工程輪胎各種花紋的力學(xué)原理

1、.輪胎花紋是汽車(chē)直接與路面接觸的部位。除了發(fā)揮承載、滾動(dòng)的功能外，輪胎還要通過(guò)它的花紋塊與路面產(chǎn)生的磨擦力，產(chǎn)生汽車(chē)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向需要的動(dòng)力。以下內(nèi)容闡述輪胎花紋的作用以及影響花紋作用的因素。 一、輪胎花紋的作用 輪胎花紋的主要作用就是增加胎面與路面間的磨擦力，以防止車(chē)輪打滑，這與鞋底部花紋的原理是一樣的。輪胎花紋具有提高胎面接地彈性的性能，在胎面和路面間切向力(如驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力和橫向力)的作用下，花紋塊能相應(yīng)產(chǎn)生較大的切向彈性變形。切向力增加，輪胎的切向變形隨之增大，接觸面的“磨擦作用”也就隨之增強(qiáng)，進(jìn)而阻滯了胎面與路面打滑或打滑趨勢(shì)。這種性能在很大程度上消除了無(wú)花紋(光胎面)輪胎易打滑的

2、弊病，保障與輪胎和路面間磨擦性能有關(guān)的動(dòng)力性、制動(dòng)性、轉(zhuǎn)向操縱性和行駛穩(wěn)定性的正常發(fā)揮。研究表明：產(chǎn)生胎面和路面間磨擦力的因素還包括有該兩面間的粘著效應(yīng)，分子引力效應(yīng)以及路面小尺寸微凸體對(duì)胎面的切削作用等。但是，起主要作用的仍然是花紋塊的彈性變形。 二、影響胎紋作用效果大小的因素很多，但主要的因素是胎紋型式和胎紋深度 1.胎紋型式的影響因素 輪胎花紋型式五花百門(mén)，主要有3種：普通花紋、越野花紋和混合花紋。 (1)普通花紋 普通花紋適合于在硬路面上使用。它分為橫向花紋、縱向花紋和縱橫混合花紋。 a)橫向花紋 這種花紋的特點(diǎn)是胎面橫向連續(xù)，縱向斷開(kāi)，因而胎面橫向剛度大，而縱向剛度小。故輪胎抗滑能力

3、呈現(xiàn)出縱強(qiáng)而橫弱，汽車(chē)以較高速度轉(zhuǎn)向時(shí)，容易側(cè)滑；輪胎滾動(dòng)阻力也比較大，胎面磨損比較嚴(yán)重。這種型式花紋適合于在一般硬路面上、牽引力比較大的中型或重型貨車(chē)使用。 b)縱向花紋 這種花紋共同特點(diǎn)是胎面縱向連續(xù)，橫向斷開(kāi)，因而胎面縱向剛度大，而橫向剛度小，輪胎抗滑能力呈現(xiàn)出橫強(qiáng)而縱弱的特征。這種花紋輪胎的滾動(dòng)阻力較小，散熱性能好，但花紋溝槽易被嵌入碎石子兒。綜合來(lái)看，這種型式花紋適合在比較清潔、良好的硬路面（如城市道路和高速公路）上行駛。例如，轎車(chē)、輕、微型貨車(chē)等多選擇這種胎紋。 c)縱橫混合花紋 這種花紋介于縱向花紋和橫向花紋之間。在胎面中部一般具有曲折形的縱向花紋，而在接近胎肩的兩邊則設(shè)計(jì)有橫向

4、花紋。這樣一來(lái)，胎面的縱橫方向抗滑能力比較好。因此這種型式花紋的輪胎適應(yīng)能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，它既適用于不同的硬路面，也適宜安裝于轎車(chē)和貨車(chē)。 (2) 越野花紋 越野花紋的共同特點(diǎn)是花紋溝槽寬而深，花紋塊接地面積比較小(約40%60%)。在松軟路面上行駛時(shí)，一部分土壤將被嵌入花紋溝槽之中，必須將嵌入花紋溝槽的這一部分土壤剪切之后，輪胎才有可能出現(xiàn)打滑。據(jù)測(cè)試：在泥濘路上，同一車(chē)型的車(chē)輛使用越野花紋的牽引力可達(dá)普通花紋的1.5倍。 越野花紋分為無(wú)向和有向花紋兩種(如圖2)。有向花紋使用時(shí)具有方向性。越野花紋輪胎適合于在崎嶇不平的道路、松軟土路和無(wú)路地區(qū)使用。由于花紋塊的接觸壓力大，滾動(dòng)阻力大，故

5、不適合在良好硬路面上長(zhǎng)時(shí)間行駛。否則，將加重輪胎磨損，增加燃油消耗，汽車(chē)行駛振動(dòng)也比較厲害。 (3) 混合花紋 混合花紋是普通花紋和越野花紋之間的一種過(guò)渡性花紋。其特點(diǎn)是胎面中部具有方向各異或以縱向?yàn)橹鞯恼y溝槽，而在兩側(cè)則以方向各異或以橫向?yàn)橹鞯膶捇y溝槽。這樣的花紋搭配使混合花紋的綜合性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)。它既適應(yīng)于良好的硬路面，也適應(yīng)于碎石路面、雪泥路面和松軟路面，附著性能優(yōu)于普通花紋，但耐磨性能稍遜。目前，一些貨車(chē)和四輪驅(qū)動(dòng)的乘用車(chē)多使用這種型式的花紋輪胎。 2.胎紋深度的影響 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(dòng)阻力也將隨之增加。較深的花紋不利于輪胎散熱

6、，使胎溫上升加快，花紋根部因受力嚴(yán)懲而易撕裂、脫落等?；y過(guò)淺不僅影響其貯水、排水能力，容易產(chǎn)生影響行駛安全的“滑水現(xiàn)象”，并使光胎面輪胎易打滑的弊端凸現(xiàn)出來(lái)，從而使汽車(chē)性能變壞。 因此，胎紋過(guò)深過(guò)淺都不好。胎面在使用中花紋將越變?cè)叫　榱舜_?；y作用的有效性，世界各國(guó)都對(duì)輪胎花紋磨損極限制定了明確的法規(guī)。并在輪胎胎肩沿圓周的若干等份處?？梯喬ツズ臉O限警報(bào)標(biāo)記。當(dāng)花紋塊凸面磨損距離到花紋溝槽底部約1.6mm時(shí)，標(biāo)記處的花紋已被磨平，將顯露出窄橫條狀的光胎面，借此警示駕駛員，該輪胎已到了必須更換的時(shí)候了。二、輪胎花紋設(shè)計(jì)要素目前的汽車(chē)輪胎從表面形狀到整體形狀都有不同，也對(duì)應(yīng)不同的作用。因此，輪胎

7、設(shè)計(jì)有四大要素，即花紋( 表面形狀) 、輪廓( 整體形狀) 、結(jié)構(gòu)和材料。其中花紋設(shè)計(jì)是最復(fù)雜、最難處理的，它要考慮的因素很多。輪胎表面形狀指輪胎胎紋，它決定了輪胎的使用特性，輪胎的抓地力、排水性和噪聲。從輪胎表面花紋膠塊的形狀設(shè)計(jì)，就可以看出它是偏向哪一種作用。是偏向抓地力還是排水性，是否有助于抑制噪聲。如果胎面花紋的膠塊都是大塊的，那么這種輪胎偏重于抓地力; 如果膠塊多且較小并有較多的溝槽，可能偏重于排水; 如果在中線(xiàn)兩側(cè)膠塊花紋適當(dāng)錯(cuò)位，有助于降低噪聲。從胎面花紋膠塊的形狀也可以分析出它的抓地性能。如果膠塊的邊緣做得很尖銳，當(dāng)輪胎在路面上滾動(dòng)時(shí)每個(gè)膠塊就象刀子一樣切入路面，摩擦力會(huì)比邊緣圓滑的膠塊大很多。近年來(lái)，輪胎生產(chǎn)廠(chǎng)也在胎面花紋設(shè)計(jì)上不斷地進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。汽車(chē)工程師們向現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)師借鑒了不對(duì)稱(chēng)的技術(shù)設(shè)計(jì)策略，使得汽車(chē)輪胎內(nèi)外側(cè)的凹槽變?yōu)椴粚?duì)稱(chēng)。新穎凹槽能把輪胎接觸到的水引向汽車(chē)內(nèi)側(cè)，然后再斜著流至車(chē)后，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的凹槽的分布不同: 車(chē)胎外側(cè)凹槽少于內(nèi)側(cè)，而外側(cè)的凸槽明顯多于內(nèi)側(cè)。這種設(shè)計(jì)特別有利于