滾動阻力成因分析與影響因素分析

1、滾動阻力的成因分析與影響因素分析報告 車輛 1203班 第 2組 汽車在水平道路上等速行駛時受到的道路在行駛方向上的分力稱為滾動阻 力，主要有車輪的彈性變形、 路面變形和車轍摩擦等。 本文主要針對滾動阻力的 成因和影響因素研究分析。一、滾動阻力的成因分析近代摩擦學(xué)關(guān)于滾動摩擦的理論認為： 滾動體在力的推動下滾動， 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)被分為微觀滑動區(qū)和 黏著區(qū)， 在黏著區(qū)內(nèi)只有滾動而無滑動， 微觀滑動區(qū)內(nèi)還存在著滑動， 認為滾動 摩擦阻力由以下四個因素構(gòu)成：彈性滯后、黏著效應(yīng)、微觀滑動、朔性滯后。 但在車輪滾動過程中，熱彈性滯后、黏著效應(yīng)、微觀滑動

2、、朔性滯后引起的 能量損失所占比例很小，因此，主要原因在于彈性滯后。當彈性輪胎在硬路面（混凝土路、瀝青 路）上滾動時，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， 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， 是輪胎變形時做的工不能全部收回。 這種損失 稱為彈性物質(zhì)的遲滯損失。（如右圖） 這種遲滯損失表現(xiàn)為一種阻力偶。 當車輪 不滾動時 , 地面對車輪的法向反作用力的分布是前后對稱的；當車輪滾動時 ,由于彈性遲滯現(xiàn)象 , 處于壓縮過程的前部點

3、的地面 法向反作用力就會大于處于壓縮過程的后部點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稱 , 而使他們的合力 Fz 相對于法線前移一個距離 a,它隨彈性遲滯損失的增大而變大。即滾動時有滾動阻力偶矩 Tf Fz?a, 阻礙車 輪滾動。（如下圖）TfFf Wf Ff f 由此可見，滾動阻力的作用形式為 r 。另一方面， 當輪胎在松軟的路面上滾動時， 輪胎的變形很小， 主要是路面下 凹變形，在車輪前方實際形成了具有一定坡度的斜面， 對車輪前進產(chǎn)生阻力。 還 有車輪軸承內(nèi)部也存在著磨擦， 這些磨擦和變形都要損耗發(fā)動機的動力， 從而形 成了汽車行駛中的滾動阻力。 車輪行駛在不平路面上

4、時， 引起車身振蕩、 減振器 壓縮和伸長時做功，也是滾動阻力的產(chǎn)生來源。由上可知， 汽車的滾動阻力主要是由輪胎和路面的變形引起的， 而輪胎和支 撐面的相對剛度決定了變形的特點。二、滾動阻力影響因素分析TfFf Wf Ff f由滾動阻力的作用形式 r 可知，滾動阻力主要與滾動阻力 系數(shù)有關(guān)，試驗可知，滾動阻力系數(shù)主要與以下因素有關(guān)。2.1 路面環(huán)境不同路面的滾動阻力系數(shù)不同。 總的來說，路面狀況越良好， 摩擦因數(shù)越小， 滾動阻力越小。柔性路面（土路、草地、沙土、雪地）比硬性路面滾動阻力大。因為還需要 克服附加滾動阻力， 具體包括接觸面材料被壓縮和移動行程的車轍阻力和車轍與 輪胎之間的摩擦力。壓緊

5、路面的干燥路面的滾動阻力比積水路面的滾動阻力小。 因為在積水硬路 面運動的車輪與路面之間存在三個區(qū)域： 水膜區(qū)、 過渡區(qū)和接觸區(qū)。 在過渡區(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，增大了滾動阻力。2.2 行駛車速 ua對轎車輪胎試驗發(fā)現(xiàn)， 車速低于 100km/h，滾動阻力逐漸增加， 但變化不大； 當車速超過 140km/h 時，滾動阻力增加很快；當車速達到臨界車速（ 200km/h）， 滾動阻力迅速增加，此時，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，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

6、出現(xiàn)爆 胎。更進一步研究發(fā)現(xiàn)， 在一車速實驗范圍內(nèi)， 低速行駛時， 滾動阻力近似與車 速成線性關(guān)系；高速行駛時，滾動阻力近似與車速成平方關(guān)系。2.3 輪胎材料與結(jié)構(gòu)（1）胎面材料：胎面材料的選用對輪胎滾動阻力影響較大，其滯后損失占整 個輪胎的 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， 均可降低輪胎滾動阻力。阻力的僅次于胎面材料的第二大因素。斜交胎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右。（如右圖為斜交與子午接地部收縮比較）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)生脹縮運動，因而輪胎的滯后

7、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，所以滾動阻力也更低。一般來講，子 午胎的滾動阻力大約相當于斜交胎的 2/3 左（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， 其滾動阻力有明顯差異。 芳綸簾線輪胎滾動阻力最低， DSP 聚酯簾線輪 胎的滾動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：輪胎扁平比對滾動阻力也產(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，滾動阻力減少。（5）無內(nèi)胎化的結(jié)構(gòu)變化也可有效降低滾動阻力。2.4 氣壓據(jù)德國奧迪試驗表明，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

8、輪胎的適用壽命。但是，輪胎充氣壓力不可過高，否則就會降低輪 胎壽命和增加道路早期損壞。因為隨著充氣壓力的增大， 輪胎的剛度增大， 在輪胎滾動過程中， 其整體變 形減小，由此產(chǎn)生的滯后損失減小，從而降低了滾動阻力。2.5 驅(qū)動力驅(qū)動輪的輪胎大于從動輪的滾動阻力。 因為在驅(qū)動力矩作用下，胎面與接觸地面存在一定的滑動，增加能量損耗。 而且，驅(qū)動力越大，滾動阻力系數(shù)越大。2.6 轉(zhuǎn)向通用公司DFW110型0 34.5噸半掛車汽車在半徑 33m的圓周行駛試驗表明， 轉(zhuǎn)彎 行駛的滾動阻力比直線行駛時增加 50%100%。因為轉(zhuǎn)彎或變更車道行駛時，輪胎發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，車輪受到側(cè)向力的作用， 使車輪運動方向不垂直其軸線而是車輪平面與運動方向成某一角度，即側(cè)偏角， 此時，滾動阻力將增加側(cè)向力在行駛方向的分力， 即附加滾動阻力。 但一般的動 力性分析中常不考慮轉(zhuǎn)彎增加的阻力。參考文獻1 郭建廷 . 滾動摩擦力的產(chǎn)生機理及其計算 J. 潤滑與密封 .1988-012 何燕，張忠富 . 輪胎滾動阻力影響因素及測試方法 J. 輪胎工 業(yè).2