周榮浩 韓藝博

摘 要：輪胎摩擦是生活中非常普遍的現(xiàn)象，摩擦過程中涉及到多種物質(zhì)間的物理作用。人員在進(jìn)行理論學(xué)習(xí)時(shí)，多分析木頭、金屬等固體的摩擦理論，但在實(shí)際中輪胎這類彈性體出現(xiàn)的摩擦現(xiàn)象更為常見。本文從分析輪胎的摩擦機(jī)理入手，重點(diǎn)探討幾個(gè)常見的輪胎摩擦現(xiàn)象，旨在深入研究輪胎的摩擦理論，進(jìn)一步完善理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輪胎 摩擦現(xiàn)象 分析研究

中圖分類號：G632.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0079-02

1 橡膠輪胎與路面之間的摩擦機(jī)理

與其他大多數(shù)固體與路面之間的摩擦相比，橡膠輪胎摩擦是一類非常特殊的存在。想單一使用粘附或嚙合說解釋輪胎的摩擦難以行得通。因?yàn)檩喬サ牟馁|(zhì)屬于低彈性模量的粘彈體，不同于其他材質(zhì)，該種類型的材料在很寬的頻域范圍里始終具有內(nèi)摩擦，并且力度很高。這就導(dǎo)致了現(xiàn)實(shí)中的接觸面積與接觸壓力不能通過線性相關(guān)公式將兩者有規(guī)律地表示出來。并且，普通狀態(tài)下，產(chǎn)生摩擦阻力的主要原因是橡膠輪胎內(nèi)摩擦，其影響甚至高過界面之間能量損耗因素的影響。輪胎與路面之間產(chǎn)生摩擦的機(jī)理分析可從以下方面入手。

1.1 分子間引力是輪胎與路面摩擦力的構(gòu)成部分

前文已經(jīng)闡明，橡膠屬于彈性體。在承受較大的外力作用時(shí)，橡膠就不會(huì)保持一直平整的狀態(tài)。在剛性表面的微凸體附近，會(huì)分散數(shù)量較多的橡膠分子與剛性物體分子互相作用，作用力接近分子引力范圍，輪胎與路面之間的摩擦力有一部分就是來源于此。輪胎與路面的接觸面積越大，這一部分摩擦力就越大；反之，接觸面積越小，這種輪胎與路面的摩擦力也越小。

1.2 輪胎與路面之間的粘合

受外力作用下，橡膠輪胎與路面一部分接觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生不易察覺的塑性變形，致使二者表面發(fā)生粘合。摩擦力的粘著分量通常以剪斷輪胎與路面之間粘合點(diǎn)所需的力的大小來衡量。因?yàn)檩喬ヅc路面的粘合作用產(chǎn)生的摩擦力大小與所受外力大小、二者接觸面積等有關(guān)。

1.3 橡膠輪胎的彈性變形產(chǎn)生摩擦

車輛行駛經(jīng)過路面較大向上凸起部分后回到正常路面的過程反復(fù)，會(huì)使得輪胎表面反復(fù)產(chǎn)生彈性變形。除此之外，輪胎表面紋路的作用力也會(huì)使輪胎出現(xiàn)彈性變形的現(xiàn)象。因?yàn)橄鹉z內(nèi)摩擦?xí)豢杀苊獾負(fù)p耗掉一些機(jī)械能，導(dǎo)致橡膠恢復(fù)原形所需的力總是比產(chǎn)生彈性形變的力小，由此恢復(fù)力與產(chǎn)生形變的應(yīng)力二者的合力形成部分摩擦力，這也是通常所說的彈性滯后現(xiàn)象。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，路面支撐行駛于其上的輪胎的作用點(diǎn)并不正對著車軸下方，而是在靠前一點(diǎn)的地方，由此產(chǎn)生阻礙輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的力。

1.4 路面上小尺寸微凸體對于輪胎的作用

車輛行駛在路面上，胎面不可避免地要被小尺寸微凸體刺入。切向力會(huì)進(jìn)一步對輪胎表面產(chǎn)生微切削作用，使得作用過程中形成輪胎與路面之間的部分摩擦力。

2 幾種常見的輪胎摩擦現(xiàn)象分析

實(shí)際生活中影響輪胎摩擦的因素非常多，不同條件下摩擦力的形成原因也不盡相同。有以下幾種常見的輪胎摩擦現(xiàn)象。

2.1 輪胎表面花紋的作用效果

嚙合理論表明摩擦力受接觸面粗糙程度影響，接觸面越粗糙，摩擦力越大。多數(shù)人認(rèn)為輪胎表面的花紋是為了增加粗糙度而設(shè)計(jì)的，其實(shí)這種理解并不全面。因?yàn)檩喬セy尺寸與路面上的微凸體的大小相距甚遠(yuǎn)，完美嚙合是不可能的。并且，輪胎表面的紋路主要作用是排水排沙，加大輪胎與路面間的附著力度，增加行車安全性。雨天路上常有積水與泥沙，輪胎紋路上的溝槽可以在車輛行駛過程中及時(shí)將泥沙排出，防止車輪與路面摩擦不夠出現(xiàn)滑行。這也是為什么越野車相對于小汽車輪胎表面具有又寬又深的溝槽的原因。

此外，輪胎表面溝槽能有效增加輪胎彈性形變量。在輪胎與路面之間出現(xiàn)剪切力時(shí)，輪胎彈性形變量較大可以有效增加輪胎與路面間摩擦力，保證行車安全。

2.2 F1賽車輪胎與路面的摩擦奧秘

F1賽車輪胎通常分為雨胎和干胎兩種，兩者最主要的區(qū)別就是雨胎有花紋，干胎沒有。拋開F1賽道的平整度、潔凈度等因素不談，就F1賽車輪胎的材質(zhì)而言，其摩擦系數(shù)是大于普通橡膠輪胎的，因此對其超高的附著力，普通輪胎也只能望塵莫及。F1賽車輪胎表面較寬且光滑，保證輪胎足夠的橫向剛度與賽道的接觸面積，進(jìn)而保證賽車高速漂移轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎不易變形的同時(shí)產(chǎn)生足夠大的摩擦力，防止側(cè)翻車。當(dāng)然，輪胎表面積過大也有缺陷，如加重賽車轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)、耗油增多、噪聲大，但賽車追求的是速度與安全，所以要想滿足這兩個(gè)要求，保證輪胎表面面積足夠是必需的。另外，F(xiàn)1賽車輪胎的工作溫度在100℃左右。因?yàn)楦邷乜梢攒浕ッ妫涌燧喬ヅc賽道界面上物質(zhì)的擴(kuò)散速度，從而增加實(shí)際接觸面積，提升輪胎與路面之間的摩擦力，使賽車?yán)卫巍罢场痹谫惖郎稀?/p>

2.3 冰雪路面上輪胎的摩擦現(xiàn)象

經(jīng)常聽見雪天慢行防滑的提醒，因?yàn)檠┑乩飫x車沒有普通路面容易。汽車行駛在雪地中，靠的是輪胎花紋與冰雪嚙合而產(chǎn)生摩擦力。在這種情況下，在不影響汽車行駛的前提下降低胎壓可以增加車輛行駛時(shí)的輪胎形變量，因而增強(qiáng)輪胎附著力。與此同時(shí)，產(chǎn)生的形變有利于輪胎溝槽排水，使輪胎花紋不斷與冰雪嚙合，保證車輛行駛的平穩(wěn)性。

2.4 防抱死系統(tǒng)應(yīng)用的輪胎摩擦原理

防抱死系統(tǒng)的主要作用是在車輛制動(dòng)時(shí)，將輪胎與地面的滑動(dòng)摩擦盡量轉(zhuǎn)化為靜摩擦。制動(dòng)系統(tǒng)在輪胎上施加的制動(dòng)力十分接近最大靜摩擦力，最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力略高就可縮短制動(dòng)距離。

但要注意的是，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)對于縮短制動(dòng)距離的效果并不是很顯著。在泥沙路面上，不具有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的車輛在制動(dòng)時(shí)，輪胎轉(zhuǎn)速急劇下降，當(dāng)制動(dòng)力比輪胎與路面的摩擦力大時(shí)，車輪抱死，輪胎與地面就會(huì)發(fā)生滑動(dòng)摩擦。防抱死系統(tǒng)的出現(xiàn)可使車輛在緊急情況時(shí)存在躲避障礙的條件，還可防止輪胎在滑動(dòng)摩擦中過度損耗，延長其使用壽命。

3 輪胎摩擦現(xiàn)象的研究重點(diǎn)

在過去，對于橡膠粘著、干摩擦及滾動(dòng)接觸力學(xué)的研究已經(jīng)比較到位，但在實(shí)際應(yīng)用中所起作用并不是很明顯。切實(shí)從解決生活實(shí)際問題出發(fā)，對干燥路面摩擦學(xué)彈性問題建立起科學(xué)實(shí)用的熱模型應(yīng)用于輪胎摩擦研究中是必要的。除此之外，關(guān)于如何克服冰雪路面上具有強(qiáng)潤滑作用的水膜問題，增大輪胎與地面摩擦力，防止大批車輛空轉(zhuǎn)、追尾也是研究重點(diǎn)?？蓢L試建立輪胎表面撓性參數(shù)相關(guān)的模型，為優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

對于輪胎摩擦現(xiàn)象的分析研究應(yīng)該在建立在已取得的成果之上，從解決實(shí)際問題角度出發(fā)，開展深入研究。雖然輪胎摩擦現(xiàn)象在生活中隨處可見，但由于其中涉及到的物質(zhì)間相互作用過程比較復(fù)雜且外部影響因素較多，因而研究起來難度較大。將輪胎與路面的摩擦機(jī)理研究透徹，從常見輪胎與路面摩擦現(xiàn)象入手，把握好未來研究重點(diǎn)，為提升輪胎性能、進(jìn)一步保障司機(jī)行車安全奠定基礎(chǔ)。

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