)性能與天然橡膠（NR）相似，是合成膠中性能最接近NR的膠種，在各類橡膠制品中，可以大比例代替天然橡膠。俄羅斯在輪胎中，已經(jīng)把IR用量提高到70100%。國(guó)內(nèi)對(duì)高反式-1，4聚異戊二烯的研究較多，雖然它與普通天然橡膠或異戊橡膠具有完全相同的化學(xué)組成，但分子鏈中的雙鍵結(jié)構(gòu)

13、相反，因此性能上差異很大。常溫下反式-1，4聚異戊二烯是具有高硬度和高拉伸強(qiáng)度的結(jié)晶型聚合物，熔點(diǎn)60左右。國(guó)內(nèi)曾進(jìn)行了在輪胎胎面膠的應(yīng)用試驗(yàn)，可以作為高速節(jié)能輪胎用原材料，但其不良的加工性能限制了其應(yīng)用推廣。32CARBONSILICACONTENTS100105Wet Traction100110Rolling Resistance10097WearProperties0 tanHydrophilic -OH GroupHysterisys滯后損失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高分散白炭黑低溫區(qū)性能不降（適合冬季輪胎），高溫區(qū)大降，適合低滾阻34白炭黑用量關(guān)系，在小比例時(shí)，基本無助于滾阻；全白炭黑混煉工藝復(fù)雜35由于聚集體分布相對(duì)較寬，著色強(qiáng)度較低，在中等苛刻度的條件下，胎面膠的耐磨性能主要取決于炭黑的粒徑，炭黑的聚集體尺寸分布越寬，膠料的滯后性能亦越低，RR也越??；超高結(jié)構(gòu)炭黑吸油值和壓縮吸油值(即244)約分別為170c3(100)-1和1203(100)-1,甚至更高的炭黑。這類炭黑的特征

15、是聚集體分布相對(duì)較寬,即小的聚集體嵌入到大的聚集體中,這樣會(huì)提高其有效填充密度,有助于降低胎面膠的滾動(dòng)阻力。3.1.4 低滯后炭黑363.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：減重帶束層寬度加大或太窄都能顯著增加滾動(dòng)阻力。胎面的深度和寬度是影響質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，呈線性減少，新胎與舊胎差20%胎面寬度過分減小，胎冠上胎肩部位會(huì)產(chǎn)生過大的載荷。37刀槽 （a）接觸區(qū)域內(nèi)輪胎的縱向彎曲；（b）接觸區(qū)域內(nèi)輪胎的橫向彎曲。在縱向花紋加刀槽可以將低滾動(dòng)阻力，降低了接地時(shí)的花紋應(yīng)變38胎冠曲率胎冠的曲率對(duì)滾動(dòng)過程中接觸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力以及帶束上產(chǎn)生的應(yīng)力有很大的影響。雖然較為平坦的胎冠（減小曲率）不總是更好，但一般來說更好。

16、較平坦的胎冠會(huì)增加胎肩區(qū)域胎面的厚度。這種情況下，質(zhì)量的影響會(huì)抵消扁平化帶來的能量耗散的減少，結(jié)果滾動(dòng)阻力會(huì)增加39冠帶層冠帶層減少高速時(shí)的滾動(dòng)阻力低于120kph時(shí)，滾動(dòng)阻力要高。 第一，增加冠帶層直接增加了輪胎的質(zhì)量。 第二，增加的橡膠和簾線耗散能量。 另外，冠帶層增加了胎冠區(qū)域周向的剛度。40全零帶與普通子午胎不同的結(jié)構(gòu)普通帶束層：置以一個(gè)角度采用無接頭技術(shù)：沿輪胎圓周0角度纏繞零帶主要防止寬胎反拱41外直徑較大的外直徑會(huì)減小滾動(dòng)阻力系數(shù)。相同結(jié)構(gòu)的輪胎，滾動(dòng)阻力系數(shù)基本上與外直徑的-1/3次方成比例關(guān)系。42寬胎面輪胎單胎代替雙胎 = 降低滾動(dòng)阻力 = 節(jié)省燃料43高寬比電動(dòng)汽車采用6

17、0系列44行駛路線滾動(dòng)阻力占總阻力的百分比（四種路線對(duì)比）市內(nèi)市外高速公路主流路面滾動(dòng)阻力內(nèi)摩擦力空氣阻力慣性阻力3.3 使用條件的影響45RR路面質(zhì)量越好，RR越小。46行駛時(shí)間滾阻迅速降低，然后趨于穩(wěn)定行駛時(shí)間對(duì)滾阻的影響（轎車輪胎）以100為基準(zhǔn)基準(zhǔn)100：輪胎滾動(dòng)30分鐘后依標(biāo)準(zhǔn)ISO 8767 測(cè)得。47溫度的影響溫暖的天氣使得輪胎的效率更高（低滾阻）基準(zhǔn)100：在25下依標(biāo)準(zhǔn)ISO8767測(cè)得的滾阻k=0.006-1。K的其它值有時(shí)也會(huì)用到，但是其值一般在0.005到0.008-1之間48175/65R14 滾動(dòng)阻力與速度關(guān)系速度影響49充氣壓力的影響較高的充氣壓力可降低滾動(dòng)阻力轎

18、車輪胎基準(zhǔn)100：在充氣壓力為2.1bar下依標(biāo)準(zhǔn)ISO 8767測(cè)得。50負(fù)荷的影響隨著負(fù)荷的增加，輪胎變得更高效 (CRR) ，但是實(shí)際阻力 (FRR)增大了 ，因?yàn)檩喬サ呢?fù)荷增加了。Z = 加在輪胎上的垂直載荷占設(shè)計(jì)最大載荷的百分比The tire becomes more efficient (CRR) - BUT the actual resistive force (FRR) increases because the load on the tire increases 轎車基準(zhǔn)100：在負(fù)荷為最大負(fù)荷80%時(shí)依標(biāo)準(zhǔn)ISO 8767測(cè)得的滾動(dòng)阻力514. 測(cè)量滾動(dòng)阻力ISO 方法ISO 8767, 9948, 13327SAE 方法SAE J1269, J1270 (扭矩、阻力、功率法)J2452 (減速度法) 四個(gè)基本的測(cè)試方法：減速度法；阻力法；扭矩法；功率法。52減速度法減速測(cè)試法是ISO標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定的注：表示轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；