轮胎摩擦特性的探讨_于清溪

2013年 第39卷
于清溪·轮胎摩擦特性的探讨
动状态下发生的现象，因而橡胶的动态活动愈 广，摩擦力也就愈大。一般来讲，橡胶对固体 的附着力、粘着力越高，摩擦力也越大。当橡 胶在凹凸的固体上滑动时，必然要引起连续的 变形与复原，这种由于滞后损失而产生的能量 损失就成为摩擦阻力。滞后损失大的橡胶，即 发热高的橡胶，因变形大而使摩擦力增大。但 这种摩擦力比粘着力产生的摩擦力要小。在负 荷状态下，轮胎对路面因表面收缩力而产生的 摩擦力（粘着力、滞后损失摩擦力）详见图1。
1 轮胎摩擦的特点
1.1 轮胎摩擦机理
轮胎是以胎面与路面为接点，以接地面作 为接触力而发挥运动功能。然而，这种由橡胶 与固体之间相互摩擦为基础的轮胎-路面间的抓 着机理，众说纷纭，迄今仍为轮胎特性中议论 最多的课题。
1.1.1 橡胶与固体的摩擦
橡胶是伸缩变形很大而又极易恢复的材 料，在负荷下可以达到接触面积的几倍。因 之，橡胶的摩擦主要起因于以下三个方面：
求出。
（7）
改变滑动率对其进行计算，取横轴滑动 率、纵轴Fx或将其以负荷Fx所除的值（制动力 系数μ）进行整理，即可得到S-μ曲线。图8为n 次曲线刷子模型。图9为计算例，即S-μ曲线的 预测结果与构成因素。
通常，由于在轮胎的肩端部和中央部不仅 接地长，而且接地压和花纹块的刚性也各异，
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（1）橡胶与固体之间的粘着力（即分子层 间的摩擦力）；
（2）橡胶滞后损失（即橡胶因变形而产生 的摩擦力）；
（3）橡胶的凝聚力（橡胶对自身破坏的抵 抗力）。
三者之中前两种的粘着力和摩擦力往往是 同时发生，共同形成轮胎的摩擦力。第三种的 凝聚力，主要发生在特种场合，在常规的行驶 之中一般可以忽略不计。
所谓的粘着力是指橡胶附着在固体上，在 剪切力开始作用到离开前的一瞬间，橡胶与固 体相对不动，无滑移状态下的最大值。对滞后 损失的摩擦力则着眼于橡胶变形与恢复中在滑
并的变形。当前后力Fx作用于轮胎上时的踏面 移 动 量 x 为 并 进 移 动 量 x a和 旋 转 移 动 量 x b之 和 时，则x可用式（8）来表示：
（8）
式（8）中，r为负荷半径，kx为胎体周向基 本 刚 性 ， k r为 轮 胎 半 径 方 向 的 基 本 刚 性 。 由 于 这种移动，当环向接地压分布在踏下时开始上 升，而跳起侧则反之下降。它们的前进变形与 旋转变形情况，见图13；制动时的接地压波形 变化，见图14。
抓着力等轮胎摩擦特性；介绍了轮胎水浮现象及预测方法，雪地轮胎和水上轮胎的摩擦滑动性能及预测方法；总结了提高轮胎
抗湿滑性的措施等。
关键词：轮胎；摩擦；机理；抗湿滑性；措施
中图分类号：TQ336.1
文章编号：1009-797X(2013)03-0008-13
文献标识码：A
编者按： 从2012年11月起，以欧美日相继试行汽车轮胎环保节能法规、实行轮胎标签制为
在粗糙路面上的宏观滞后摩擦力fH为： （11）
式（11）中，KH为比例系数，G'为弹性系 数，η为：
图10 滑动中的花纹块变形状态 他们从大的方面，一般可以见到两个特 征：一是在力的出侧附近边缘出现凸起；二是 在力的入侧之处发生凹陷。因为这两者皆会使 接地面积减少，从而造成接地压分布不均而成 为促使μ下降的因素。 对于凸起变形，通常可用能量定律的花纹 块在磨耗中的弯曲变形来加以说明，主要是由
·11·
图1 轮胎对路面因收缩而产生的摩擦力
1.1.2 轮胎胎面接地面的动态行为
轮胎胎面橡胶的运动状况极为复杂，在其 接地部分的滑动方向和摩擦力要发生形形色色 的变化。简而言之，可分为周方向和断面方向 两种运动行为。当轮胎压向路面时，其断面方 向要发生收缩，尤其以斜交胎为最大。对子午 胎来说，由于带束层的箍紧效果，接地面仅有 微小的收缩，且周方向也不大。由此可以看 出，子午胎远比斜交胎更易获得大的抓着力。 雪地轮胎和砂路轮胎就是利用这种收缩原理， 将花纹沟中的雪、砂等物挤压加固，在雪砂之 间产生剪切力，由于摩擦而获得抓着力。
滑动比=1-
（1）
将上式以百分率表示即为滑动率，以之显
示胎面对接地面路面的滑动程度。
准确的说：
滑动比=1-R0ω /V
（2）
R 0为 轮 胎 的 负 荷 半 径 ， ω 为 轮 胎 旋 转 角 速
度，V为轮胎前进速度。
（2）在驱动时，同制动时的情况正好相
反，即：
滑动比=1-
（3）
滑动比=1-V/R0ω
图13 并进变形与旋转变形
图11 AC花纹块
图12 花纹块边缘损耗外观
1.4 胎体的变形
前面已经对花纹块的单体进行了重点论 述，然而在实际上，胎面的花纹块不过是配置 在胎体上的一个部件，并且深受胎体环状反复 变形的影响。当轮胎的制动力发生作用时，这 种环状变形要出现“并进”变形和“旋转”变形合
·12·
关于胎面周方向接地面的运动行为，通常 可概括为以下三种情况：
一为在旋转滚动中的轮胎。主要是接地面 前半部发生的摩擦向轮胎后方推压，后半部又 向前方推压，两者之差即成为滚动阻力。如上 所述，由外力推动旋转的轮胎，其接地面的滑 动方向、滑动量以及各部位摩擦力的概念图， 详见图2。
二为施加制动力时的轮胎。当轮胎施以制 动力矩之时，接地面的滑动形式也跟着出现不 同的变化。由于在制动时接地面的前进方向发
轮胎虽然于干燥路面上表现出良好的摩擦 力，然而在湿路状态下，如行驶在水湿和冰雪 的道路上则使摩擦力大幅下降，要出现严重的 打滑现象。为此，常常造成汽车驱动和制动的 困难，尤其是高速行驶时还会发生严重的交通 事故。因此，抗湿滑问题现已作为高性能轮胎 的三大基本特性（耐磨耗、抗湿滑、低滚动阻 力）的重要项目之一，引起轮胎技术业界人士 的广泛关注和研究。
（6）
式 （ 6 ） 中 ， C x为 驾 驶 稳 定 性 ， s 为 滑 动
率。接地之后力能逐渐增大，待达到最大静
止摩擦力时开始滑动。此时即出现向滑动摩擦
（滑动摩擦系数μd）移动。在某一滑动率中， 轮 胎 发 生 的 力 F x即 可 以 粘 着 摩 擦 力 F xadh和 滑 动 摩 擦 力 F xslip为 基 础 加 以 求 得 。 对 于 各 个 摩 擦 力，可将踏面内的下沉和跳起发生的量以积分
图4 施加驱动力时轮胎接地面的滑动摩擦力
·10·
图6 一般显示的摩擦力与滑动率的关系
第39卷 第3期
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图7 实际刹车时摩擦力与滑动率的关系
线（S-μ特性）来表现。如前所述，橡胶的摩 擦一般可分为粘着摩擦与滑动摩擦两大类型。 因此，如能采用两者的刷子模型，即可简易 求出S-μ的特性。
图8 n次曲线刷子模型
图9 S-μ曲线预测结果与构成因素 因此，还要把这些因素考虑进去后对花纹块 进行S-μ特性计算，两者合并起来才能接近实 际。另外，还有滑动摩擦系数依赖于速度，因 而也应加以考虑。
1.3 胎面花纹块的变形
在上面，虽然想尽一切办法从宏观角度用 胎面花纹块的刚性论述了μ，然而当制动力发挥 时，花纹块还是显示如图10样的变形特征。
（4）Leabharlann 滑动率与摩擦力或摩擦系数（以负荷除摩
擦力）的关系，一般可采用拖车牵引轮胎行驶
的方法进行试验，详见图5。
图3 施加制动力时轮胎接地面的滑动摩擦力
三为施加驱动力时的轮胎。对于施加驱动 力轮胎的接地面上的滑动与摩擦力可视为同制 动力轮胎刚好相反的情况来考虑，其概念图详 见图4。
1.1.3 滑动率与摩擦力
橡塑技术与装备
CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT
轮胎摩擦特性的探讨
Discussion of friction characteristics of tires
于清溪 （原化工部橡胶司，北京 100013）
摘要：概述了轮胎摩擦机理、刷子模型与S-μ特性、胎面花纹块的变形、胎体的变形、路面性状的影响以及轮胎与路面的
在平滑路面的粘着摩擦及微观滞后摩擦力fA 为：
（9）
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其 中 ， K A表 示 比 例 系 数 ， G " 表 示 损 失 因 子，P为接地压，Φ以式（10），表示：
（10）
n0为胎面表面可能接触的点数，其中实际与 路面接触的数量以n表示。亦即Φ为同实际面积 成比例的量。因而，接触面积越多，接地压越 低，fA的值也就越大。
图14 制动时的接地压波形变化
当接地区域向后方散开的同时，由于接地 中心的负荷中心也相对向后方散开，使接地前 半部的接地压提升，而后半部低下。如接地的 后半部，即跳起侧接地压低下时，从刷子模型 上即可明显看出，粘着区域缩短和滑动区域延 长，峰值μ下降。
1.5 路面性状的影响
上面所讲的是轮胎在理想平滑路面上的摩 擦情况。可是轮胎实际使用的路面远非如此， 而是处于从小到大的各种复杂的粗糙和不平状 态，从而表示橡胶摩擦力同路面性状及负荷的 关系也要加以补充说明。
关于凹陷变形，则是由于是胎面表面附近 的花纹块侧壁因踏面接地造成局部弯曲而发生 的一种行为。为了控制这种情况的出现，可将 边缘制成圆状（见图11）或锥形，使其能象侧 壁作用于控制接地面时弯曲变形那样，也是一 种颇为有效的方法。当凹陷变形大时，花纹块 的侧面可象图12那样出现中途半端磨损情况， 能显著阻碍花纹块表面接地。
标志，世界轮胎工业已进入绿色产业化的新时期。为此，我刊特邀于清溪专家编写了 关于轮胎特性的探讨一些文章，陆续发表，鼎力助推我国轮胎工业早日实现轮胎的绿 色化工程，以飨读者并感谢对本刊及作者的热忱支持与激励。
本系列文章共包括如下几个方面内容：
①轮胎的绿色特性与发展；②轮胎滚动阻力特性的探讨；③轮胎摩擦特性（抗湿 滑性）的探讨；④轮胎噪声（静音）特性的探讨；⑤轮胎耐磨耗性的探讨；⑥轮胎耐 久性（疲劳生热）的探讨。