轮胎与路面之间的摩擦抗滑性能研究

轮胎与路面之间的摩擦抗滑性能研究

摘要：本文对橡胶的摩擦、轮胎与路面之间的摩擦特性和附着因数的含义以及影响轮胎附着性能的因素进行了分析。橡胶与路面之间的摩擦因数受载荷和滑动速度的影响，轮胎与路面之间的摩擦因数包括粘着和滞后两部分，与轮胎结构、路面状况和轮胎的工作条件密切相关。

关键词：轮胎；路面；摩擦；附着

1 引言

橡胶是汽车轮胎的主要材料，直接与地面接触，所以研究橡胶的摩擦磨损性能，是关系汽车安全的基础环节，也是ABS防抱死装置的理论基础和操作依据。汽车行驶、制动、加速、转弯时的唯一外力来源就是从轮胎与路面间的摩擦力获得的。因此研究轮胎橡胶的力学行为是意义十分重大的一项基础性工作。由于轮胎的受力状况复杂，影响轮胎摩擦力的因素繁多，准确地把握轮胎的摩擦状况还有距离，这方面的研究还有待进一步深化。本文概括了近年来在轮胎摩擦磨损方面的研究进展。

2 摩擦的基本特性

对任意两个接触滑动固体来说，Amnions早在17世纪就提出了摩擦基本定律：摩擦力与所加载荷成正比，与接触表观面积Aa无关。据此给出的摩擦定律一般形式为：F =μW （1）式中F—摩擦力；μ—摩擦因数；W—载荷。

摩擦因数可分为静摩擦因数和动摩擦因数，其值不仅取决于摩擦副的材料性能，还取决于摩擦副所处的系统。

两个相对运动物体产生的摩擦力通常包括两个分力：粘附力Fa和变形或滞后力Fh。前者是两个对摩表面分子之间的相互作用力(范德华作用力)，克服粘附力必须施加足够大的剪切力；后者是对摩表面粗糙凸体之间的相互啮合，若要产生相对滑动，则必须施加足够大的外力使软表面产生变形、位移或局部破坏。将Fh分成4种形式，即弹性变形、塑性变形、材料基体的剪切和材料表面膜的剪切。区分材料弹、塑性变形的指标是塑性指数Ip，即：Ip= (σ/β)1/2E′/H(2)式中σ—表面粗糙度的标准均方差；β—微凸体的平均曲率半径；E′—材料的弹性模量；H—材料的压痕硬度。

3 橡胶的摩擦

橡胶是粘弹性材料，不遵从传统的库仑摩擦理论。橡胶的摩擦因数与滑动速度之间存在密切的关系。对受一定垂直载荷作用的橡胶试样进行摩擦试验，

随切向力的增大，橡胶与路面间的摩擦力增大，当静摩擦力达到最大值后，橡胶开始滑动。橡胶试样的摩擦因数与滑动速度的关系曲线见图1。

图1橡胶试样的摩擦因数与滑动速度的关系曲线

从图1可以看出，随滑动速度的增大，摩擦因数迅速增至最大值，然后缓慢减小，在滑动速度很大时又有所回升。橡胶滑动摩擦因数的最大值大于粘着状态的静摩擦因数，一般出现在滑动速度为0·01~0·50 m·s-1时。

橡胶的摩擦因数不仅与滑动速度有关，而且与参与摩擦的材料、接地压力和摩擦温度等因素有关。橡胶与路面之间的摩擦因数分为粘着和滞后两部分，粘着分量取决于橡胶和路面的微观特性，而滞后分量取决于路面的宏观特性。橡胶的摩擦因数随垂直载荷的增大而减小，随损耗因子的增大而增大，随温度的升高而减小。

4 轮胎与路面的受力分析

4.1 轮胎的受力分析。图1为汽车以速度v行驶时，驱动轮上的受力简图。由于轮胎本身还充有压缩空气，具有一定的内压力。这样，它在内、外力、扭矩的作用下，会产生变形。

图1汽车轮胎的受力

由于轮胎的迟滞现象，使法向反力N的作用点向前移动了一段距离a。不过，a值并不大，故计算轮胎与路面的摩擦力和轮廓法向接触应力时，可将a 值的影响略去。轮胎上承载的载荷，使轮胎下面一小部分压平而形成与路面的轮廓接触面积AG，压平量h=r0-rd。当h不大时，轮廓接触面积呈椭圆形；当h 较大时，轮廓接触面积近似矩形。压平量可按下式计算：(3)式中：pW为轮胎内充气压力，MPa；α1，α2分别为常数。

要计算附着系数，必须首先确定附着力。附着力的大小取决于轮廓法向接触应力。由于路面上微凸体的高度不一致，即轮廓接触面积上各处的法向应力的变化规律相当复杂，若要详细计算，公式变得十分复杂。但从文献可知，该应力取决于轮胎的结构、充气压力，但变化不大。因此，我们假定轮廓接触面积AG内，路面与胎面为密接触状态，然后用该接触面积上的平均法向接触应力来计算附着系数。这样，轮廓法向接触应力为：(4)式中：G为作用在车轴上的径向载荷。

4.2 路面形貌。路面形貌是指路面施工后保留下来的路面几何形貌，通常以单位面积上的微凸体个数，以及微凸体的几何形状和高度分布来表征。从下图可以看出，路面的微凸体形状近似于球截体。这些球截体位于某一基准线上且沿高度方向分布。

H为微凸体的高度；L为路面取样长度

图2 水泥混凝土与沥青路面的表面轮廓

5 结语

轮胎与路面之间的附着因数是影响汽车行驶安全性和运输经济性的重要参数，它受很多因素的影响，具有很大的不确定性，因此预测较为困难。影响轮胎与路面之间附着性能的主要因素有轮胎结构、路面、环境以及轮胎的工作条件。为提高轮胎与路面之间的附着性能，除应对轮胎和路面进行合理设计外，还应注意道路维护以及轮胎和车辆的正确使用。

参考文献：

[1]庄继德·汽车轮胎学[M]·北京：北京理工大学出版社，1996·200-203·

[2] Sakai H·Theoretical and experimental studies on the dynamics properties of tyres·Part 2：Experimental investigation of rubber friction and deformation of a tyre[J]

[3]彭旭东，谢友柏，郭孔辉·轮胎摩擦学的研究与发展[J]·中国机械工程，2009，10(2)：215-219·

[4]彭旭东，谢友柏，郭孔辉·轮胎摩擦特性和胎面胶性能间关系的研究[J]·润滑与密封，2008(4)：12-15·

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。