彈簧輪模分析汽車滾動阻力

周 成，鄒 帆，謝秋敏，毛艷麗，張軍濤

（湖南工學院 機械工程學院，湖南 衡陽 421002）

汽車動力性決定于汽車的驅動力和行駛阻力的相互作用。而汽車的行駛阻力包括：滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力以及加速阻力。文章針對教學課堂中，學生對汽車滾動阻力的產生理解困難，故引入彈簧輪胎模型來解析滾動阻力的產生等問題。

1 遲滯損失

汽車輪胎滾動時，輪胎與路面的接觸區域會產生法向、切向的相互作用力以及輪胎和支撐路面的變形。當彈性輪胎在硬路面上滾動時，輪胎的變形是主要的。汽車輪胎在加載變形時所消耗的能量在卸載恢復時不能完全收回，一部分能量消耗在輪胎內部摩擦損失上，產生熱量，這種損失稱為輪胎的遲滯損失。這部分熱量主要是輪胎內部結構的束帶層、簾布層、和胎體層之間的摩擦產生的。輪胎內部各層之間關系如圖1所示。

圖1 輪胎基本結構

此外輪胎花紋形狀也影響輪胎的遲滯損失，輪胎滾動時花紋愈深，則花紋塊接地彈性變形量愈大，由輪胎彈性遲滯損失形成的滾動阻力也將隨之增加。

2 彈簧輪模分析

把汽車輪胎理想化成彈簧輪周圍分布著一個個小彈簧和減振器。如圖2所示，車輪滾動過程中，各個彈簧反復交替經歷壓縮過程和伸展過程，在壓縮過程和伸展過程中，需克服減振器阻尼的作用而消耗阻尼功，該克服阻尼做功的過程表現為車輪的滾動阻力。圖2中直觀可知，輪胎在接觸和離開地面的過程中，需要克服阻尼做功，這部分功就是所說的輪胎內部結構摩擦生熱。

圖2 彈簧輪模

由輪胎的遲滯損失圖（如圖3所示）看，在輪胎徑向變形相同的情況下，地面作用在加載變形區的法向反力FZd大于卸載變形區的法向反力FZd'。因此，導致地面對汽車輪胎支持力Fz不通過輪心，而是左移，如圖4所示。圖中W為汽車重力，Fz為支持力，W為汽車重力，Fp1為驅動力，Fx1為汽車對地面的摩擦力。因此，可把地面對車輪的支持力同等于通過車輪輪心的支持力和順時針力矩Fz*a即Fz垣Fz*a，Fz*a即汽車的滾動阻力。

圖3 輪胎加載區和卸載區域受力情況（左）

圖4 地面對車輪的支持力左移（右）

3 結語

（1）通過彈簧輪模，可以更直觀地分析汽車的遲滯損失，讓學生能夠更簡單了解汽車的滾動阻力產生。

（2）通過彈簧輪模分析，為汽車滾動阻力的定量分析提供方向。

參考文獻

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