輪胎的摩擦現象分析與研究

周榮浩 韓藝博

摘 要：輪胎摩擦是生活中非常普遍的現象，摩擦過程中涉及到多種物質間的物理作用。人員在進行理論學習時，多分析木頭、金屬等固體的摩擦理論，但在實際中輪胎這類彈性體出現的摩擦現象更為常見。本文從分析輪胎的摩擦機理入手，重點探討幾個常見的輪胎摩擦現象，旨在深入研究輪胎的摩擦理論，進一步完善理論依據。

關鍵詞：輪胎 摩擦現象 分析研究

中圖分類號：G632.0 文獻標識碼：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理

與其他大多數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。因為輪胎的材質屬于低彈性模量的粘彈體，不同于其他材質，該種類型的材料在很寬的頻域范圍里始終具有內摩擦，并且力度很高。這就導致了現實中的接觸面積與接觸壓力不能通過線性相關公式將兩者有規律地表示出來。并且，普通狀態下，產生摩擦阻力的主要原因是橡膠輪胎內摩擦，其影響甚至高過界面之間能量損耗因素的影響。輪胎與路面之間產生摩擦的機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成部分

前文已經闡明，橡膠屬于彈性體。在承受較大的外力作用時，橡膠就不會保持一直平整的狀態。在剛性表面的微凸體附近，會分散數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會發生不易察覺的塑性變形，致使二者表面發生粘合。摩擦力的粘著分量通常以剪斷輪胎與路面之間粘合點所需的力的大小來衡量。因為輪胎與路面的粘合作用產生的摩擦力大小與所受外力大小、二者接觸面積等有關。

1.3 橡膠輪胎的彈性變形產生摩擦

車輛行駛經過路面較大向上凸起部分后回到正常路面的過程反復，會使得輪胎表面反復產生彈性變形。除此之外，輪胎表面紋路的作用力也會使輪胎出現彈性變形的現象。因為橡膠內摩擦會不可避免地損耗掉一些機械能，導致橡膠恢復原形所需的力總是比產生彈性形變的力小，由此恢復力與產生形變的應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象。因此，我們可以發現，路面支撐行駛于其上的輪胎的作用點并不正對著車軸下方，而是在靠前一點的地方，由此產生阻礙輪胎轉動的力。

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。切向力會進一步對輪胎表面產生微切削作用，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象分析

實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。多數人認為輪胎表面的花紋是為了增加粗糙度而設計的，其實這種理解并不全面。因為輪胎花紋尺寸與路面上的微凸體的大小相距甚遠，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將泥沙排出，防止車輪與路面摩擦不夠出現滑行。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剪切力時，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賽車輪胎的材質而言，其摩擦系數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，進而保證賽車高速漂移轉彎時輪胎不易變形的同時產生足夠大的摩擦力，防止側翻車。當然，輪胎表面積過大也有缺陷，如加重賽車轉向負擔、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要求，保證輪胎表面面積足夠是必需的。另外，F1賽車輪胎的工作溫度在100℃左右。因為高溫可以軟化胎面，加快輪胎與賽道界面上物質的擴散速度，從而增加實際接觸面積，提升輪胎與路面之間的摩擦力，使賽車牢牢“粘”在賽道上。

2.3 冰雪路面上輪胎的摩擦現象

經常聽見雪天慢行防滑的提醒，因為雪地里剎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的輪胎形變量，因而增強輪胎附著力。與此同時，產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性。

2.4 防抱死系統應用的輪胎摩擦原理

防抱死系統的主要作用是在車輛制動時，將輪胎與地面的滑動摩擦盡量轉化為靜摩擦。制動系統在輪胎上施加的制動力十分接近最大靜摩擦力，最大靜摩擦力比滑動摩擦力略高就可縮短制動距離。

但要注意的是，防抱死制動系統對于縮短制動距離的效果并不是很顯著。在泥沙路面上，不具有防抱死制動系統的車輛在制動時，輪胎轉速急劇下降，當制動力比輪胎與路面的摩擦力大時，車輪抱死，輪胎與地面就會發生滑動摩擦。防抱死系統的出現可使車輛在緊急情況時存在躲避障礙的條件，還可防止輪胎在滑動摩擦中過度損耗，延長其使用壽命。

3 輪胎摩擦現象的研究重點

在過去，對于橡膠粘著、干摩擦及滾動接觸力學的研究已經比較到位，但在實際應用中所起作用并不是很明顯。切實從解決生活實際問題出發，對干燥路面摩擦學彈性問題建立起科學實用的熱模型應用于輪胎摩擦研究中是必要的。除此之外，關于如何克服冰雪路面上具有強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、追尾也是研究重點。可嘗試建立輪胎表面撓性參數相關的模型，為優化輪胎結構奠定基礎。

4 結語

對于輪胎摩擦現象的分析研究應該在建立在已取得的成果之上，從解決實際問題角度出發，開展深入研究。雖然輪胎摩擦現象在生活中隨處可見，但由于其中涉及到的物質間相互作用過程比較復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理研究透徹，從常見輪胎與路面摩擦現象入手，把握好未來研究重點，為提升輪胎性能、進一步保障司機行車安全奠定基礎。

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