滾動(dòng)阻力成因分析與影響因素分析

1、.滾動(dòng)阻力的成因分析與影響因素分析報(bào)告車(chē)輛 1203 班 第 2 組汽車(chē)在水平道路上等速行駛時(shí)受到的道路在行駛方向上的分力稱(chēng)為滾動(dòng)阻力，主要有車(chē)輪的彈性變形、 路面變形和車(chē)轍摩擦等。 本文主要針對(duì)滾動(dòng)阻力的成因和影響因素研究分析。一、滾動(dòng)阻力的成因分析近代摩擦學(xué)關(guān)于滾動(dòng)摩擦的理論認(rèn)為： 滾動(dòng)體在力的推動(dòng)下滾動(dòng)， 在赫茲接觸區(qū)內(nèi)除存在赫茲正壓力外， 還存在切向力， 從而使接觸區(qū)被分為微觀滑動(dòng)區(qū)和黏著區(qū)，在黏著區(qū)內(nèi)只有滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)， 微觀滑動(dòng)區(qū)內(nèi)還存在著滑動(dòng)， 認(rèn)為滾動(dòng)摩擦阻力由以下四個(gè)因素構(gòu)成：彈性滯后、黏著效應(yīng)、微觀滑動(dòng)、朔性滯后。但在車(chē)輪滾動(dòng)過(guò)程中，熱彈性滯后、黏著效應(yīng)、微觀滑動(dòng)、朔性滯后引

2、起的能量損失所占比例很小，因此，主要原因在于彈性滯后。當(dāng)彈性輪胎在硬路面（混凝土路、瀝青路）上滾動(dòng)時(shí)，輪胎的變形是主要的。由于彈性材料的粘彈性性能， 彈性輪胎在硬支撐路面上行駛時(shí)，加載變形曲線和卸載變形曲線不重合導(dǎo)致能量損失， 此能量系損耗在輪胎各部分組成相互間的摩擦以及橡膠、棉線等物質(zhì)間的分子間摩擦，最后轉(zhuǎn)化為熱能消失在空氣中，是輪胎變形時(shí)做的工不能全部收回。這種損失稱(chēng)為彈性物質(zhì)的遲滯損失。（如右圖）這種遲滯損失表現(xiàn)為一種阻力偶。當(dāng)車(chē)輪不滾動(dòng)時(shí) , 地面對(duì)車(chē)輪的法向反作用力的分布是前后對(duì)稱(chēng)的；當(dāng)車(chē)輪滾動(dòng)時(shí) , 由于彈性遲滯現(xiàn)象 , 處于壓縮過(guò)程的前部點(diǎn)的地面法向反作用力就會(huì)大于處于壓縮過(guò)程的

3、后部點(diǎn)的地面法向反作用力, 這樣 , 地面法向反作用力的分布前后不對(duì)稱(chēng), 而使他們的合力 Fz 相對(duì)于法線前移一個(gè)距離a,它隨彈性遲滯損失的增大而變大。即滾動(dòng)時(shí)有滾動(dòng)阻力偶矩 Tf Fz ?a , 阻礙車(chē)輪滾動(dòng)。（如下圖）.FfTfWf Ff由此可見(jiàn)，滾動(dòng)阻力的作用形式為r 。另一方面，當(dāng)輪胎在松軟的路面上滾動(dòng)時(shí)， 輪胎的變形很小， 主要是路面下凹變形，在車(chē)輪前方實(shí)際形成了具有一定坡度的斜面， 對(duì)車(chē)輪前進(jìn)產(chǎn)生阻力。 還有車(chē)輪軸承內(nèi)部也存在著磨擦， 這些磨擦和變形都要損耗發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力， 從而形成了汽車(chē)行駛中的滾動(dòng)阻力。 車(chē)輪行駛在不平路面上時(shí)， 引起車(chē)身振蕩、 減振器壓縮和伸長(zhǎng)時(shí)做功，也是滾動(dòng)阻

4、力的產(chǎn)生來(lái)源。由上可知，汽車(chē)的滾動(dòng)阻力主要是由輪胎和路面的變形引起的， 而輪胎和支撐面的相對(duì)剛度決定了變形的特點(diǎn)。二、滾動(dòng)阻力影響因素分析FfWf FfTfr 可知，滾動(dòng)阻力主要與滾動(dòng)阻力由滾動(dòng)阻力的作用形式系數(shù)有關(guān)，試驗(yàn)可知，滾動(dòng)阻力系數(shù)主要與以下因素有關(guān)。2.1路面環(huán)境不同路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)不同。 總的來(lái)說(shuō)，路面狀況越良好，摩擦因數(shù)越小，滾動(dòng)阻力越小。柔性路面（土路、草地、沙土、雪地）比硬性路面滾動(dòng)阻力大。因?yàn)檫€需要克服附加滾動(dòng)阻力， 具體包括接觸面材料被壓縮和移動(dòng)行程的車(chē)轍阻力和車(chē)轍與輪胎之間的摩擦力。壓緊路面的干燥路面的滾動(dòng)阻力比積水路面的滾動(dòng)阻力小。 因?yàn)樵诜e水硬路面運(yùn)動(dòng)的車(chē)輪與路面

5、之間存在三個(gè)區(qū)域： 水膜區(qū)、過(guò)渡區(qū)和接觸區(qū)。 在過(guò)渡區(qū)輪胎已有變形，與道路有局部接觸，而在接觸區(qū)輪胎與路面之間才完全接觸傳遞力，輪胎排擠水層就形成了排水阻力，增大了滾動(dòng)阻力。2.2行駛車(chē)速 ua對(duì)轎車(chē)輪胎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 車(chē)速低于 100km/h，滾動(dòng)阻力逐漸增加， 但變化不大；當(dāng)車(chē)速超過(guò) 140km/h 時(shí)，滾動(dòng)阻力增加很快；當(dāng)車(chē)速達(dá)到臨界車(chē)速（ 200km/h），滾動(dòng)阻力迅速增加，此時(shí)，輪胎發(fā)生駐波現(xiàn)象，輪胎輪緣呈現(xiàn)明顯的波浪狀。同時(shí)，輪胎溫度也很快增加 100以上，胎面與簾布層脫落，數(shù)分鐘后就會(huì)出現(xiàn)爆胎。更進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， 在一車(chē)速實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)， 低速行駛時(shí)， 滾動(dòng)阻力近似與車(chē)速成線性關(guān)系；高速

6、行駛時(shí)，滾動(dòng)阻力近似與車(chē)速成平方關(guān)系。2.3輪胎材料與結(jié)構(gòu)（ 1）胎面材料：胎面材料的選用對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力影響較大，其滯后損失占整個(gè)輪胎的 50%甚至更多。在胎面膠中合理使用 BR、S-SBR、白炭黑和高芳烴油，均可降低輪胎滾動(dòng)阻力。.（ 2）簾線排列形式（斜交結(jié)構(gòu)與子午結(jié)構(gòu)）：輪胎簾線排列形式是影響滾動(dòng)阻力的僅次于胎面材料的第二大因素。斜交胎與子午胎比較，子午胎由于有帶束層緊箍胎體，不僅胎面部分的變形很小，而且胎體也幾乎不發(fā)生脹縮運(yùn)動(dòng)，因而輪胎的滯后損失非常校尤其是載重子午胎的胎體要使用鋼簾線，滯后損失更小，所以滾動(dòng)阻力也更低。一般來(lái)講，子午胎的滾動(dòng)阻力大約相當(dāng)于斜交胎的2/3左右。（如右圖為

7、斜交與子午接地部收縮比較）（3）簾纖材料：輪胎的同一規(guī)格的輪胎使用不同的纖維簾線材料， 其滾動(dòng)阻力有明顯差異。芳綸簾線輪胎滾動(dòng)阻力最低，DSP 聚酯簾線輪胎的滾動(dòng)阻力介于芳綸簾線輪胎和普通聚酯簾線輪胎之間。（4）扁平比：輪胎扁平比對(duì)滾動(dòng)阻力也產(chǎn)生一定的影響。通常，扁平比越小則輪胎的剛性越大，也越難下沉，滯后損失也相應(yīng)變低，滾動(dòng)阻力減少。（5）無(wú)內(nèi)胎化的結(jié)構(gòu)變化也可有效降低滾動(dòng)阻力。2.4氣壓據(jù)德國(guó)奧迪試驗(yàn)表明，輪胎氣壓比規(guī)定壓力增加 10，可有較好的節(jié)油效果，且不降低輪胎的適用壽命。但是，輪胎充氣壓力不可過(guò)高，否則就會(huì)降低輪胎壽命和增加道路早期損壞。因?yàn)殡S著充氣壓力的增大， 輪胎的剛度增大，

8、在輪胎滾動(dòng)過(guò)程中， 其整體變形減小，由此產(chǎn)生的滯后損失減小，從而降低了滾動(dòng)阻力。2.5驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輪的輪胎大于從動(dòng)輪的滾動(dòng)阻力。因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)力矩作用下，胎面與接觸地面存在一定的滑動(dòng)，增加能量損耗。而且，驅(qū)動(dòng)力越大，滾動(dòng)阻力系數(shù)越大。2.6轉(zhuǎn)向通用公司 DFW1100型34.5 噸半掛車(chē)汽車(chē)在半徑 33m的圓周行駛試驗(yàn)表明， 轉(zhuǎn)彎行駛的滾動(dòng)阻力比直線行駛時(shí)增加 50%100%。因?yàn)檗D(zhuǎn)彎或變更車(chē)道行駛時(shí)，輪胎發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，車(chē)輪受到側(cè)向力的作用，使車(chē)輪運(yùn)動(dòng)方向不垂直其軸線而是車(chē)輪平面與運(yùn)動(dòng)方向成某一角度，即側(cè)偏角，此時(shí)，滾動(dòng)阻力將增加側(cè)向力在行駛方向的分力，即附加滾動(dòng)阻力。 但一般的動(dòng)力性分析中常不考慮轉(zhuǎn)彎增加的阻力。參考文獻(xiàn)1 郭建廷 . 滾動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生機(jī)理及其計(jì)算 J. 潤(rùn)滑與密封 .1988-012 何燕，張忠富 . 輪胎滾動(dòng)阻力影響因素及測(cè)試方法 J. 輪胎工業(yè) .2004-04-