輪胎與路面之間的摩擦抗滑性能研究

1、    輪胎與路面之間的摩擦抗滑性能研究    陳蔚林 謝華摘要：本文對(duì)橡膠的摩擦、輪胎與路面之間的摩擦特性和附著因數(shù)的含義以及影響輪胎附著性能的因素進(jìn)行了分析。橡膠與路面之間的摩擦因數(shù)受載荷和滑動(dòng)速度的影響，輪胎與路面之間的摩擦因數(shù)包括粘著和滯后兩部分，與輪胎結(jié)構(gòu)、路面狀況和輪胎的工作條件密切相關(guān)。關(guān)鍵詞：輪胎；路面；摩擦；附著1 引言橡膠是汽車輪胎的主要材料，直接與地面接觸，所以研究橡膠的摩擦磨損性能，是關(guān)系汽車安全的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是abs防抱死裝置的理論基礎(chǔ)和操作依據(jù)。汽車行駛、制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)彎時(shí)的唯一外力來源就是從輪胎與路面間的摩擦力獲得的。因此研

2、究輪胎橡膠的力學(xué)行為是意義十分重大的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。由于輪胎的受力狀況復(fù)雜，影響輪胎摩擦力的因素繁多，準(zhǔn)確地把握輪胎的摩擦狀況還有距離，這方面的研究還有待進(jìn)一步深化。本文概括了近年來在輪胎摩擦磨損方面的研究進(jìn)展。2 摩擦的基本特性對(duì)任意兩個(gè)接觸滑動(dòng)固體來說，amnions早在17世紀(jì)就提出了摩擦基本定律：摩擦力與所加載荷成正比，與接觸表觀面積aa無關(guān)。據(jù)此給出的摩擦定律一般形式為：f =w （1）式中f摩擦力；摩擦因數(shù)；w載荷。摩擦因數(shù)可分為靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)，其值不僅取決于摩擦副的材料性能，還取決于摩擦副所處的系統(tǒng)。兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的摩擦力通常包括兩個(gè)分力：粘附力fa和變形或滯后力f

3、h。前者是兩個(gè)對(duì)摩表面分子之間的相互作用力(范德華作用力)，克服粘附力必須施加足夠大的剪切力；后者是對(duì)摩表面粗糙凸體之間的相互嚙合，若要產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，則必須施加足夠大的外力使軟表面產(chǎn)生變形、位移或局部破壞。將fh分成4種形式，即彈性變形、塑性變形、材料基體的剪切和材料表面膜的剪切。區(qū)分材料彈、塑性變形的指標(biāo)是塑性指數(shù)ip，即：ip= (/)1/2e/h(2)式中表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)均方差；微凸體的平均曲率半徑；e材料的彈性模量；h材料的壓痕硬度。3 橡膠的摩擦橡膠是粘彈性材料，不遵從傳統(tǒng)的庫侖摩擦理論。橡膠的摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度之間存在密切的關(guān)系。對(duì)受一定垂直載荷作用的橡膠試樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，隨切向力

4、的增大，橡膠與路面間的摩擦力增大，當(dāng)靜摩擦力達(dá)到最大值后，橡膠開始滑動(dòng)。橡膠試樣的摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線見圖1。圖1橡膠試樣的摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線從圖1可以看出，隨滑動(dòng)速度的增大，摩擦因數(shù)迅速增至最大值，然后緩慢減小，在滑動(dòng)速度很大時(shí)又有所回升。橡膠滑動(dòng)摩擦因數(shù)的最大值大于粘著狀態(tài)的靜摩擦因數(shù)，一般出現(xiàn)在滑動(dòng)速度為0·010·50 m·s-1時(shí)。橡膠的摩擦因數(shù)不僅與滑動(dòng)速度有關(guān)，而且與參與摩擦的材料、接地壓力和摩擦溫度等因素有關(guān)。橡膠與路面之間的摩擦因數(shù)分為粘著和滯后兩部分，粘著分量取決于橡膠和路面的微觀特性，而滯后分量取決于路面的宏觀特性。橡膠的摩

5、擦因數(shù)隨垂直載荷的增大而減小，隨損耗因子的增大而增大，隨溫度的升高而減小。4 輪胎與路面的受力分析4.1 輪胎的受力分析。圖1為汽車以速度v行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪上的受力簡(jiǎn)圖。由于輪胎本身還充有壓縮空氣，具有一定的內(nèi)壓力。這樣，它在內(nèi)、外力、扭矩的作用下，會(huì)產(chǎn)生變形。圖1汽車輪胎的受力由于輪胎的遲滯現(xiàn)象，使法向反力n的作用點(diǎn)向前移動(dòng)了一段距離a。不過，a值并不大，故計(jì)算輪胎與路面的摩擦力和輪廓法向接觸應(yīng)力時(shí)，可將a值的影響略去。輪胎上承載的載荷，使輪胎下面一小部分壓平而形成與路面的輪廓接觸面積ag，壓平量h=r0-rd。當(dāng)h不大時(shí)，輪廓接觸面積呈橢圓形；當(dāng)h較大時(shí)，輪廓接觸面積近似矩形。壓平量可按下式

6、計(jì)算：(3)式中：pw為輪胎內(nèi)充氣壓力，mpa；1，2分別為常數(shù)。要計(jì)算附著系數(shù)，必須首先確定附著力。附著力的大小取決于輪廓法向接觸應(yīng)力。由于路面上微凸體的高度不一致，即輪廓接觸面積上各處的法向應(yīng)力的變化規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜，若要詳細(xì)計(jì)算，公式變得十分復(fù)雜。但從文獻(xiàn)可知，該應(yīng)力取決于輪胎的結(jié)構(gòu)、充氣壓力，但變化不大。因此，我們假定輪廓接觸面積ag內(nèi)，路面與胎面為密接觸狀態(tài)，然后用該接觸面積上的平均法向接觸應(yīng)力來計(jì)算附著系數(shù)。這樣，輪廓法向接觸應(yīng)力為：(4)式中：g為作用在車軸上的徑向載荷。4.2 路面形貌。路面形貌是指路面施工后保留下來的路面幾何形貌，通常以單位面積上的微凸體個(gè)數(shù)，以及微凸體的幾何形狀

7、和高度分布來表征。從下圖可以看出，路面的微凸體形狀近似于球截體。這些球截體位于某一基準(zhǔn)線上且沿高度方向分布。h為微凸體的高度；l為路面取樣長(zhǎng)度圖2 水泥混凝土與瀝青路面的表面輪廓5 結(jié)語輪胎與路面之間的附著因數(shù)是影響汽車行駛安全性和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，它受很多因素的影響，具有很大的不確定性，因此預(yù)測(cè)較為困難。影響輪胎與路面之間附著性能的主要因素有輪胎結(jié)構(gòu)、路面、環(huán)境以及輪胎的工作條件。為提高輪胎與路面之間的附著性能，除應(yīng)對(duì)輪胎和路面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外，還應(yīng)注意道路維護(hù)以及輪胎和車輛的正確使用。參考文獻(xiàn)：1莊繼德·汽車輪胎學(xué)m·北京：北京理工大學(xué)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 tyrej3彭旭東，謝友柏，郭孔輝·輪胎摩擦學(xué)的研究與發(fā)展j·中國機(jī)械工程，2009