2.1.2轮胎滚动阻力力学特性 滚动车轮产生的所有阻力被定义为车轮滚动阻力，主要包括轮胎滚动阻力分量、道路阻力分量和轮胎侧偏阻力分量。其中，轮胎侧偏阻力分量是由轮胎的侧向载荷使轮胎侧偏而产生的附加轮胎纵向阻力。由不平路面、塑性路面和湿路面等道路情况引起的附加阻力称为道路阻力分量。此外，除了由轴承摩擦和轮胎与地面相对滑动造成的摩擦阻力外，胎内气流流动以及转动的轮胎对外部空气造成的风扇效应都会引起轮胎的滚动阻力，但均为次要影响因素，因此通常它们包含于车轮阻力中，并不单独列出。 当充气轮胎在理想路面（通常指平坦的干、硬路面）上直线滚动时，其外缘中心对称面与轮胎滚动方向一致，所受到的与滚动方向相反的阻力即为本设计中所说的轮胎滚动阻力。 根据作用机理的不同，轮胎滚动阻力还可以进一步分解为弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇效应阻力，分别介绍如下。 1．弹性迟滞阻力 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。实际中充气轮胎在静态压缩作用下会产生变形并且回弹，并由于其内部的摩擦作用而引起能量损失。当车轮在力或力矩作用下滚动时，对轮胎胎面上的每一单元而言，其压缩与回弹的过程将重复不断地进行。对这样一个过程，可用图2.1所示的轮胎等效系统模型来加以解释。在轮胎等效系统模型中，假定车轮的外圆周与轮辋之间由一些径向布置的线性弹簧和阻尼单元支撑；此外，车轮胎面也假定由一系列切向排列的弹簧和阻尼单元就能充分作用，因而就生成附加的摩擦效应，将它称之为弹性迟滞阻力。轮胎胎面的弹簧和阻尼特性对路面附着力也有影响，选用低阻尼的胎面材料会导致附着摩擦力降低。 当轮胎等效系统滚动时，对应的“弹簧-阻尼单元”便开始做功，并将其转化为热，所产生的弹性迟滞阻力等于消耗的阻尼与行驶距离之比。 2．摩擦阻力 在图2.1所示的轮胎等效系统模型中，由一系列弹簧-阻尼组成的单元连续滚动进入轮胎接触印迹区，由此相应的轮胎外圆圆弧就被压成对应的弦长，即“轮胎接地长度” 。在轮胎接触印迹内，路面与滚动单元带之间在哪纵向及横向将产生相对运动，即所谓的“部分滑动”。由于部分滑动引起轮胎磨损，其能量被转换成热，由此产生了车辆动力传动系统不得不克服的附加阻力。 图2.1轮胎等效系统模型 3.风扇效应阻力 像风扇一样，轮胎的旋转运动会导致气流损失，但可将其看做是对整个车辆气流影响的一部分。因此，通常将风扇效应阻力加到总的车辆空气阻力中。 4.滚动阻力系数 综上所述，车轮在干、硬的平路面行驶，其滚动阻力包括弹性迟滞阻力、摩擦阻力和风扇阻力三部分，即： （2.1） 试验表明，在128-152km/h速度范围内，9095胎的破坏是由内部迟滞作用引起的，而210归咎于轮胎与地面的摩擦，仅有1.53.5咎于空气阻力。因此，轮胎在硬路面上的滚动阻力主要由胎体变形所引起的轮胎材料迟滞作用造成。实际上，式（2-1）表达的各个分量（如弹性分量与摩擦分量）均无法单独分开测量，因此有用的还是综合表达式。 2.1.2滚动阻力系数的测定方法 一般可采用两种不同的方法测量轮胎的总滚动阻力，即整车道路测试和室内台架测试。整车道路测试的优点是：道路状况和基本条件是真实的，但由于轮胎重复试验所必要的外部环境，如天气、道路及交通条件等外在因素的干扰和不定性，测试中很难保证指定的试验参数。而以上问题在室内固定轮胎试验台测试中可以避免。在室内试验条件下，装有试验轮胎的车轮被放在可以动的滚动表面上，试验数据可由车轮连接杆系上的力传感器获得。 2.1.3轮胎转鼓试验台的类型选择 根据滚动面情况的不同，轮胎试验台基本上可分为三种类型（见表2.1的说明）： （1）外支撑试验台； （2）内支撑试验台； （3）平板试验台。 表2.1轮胎试验台的类型及特点 试验类型简图优点缺点 外支撑试验台 空间足够大， 轮胎易于安装很难实现湿 路面测量 内支撑试验台 胎面可换，能实 现湿路面测量空间有限，轮 胎不易安装 平板试验台底座平坦，与实 际情况更吻合导向困难，振 动引起腐蚀 最常用的是外支撑试验台，外支撑试验台的优点是成本相对较低，承载能力高，且结构紧凑，车轮周围留有较大的空间，不但可容纳各种不同的车轮导向元件，以保证车轮定位，而且还可方便车轮的安装。但由于离心力的作用，很难在外转鼓上设置不同的道路条。 对内支撑试验台而言，离心力的作用可使车轮胎面很容易地固定于试验台面。因此，内支撑试验台特别适合于进行不同类型路面的试验，比如确定轮胎湿胎面的滚动特性。然而，车轮上的有限空间不利于车轮的安装和控制。由于弧形支撑面的影响，所有的支撑试验台基本上都存在测量误差。与平板试验台相比，在车轮载荷相同的情况下，内支撑试验台使轮胎接触印迹和变形量增大，从而摩擦阻力和弹性迟滞阻力也相应增加。如果滚动卷筒半径与车轮半径相比较大，其测量误差就可控制在较小范围内。必要时可引入校正因子，以保证其测量结果与平面测量结果相吻合。 平板试验台在最大程度上保证了轮胎的滚动表面，为车轮控制和车轮运动提供了宽阔的空间，同时也方便了轮胎的安装。通过变换不同滚板，可在一定条件下实现道路条件的改变，同样也适用于湿道路条件，但由于支撑面振动可能会产生测量误差。为解决滚板的导向问题，需要的技术成本较高，另外，滚板的磨损也增加了运行成本。 本设计选用的就是外支撑试验台。 2.1.4滚动阻力系数的测量与计算 在轮胎试验台上测量轮胎的滚动阻力系数的方法，是用转鼓轮胎试验台，如图2.2所示。 电力测功机利用电机测量各种动力机械轴上输出的转矩，并结合转速以确定功率的设备。因为被测量的动力机械可能有不同转速，所以用作电力测功机的电机必须是可以平滑调速的电机。目前用得较多的是直流测功机、交流测功机和涡流测功机。直流测功机由直流电机、测力计和测速发电机组合而成。直流电机的定子由独立的轴承座支承，它可以在某一角度范围内自由摆动。机壳上带有测力臂，它与测力计配合，可以检测定子所受到的转矩。根据直流电机原理，电机的电磁转矩同时施加于定子和转子。定子所受到的转矩与转子所受到的转矩大小相等，方向相反，所以转轴上的转矩可以由定子上量测。运行中轴承、电刷和风致摩擦等引起的机械转矩，会使定子和转子所受的转矩不完全相等，这给测量所带来的误差需要加以考虑。 直流测功机可作为直流发电机运行，作为被测动力机械的负载，以测量被测机械的轴上输出转矩；也可以作直流发电机运行，拖动其他机械，以测量其轴上输入转矩。转矩与测速发电机测得的转速之积即轴功率。这就是测功机一名的由来。本文采用的就是直流测功机。