滾動(dòng)阻力成因分析與影響因素分析

1、6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)、朔性滯后引起的能量損失所占比例很小，

2、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)程的后部點(diǎn)的地面法向反作用力，這樣，地面法向反

3、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T廣Fza，阻礙車(chē)輪滾動(dòng)。（如下圖）a5對(duì)稱(chēng)壓力命掘（瓷運(yùn)動(dòng)b）不時(shí)亦壓力廿布（運(yùn)罰）TF二WfF=-f由此可見(jiàn)，滾動(dòng)阻力的作用形式為ffr。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)阻力的產(chǎn)生來(lái)源。由上可知，汽車(chē)的滾動(dòng)

4、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TF二WfF=-f由滾動(dòng)阻力的作用形式ffr可知，滾動(dòng)阻力主要與滾動(dòng)阻力系數(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)。路面環(huán)境不同路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)不同?？偟膩?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)

5、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。u行駛車(chē)速a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Q(mào)OOkm/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°C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；高速行駛時(shí)，滾動(dòng)阻力近似與車(chē)速成平方關(guān)系。輪胎材料與結(jié)構(gòu)(1) 胎面材

6、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。斜交胎子午胎(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(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

7、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。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，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。驅(qū)

8、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。轉(zhuǎn)向通用公司DFW1100型噸半掛車(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