1、Rolling ResistanceBasic FoundationRandall CLARK滚动阻力滚动阻力基本认识Rolling Resistance 滚动阻力滚动阻力 Definition and Origins Relative magnitude Cars Trucks Buses External VariablesBasic Foundation 基本认识 定义及起源 讲述范围轿车卡车 客车 外部因素What is Rolling Resistance?何为滚动阻力？何为滚动阻力？运动方向运动方向与运动方向相与运动方向相反的力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
2、位距离消耗的能量滚动阻力只能通过消耗能量来克服用在汽车上，则这些能量由燃料提供，因此，滚动阻力对油耗有直接的影响斜坡阻力Rolling Resistance:滚动阻力：滚动阻力：FRR Tire drag on vehicle motionFRR 轮胎相对车辆的运动滞后行使方向滚动阻力滚动阻力空气阻力空气阻力内部阻力（机械摩擦）内部阻力（机械摩擦）重力重力惯性阻力惯性阻力How can you feel Rolling Resistance?如何感觉滚动阻力如何感觉滚动阻力?If you ride a bicycle with tires at low pressure,you have to
3、 work harder to overcome the increased rolling resistance.当你骑着装有低风压轮胎的自行车时，你必须更加用力，以克服增加的滚动摩擦力。So is it Energy or Force?所以，滚阻是能量还是力？所以，滚阻是能量还是力？Rolling Resistance=tire rolling energy consumed per unit distance=work/distance=Newtons X meters/meters Rolling Resistance=resistive force of the tires=forc
4、e=NewtonsBOTH!都是都是!滚动阻力=轮胎通过每单位距离所消耗的滚动能量=功/距离=牛顿 X 米/米 滚动阻力=轮胎抵抗力=力=牛顿What causes Rolling Resistance?什么导致滚动阻力？什么导致滚动阻力？导致滚动阻力的三个主导致滚动阻力的三个主要的物理原因要的物理原因运动方向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%轮胎的哪些部位消耗了大部分的能量轮胎的哪些部位消耗了大部分的能量?计算机模拟的能量损失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橡胶配方的作用
5、橡胶配方的作用 积极方面：提供抓着力，弹力，韧性，耐磨性 消极方面：浪费轮胎变形产生的热；从而损失了来自油箱 的能量硫所搭建的“桥”轮胎在接地部位发生变形橡胶配方的选择橡胶配方的选择 有可以降低滚动阻力的橡胶配方 配方的选择必须依据各种设计要求 磨耗、抓地性、抗切割 有些高科技配方可以降低滚动阻力，而几乎不牺牲其他性能 胎面花纹的影响胎面花纹的影响例如：卡车胎例如：卡车胎低滚动阻力平滑的直花纹轮胎高滚动阻力横花纹轮胎橡胶配方和胎面花纹的选择影响滚动阻橡胶配方和胎面花纹的选择影响滚动阻力和生热力和生热202.4149.6180.5*215.0F*215.0F*75.0F80.0100.0120.
6、0140.0160.0180.0200.0高滚阻轮胎高滚阻轮胎低滚阻轮胎低滚阻轮胎用红外线照相机采到的卡车轮胎转动时的图片；两个轮胎在相同的负荷及充气压力下运转。低滚阻和高滚阻轮胎的比较低滚阻和高滚阻轮胎的比较将不同商标/类型的轮胎安装在车辆的相同部位，在夜间利用红外线照相机可以看到轮胎生热，即滚阻的不同你可以看出胎面花纹和配方的不同你可以看出胎面花纹和配方的不同低生热轮胎还有其他优点低生热轮胎还有其他优点 卡车轮胎：胎体可以使用更长时间，因此潜在更多的翻新机会优化资源利用 轿车轮胎：减少行驶时破坏的机会更安全轮胎结构是否会有影响轮胎结构是否会有影响?是的是的!子午线轮胎更加优秀子午线轮胎更加
7、优秀子午线轮胎结构斜交轮胎结构斜交斜交层轮胎层轮胎斜斜交层轮胎交层轮胎胎胎冠及胎冠及胎侧由相同侧由相同的结构层的结构层构成构成 各层各层重叠构成重叠构成较厚的胎体结较厚的胎体结构层构层 胎体胎体由几个斜由几个斜交叉的帘布层交叉的帘布层构成构成高摩擦高摩擦=高滚阻高滚阻 胎侧胎侧的弯曲变形会传送到胎冠，的弯曲变形会传送到胎冠，从而导致：从而导致：接地接地区域的变形区域的变形胎体胎体层间相互剪切导致过热层间相互剪切导致过热与与路面的高摩擦力路面的高摩擦力斜交斜交轮胎轮胎:胎冠胎冠和胎侧相牵连和胎侧相牵连 Sidewall flexing is transmitted to the tread re
8、sulting in:Distortion of ground contact area Scissoring of casing plies that leads to overheating High friction with the road surface子午线子午线轮胎轮胎 胎体胎体由一个辐射层构成由一个辐射层构成 胎冠胎冠由几个钢丝层固定由几个钢丝层固定 胎侧胎侧和胎冠的活动是分开和胎冠的活动是分开的的 Casing made of one radial ply Crown stabilized by several steel plies Sidewalls and tread
9、 function separately辐射辐射层构造层构造胎冠胎冠和胎侧独立活和胎侧独立活动动,可以可以提供更大提供更大的接地面积的接地面积 可可吸收对驾驶员、设吸收对驾驶员、设备和装载物的震动备和装载物的震动胎面胎面磨耗均匀而且磨耗均匀而且缓慢缓慢胎体胎体由单独一层由单独一层钢丝帘布构成，钢丝帘布构成，这样就没有了层这样就没有了层间的摩擦，行驶间的摩擦，行驶时生热更低时生热更低胎冠胎冠由钢丝环带固由钢丝环带固定，改善了轮胎的定，改善了轮胎的抗刺穿及抗撕裂性抗刺穿及抗撕裂性能能低摩擦低摩擦=低滚阻低滚阻 胎侧的弯曲变形不会传到胎冠，因此：接地区域变形更小 降低与地面的摩擦，以提高乘坐舒适性低
10、生热子午线子午线轮胎：轮胎：胎侧胎侧和胎冠独立活动和胎冠独立活动子午线轮胎的优点子午线轮胎的优点 节省燃料 5%10%抗刺穿能力更强更安全 胎体低生热更安全，翻新率更高 更耐磨 使用时间翻一翻每年需要的轮胎减少，减少废胎处理 对路面的损坏比斜交胎更小轮胎的规格有关系吗轮胎的规格有关系吗?有有!越大越优秀越大越优秀轮胎外径对滚动阻力的影响以100为基准基准100：175/70 R14轮胎依标准ISO 8767测得。滚动阻力滚动阻力 定义及起源讲述范围讲述范围轿车卡车 客车 外部因素基本认识基本认识与其他因素相对的重要性与其他因素相对的重要性轮胎滚阻消耗燃料占总燃料的百分比轮胎滚阻消耗燃料占总燃料
11、的百分比:公路公路 轿车 8 20%或者说每100升燃料中，有8到20升消耗于轮胎的能量损失 卡客车 2535%或者说每100升燃料中，有25到35升消耗于轮胎的能量损失与行驶路线也有很大关系与行驶路线也有很大关系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 定义及起源 讲述范围轿车卡车 客车外部因素外部因素滚动阻力滚动阻力基本认识基本认识行驶时间行驶时间滚阻迅速降低，然后趋于稳定滚阻迅速降低，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。温度的影响温度的影响温暖的天气使
12、得轮胎的效率更高（低滚阻）温暖的天气使得轮胎的效率更高（低滚阻）环境温度对滚阻的影响（轿车胎）基准100：在25下依标准ISO8767测得的滚阻标准ISO8767规定的测量条件：轮胎气压=2.1bar，负荷=轮胎最大负荷的80%，速度=80km/h。在此范围内，温度每变化1，滚阻相应变化0.6%。速度的影响速度的影响轮胎的对能量损失的贡献(FRR)不变，但所占百分比减小，因为在高速状态下，空气阻力起主导作用。The tire contribution(FRR)does not change but the%contribution decreases because the aerodynam
13、ic drag dominates at higher speeds阻力速度充气压力的影响充气压力的影响较高的充气压力可降低滚动阻力较高的充气压力可降低滚动阻力轿车轮胎基准100：在充气压力为2.1bar下依标准ISO 8767测得。负荷的影响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。综合的综合的Z=加在轮胎上的垂直载荷占设计最大载荷的百分比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)incr
14、eases 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测得的滚动阻力滚动阻力滚动阻力:它会消耗油箱里的燃料 它无法被完全消除 某些轮胎结构和配方的设计可以降低滚动阻力要点要点滚动阻力滚动阻力基本认识Randall CLARK滚动阻力滚动阻力实验室测量方法Randall CLARK测量单位测量单位 滚动阻力牛顿 滚动阻力系数 kg/ton滚动阻力滚动阻力:力和系数力和系数FRR：在车辆上轮胎的实际拖曳力 CRR：滚动阻力系数=FRR/ZCRR 用以测量轮胎的效率；一般表示为 kg/ton(或 kg/
15、1000 kg)滚动阻力测试转鼓滚动阻力测试转鼓 示意图示意图 推进汽缸滚动阻力测试转鼓滚动阻力测试转鼓四个基本的测试方法四个基本的测试方法 减速度法 阻力法 扭矩法 功率法减速度法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；表示角加速度。.阻力法阻力法依ISO标准测定阻力力传感器（测力计）扭矩法扭矩法依ISO标准测定扭矩扭矩传感器（扭矩计）功率法功率法依ISO标准测定输入的电功率瓦特计现行使用的测试标准现行使用的测试标准 ISO 方法 ISO 8767,9948,13327 2005年7月发行的ISO 18164 SAE 方法 SAE J1269,J1270(扭矩、阻力、功率法
16、)J2452(减速度法)其他未决问题其他未决问题 因为ISO 18164 收集了大量可能的滚动阻力测试方法，ETRTO 决定规定其 参考方法。其目的是产生直接可比结果的可能性，例如观察潜在的规则。这将与 ISO 18164 一致，但将规定一些需要的参数，以取得可比较的结果。在这方面，目标是将轮胎置于相同的热力学状态，并测量相同的物理量。如今该方法已经通过同意，一项 round-robin 测试已经在欧洲完成，关于实验室间滚动阻力值的比较的讨论正在进行中。其他测试因素其他测试因素 测试的正确度及精确性 测量滚动阻力时，在存在较大力的情况下，必须测量小的力，因此，必须使用适当精度的设备和仪器。设备
17、的校准必须按规则检查，以避免测试结果的漂移。其他实验室测试方法其他实验室测试方法 测力计法 在轮胎滚动的同时测试轿车发动机 平路测试机 Dynamometers test car engines with tires rolling Flat track test machines测力计法测力计法单滚筒法单滚筒法 vs vs 双滚筒法双滚筒法注释注释:轮胎在单滚筒测力计上的变形大于在路面上的变形，比在双滚筒 测力计上的变形大得更多。测力计产生的滚动阻力大于路面产生的滚动阻力。在标准气压下，双滚筒测力计造成的变形甚至会导致轮胎破坏，因此欧洲法规里允许在做双滚筒测力计测试时，将轮胎气压充到超过标准
18、值的50%。双滚筒测力计法双滚筒测力计法同时测试油耗及发动机排放同时测试油耗及发动机排放重型车辆重型车辆:卡客车 发动机在车辆外测试其实际规格限制(例如，在测力计上没有测试发动机的排放)在发动机测试时没有轮胎的影响，但是 仍然有滚动阻力对车辆使用性能的影响平路测试机平路测试机 可消除 roadwheel curvature的潜在误差 只用于测试滚动阻力显得过于昂贵滚动阻力滚动阻力实验室测试方法Randall CLARK滚动阻力滚动阻力实车测试滚动阻力和油耗Randall CLARK实车测试滚动阻力和油耗实车测试滚动阻力和油耗 油耗测试 实际车队使用 燃料测试 滑坡测试示范 更多有趣的测试方法.
19、卡车队在标准的条件下测试油耗卡车队在标准的条件下测试油耗 根据以往的卡车油耗确定出油耗基准 在一组卡车上安装不同的轮胎 将这组安装新胎的卡车的油耗和其他是卡车及以往该组车辆的油耗作比较 现有的标准测试程序 TMC1109 提供了标准车队进行油耗比较的内容组成的指导油耗的精确性很重要油耗的精确性很重要!规范操作下的车队的油耗比较规范操作下的车队的油耗比较 轮胎的改变得到的油耗的改善：6.8 英里/加仑 7.4 英里/加仑，即降低油耗 8.8%油耗测试油耗测试 短程测试 最小载重 确保车重一致 使用可移动的油箱 在行驶前后秤油箱重量 比较不同套轮胎的油耗滚动阻力滚动阻力:滑坡示例滑坡示例 长平板
20、两辆安装不同轮胎的卡车，以作对比 相同的出发点 脱离离合器 让车辆下滑直到停止 测量车辆之间的距离 更换轮胎，重复以上步骤轿车示例轿车示例:从斜坡上滑下从斜坡上滑下通过让轿车从一个斜坡上滑下，然后测量车辆之间的距离来比较两套不同的轮胎。轿车示例轿车示例:从斜坡上滑下从斜坡上滑下 相同的轿车 普通轮胎 vs 节能“绿色”轮胎“绿色”轮胎比普通轮胎多滚出6米在在 Shell 环保马拉松的实际示范结果环保马拉松的实际示范结果滚动阻力对比滚动阻力对比:人拉试验滚动阻力滚动阻力实车测试滚动阻力及油耗Randall CLARK滚动阻力滚动阻力改善油耗的轮胎创新Randall CLARK改善油耗的轮胎创新改
21、善油耗的轮胎创新 历史：充气轮胎 子午线轮胎 绿色轮胎 新一代宽断面轮胎（可用单胎代替双胎）(卡客车用)最初的轮胎最初的轮胎:实心轮胎实心轮胎1896年年8月月26日日，Edouard Michelin 比较实心轮胎和充气轮胎的油耗：充气轮胎省油30%滚动阻力测试转鼓滚动阻力测试转鼓 示意图示意图 在这期间取得了很多进步在这期间取得了很多进步轿车轮胎滚阻的改进（kg/吨）轮胎的结构是否有影响轮胎的结构是否有影响?有有!子午线轮胎更加优秀子午线轮胎更加优秀子午线轮胎结构子午线轮胎结构斜交层轮胎结构斜交层轮胎结构斜交斜交层轮胎层轮胎斜交斜交层轮胎层轮胎胎胎冠及胎冠及胎侧由相同侧由相同的结构层的结构
22、层构成构成 各层各层重叠构成重叠构成较厚的胎体结较厚的胎体结构层构层 胎体胎体由几个斜由几个斜交叉的帘布层交叉的帘布层构成构成子午线子午线轮胎轮胎 胎体由一个辐射层构成 胎冠由几个钢丝层固定 胎侧和胎冠的活动是分开的子午线子午线结构结构胎冠和胎侧独立活动,可以提供更大的接地面积 可吸收对驾驶员、设备和装载物的震动胎面磨耗均匀而且缓慢胎体由单独一层钢丝帘布构成，这样就没有了层间的摩擦，行驶时生热更低胎冠由钢丝环带固定，改善了轮胎的抗刺穿及抗撕裂性能子午线轮胎子午线轮胎:相当于一个油矿相当于一个油矿?以典型卡车为例(6轮)：行程：100,000 公里/年油耗:35 升/100公里 耗油35,000
23、升/年 子午线轮胎可省油8%，即2800升 每辆卡车有6条轮胎，所以每条子午线轮胎可省油是的是的!因为它省油因为它省油!每条轮胎每年可省油每条轮胎每年可省油 460升升!子午线轮胎子午线轮胎:通过省油，就像一个油矿通过省油，就像一个油矿“绿色绿色”轮胎轮胎:新一代低滚阻轮胎新一代低滚阻轮胎 采用与普通轮胎（有时称为“黑色”轮胎，以区别于新一代“绿色”轮胎）不同的胎面胶料配方 其实轮胎的颜色并没有改变 “绿色”轮胎和“黑色”轮胎都是黑色的 例子例子:轿车轮胎轿车轮胎新型高能效新型高能效“绿色绿色”轮胎轮胎 例子例子:轿车轮胎轿车轮胎 普通(或“黑色”)轮胎的滚动阻力系数约为 13 kg/t；而低
24、滚阻“绿色”轮胎约为10 kg/t 一部1.1吨的轿车，使用一套“黑色”轮胎，其滚动阻力约为140N；使用一套“绿色”轮胎，其滚动阻力约为100N；两者相差40N。这怎么可能这怎么可能?普通填充剂:碳黑新型填充剂新型填充剂:硅土硅土新材料家族:在胎面胶料配方中，硅土代替了碳黑加强填充剂功能聚合体化学组硅硅烷节硫“桥”聚合体未来未来:难于置信的燃料节省可以在原型车及难于置信的燃料节省可以在原型车及轮胎上得以实现轮胎上得以实现省油的世界纪录是在2005年6月26日的米其林的 Ladoux 试车跑道上创造的。该纪录是由来自瑞士Zurich Ecole Polytechnique的一个试车队在Shel
25、l 环保马拉松赛事上创造的，该纪录为14,227英里英里/加仑加仑(5,385公里公里/升升)。于2003年5月创造的旧纪录为12,945 英里/加仑(4,984公里/升)。注:这种轮胎不是一般公路使用轮胎!Shell 环保马拉松 也是一个展示轮胎影响车辆能耗的机会。基于这种考虑，米其林开发了两种轮胎：一种轮胎的滚阻为 2kg/ton，另一种轮胎的滚阻为另一种轮胎的滚阻为 1kg/ton。6月25日上午举行的比赛采用高滚阻轮胎。Zurich Ecole Polytechnique队创下了3,952公里/升的成绩。下午的比赛采用低滚阻轮胎，该队创下了 5,134公里/升的成绩。6月26日该队创造
26、了 14,227 英里/加仑(5385公里/升)的纪录。卡客车用新型轮胎卡客车用新型轮胎新一代宽胎面轮胎（单胎使用）新一代宽胎面轮胎（单胎使用）单胎代替双胎=降低滚动阻力=节省燃料节省燃料米其林版米其林版:_ _与普通子午胎不同的结构与普通子午胎不同的结构这样真的能这样真的能省油吗省油吗?普通带束层：置以一个角度采用无接头技术：沿轮胎圆周0角度缠绕询问试车队询问试车队 该车队的测试显示：X One 比双胎子午线轮胎省油12%询问试车队询问试车队 该车队的测试显示：X One 比双胎子午线轮胎省油10%对于客车也有同样的效果对于客车也有同样的效果 欧洲的UTAC 在客车上所作的测试显示：将客车上
27、的普通子午线轮胎换成 X One 轮胎，可省油24%为新一代单胎用宽胎面轮胎开发的独为新一代单胎用宽胎面轮胎开发的独特的客车特的客车CIVIS客车采用X One轮胎，使得允许在每个轮心上配置一个电动发动机，以降低滚动阻力。该车在法国(Rouen and Clermont-Ferrand)和美国(拉斯维加斯)使用。轮胎宽度最大化，以轮胎宽度最大化，以 适用于低洼路面和适用于低洼路面和通过障碍通过障碍CIVIS客车的轮轴采用客车的轮轴采用 X One轮胎轮胎为通过障碍，提高燃料效率以及减少客车数量为通过障碍，提高燃料效率以及减少客车数量 每辆车可乘坐更多的人每辆车可乘坐更多的人每个轮心内配置一个电
28、动发动机每个轮心内配置一个电动发动机滚动阻力滚动阻力改善油耗的轮胎创新Randall CLARK滚动阻力滚动阻力对发动机排放的影响Randall CLARK降低滚动阻力有两个好处降低滚动阻力有两个好处 行驶相同的路程或拖运等量的货物需要更少的石油 更少的实际发动机排放和温室气体（CO2）我们已经知道如何降低滚动阻力我们已经知道如何降低滚动阻力是否能够测量轮胎滚动阻力降低后，温室气体减少的量呢？可以！美国环保组织美国环保组织 SmartWay 运输联盟致力于促进汽车节省燃料和环保技术的开发 通过测试的新一代宽面单胎代替双胎在燃料节省和排放上的改善 于2004年12月测试 采用移动排放测试设备传感
29、器；Inc;Ann Arbor,Michigan 将于2005年11月发表一篇SAE 论文如果滚动阻力降低了如果滚动阻力降低了,我们是否可以计算其对减少排放和节省燃料的潜在作用?以以 CO2为例为例 CO2 最容易计算 同样的方法对其他污染物也是正确的 其他污染物的计算更加复杂，因为它们不是线性的 原则:未燃烧的燃料没有排放 以卡车为例：将中国所有的卡车胎换成子午胎 以轿车为例：将中国所有轿车轮胎换成低滚阻节 油轮胎省油假设省油假设 卡车轮胎：将所有的斜交胎换成子午胎，假设平均节油 8%子午胎已经占市场的20%，所以这样将影响80%的卡客车 轿车轮胎：将所有的轿车轮胎换成低滚阻轮胎，假设平均省
30、油 5%卡车子午胎卡车子午胎中国用于运输的柴油：28 X 106吨(IEA)假设有50%为卡车 14 X106吨假设：将目前80%的卡车上的斜交轮胎换成节油8%的子午胎 潜在省油：9 X 105 吨柴油恒量:柴油密度=0.85 kg/L 每升柴油燃烧产生 2.66 kg 的CO2中国每年可减少中国每年可减少 CO2排放排放 2.8 X 106 吨吨同时可以按一定的比例减少柴油发动机的所有其它排放物轿车轮胎轿车轮胎:低滚阻节油轮胎低滚阻节油轮胎 中国每年用于运输的汽油:34 X 106 吨(IEA)假设有 30%用于汽车 假如:所有轿车轮胎换成节油5%的低滚阻轮胎潜在节油=5 X 105 吨汽油
31、/年 恒量:汽油密度=0.72 kg/L 每升汽油燃烧产生 2.35 kg 的CO2中国每年可减少中国每年可减少CO2 排放排放 1.6 X 106 吨吨同时可以按一定的比例减少汽车发动机的所有其它排放物轮胎选择概要轮胎选择概要:每年的潜在影响每年的潜在影响 假设1:将所有的卡车轮胎换成子午胎(从如今的20%)潜在节省柴油 9 X 105 吨 潜在减少 CO2排放2.8 X 106 吨 同样可以减少其它柴油排放物 假设2:将所有的轿车轮胎换成低滚阻轮胎潜在节省汽油 5 X 105 吨 潜在节省 CO2排放1.6 X 106 吨 同样可以减少其它所有汽车排放物 滚动阻力滚动阻力对发动机排放的影响Randall CLARK
