汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力研究

鄭承宇

摘 要：汽車在行駛期間輪胎和粗糙的地面相互接觸，定會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力，站在物理學(xué)的角度解釋摩擦力時(shí)，人們?nèi)菀紫萑氲侥骋徽`區(qū)中，例如：一些人認(rèn)為行駛中的汽車和地面接觸后產(chǎn)生的摩擦力，是受到輪胎與地面接觸的面積影響，如果輪胎的內(nèi)部氣體缺失，汽車向前行駛則需要更大力去驅(qū)動(dòng)，需要更多的汽油作為支撐，進(jìn)而把這種摩擦歸類于滑動(dòng)性摩擦。為了更好的驗(yàn)證汽車在行駛期間和地面摩擦力的聯(lián)系，本文就汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力這一論點(diǎn)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車行駛；輪胎；摩擦；研究

中圖分類號(hào)：G634.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0204-02

依據(jù)摩擦力的產(chǎn)生條件差異性，可以把摩擦力劃分為三個(gè)不同類型：滾動(dòng)摩擦、靜摩擦、滑動(dòng)摩擦這三大類?，F(xiàn)階段，對(duì)于滑動(dòng)摩擦力研究較多，并納入高校教學(xué)教材中，因此滑動(dòng)摩擦介紹相對(duì)豐富些，但如果站在應(yīng)用性角度來說，滾動(dòng)摩擦更具應(yīng)用價(jià)值，在現(xiàn)實(shí)生活中被大力應(yīng)用，如：在機(jī)動(dòng)車的駕駛期間，輪胎受到的阻力主要為滾動(dòng)摩擦力。目前來看，滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦力，人們?cè)趯?shí)際研究中存在一些誤解。

1 輪胎的作用和發(fā)展

1.1 輪胎的作用

輪胎是汽車和道路之間一個(gè)圓形結(jié)構(gòu)、是具有彈性的連接體，是汽車在道路中行駛的結(jié)構(gòu)，影響著汽車的行駛。輪胎發(fā)揮的作用是十分重要的，輪胎承載著汽車與其所負(fù)載的重量，可以向地面區(qū)傳遞汽車的剎車、轉(zhuǎn)向、牽引、駛動(dòng)等作用力，如：制動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)向力、牽引力等。在汽車駕駛期間不管是車的啟動(dòng)加速還是停車制動(dòng)、亦或是彎道駕駛，均是利用輪胎和地面的摩擦，發(fā)揮摩擦力的作用而實(shí)現(xiàn)，懸架和輪胎相互緩和沖擊，確保車輛駕駛期間的動(dòng)力性、平順性和舒適性。

1.2 輪胎的發(fā)展

輪胎的發(fā)明和應(yīng)用研究約有100多年的歷史，Robert William Thomson在1845年首次發(fā)明出充氣輪胎，以此來緩沖在汽車行駛中振動(dòng)和沖擊，而后相繼又出現(xiàn)了包括：可拆卸可充氣輪胎、簾布輪胎和碳黑補(bǔ)強(qiáng)功能橡膠輪胎、低壓輪胎（低壓輪胎的性能較好，穩(wěn)定性強(qiáng)，保證汽車行駛期間穩(wěn)定性）、布制輪胎（輪胎胎體的強(qiáng)度增加）、斜交鋼絲型輪胎、鋼絲子午線類型輪胎、無內(nèi)胎輪胎、聚酯簾線類輪胎等等。近些年，社會(huì)的進(jìn)步，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國輪胎產(chǎn)業(yè)也出現(xiàn)全新發(fā)展趨勢(shì)，將不斷朝向智能化、綠色環(huán)?；?、新材料的研發(fā)方向發(fā)展，也將更加注重廢棄輪胎的處理工作和輪胎摩擦力的分析與研究工作[1]。

對(duì)于輪胎市場(chǎng)為未來的發(fā)展來說，需要做好幾點(diǎn)工作：優(yōu)化企業(yè)組織的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，注重新技術(shù)的引進(jìn)，提高企業(yè)輪胎生產(chǎn)的集中度，增強(qiáng)我國輪胎企業(yè)凝聚力。其次，也要了解國內(nèi)外的市場(chǎng)信息，去指導(dǎo)生產(chǎn)和經(jīng)營，淘汰掉那些不滿足行業(yè)要求，生產(chǎn)效率低下，質(zhì)量無法保證的企業(yè)，倡導(dǎo)本地化設(shè)計(jì)理念，使得我國輪胎更加適合本國發(fā)展，引領(lǐng)我國輪胎企業(yè)走向國外市場(chǎng)。而后：我國企業(yè)必須要樹立品牌藝術(shù)，打造我國輪胎的世界品牌，企業(yè)要踏踏實(shí)實(shí)的區(qū)培育具有自身特色的輪胎品牌，利用各種不同機(jī)會(huì)，在不同場(chǎng)合大力的推薦自己的產(chǎn)品，不斷擴(kuò)大企業(yè)輪胎品牌的知名度，打造和世界知名品牌相同競(jìng)爭(zhēng)力的中國輪胎品牌。也只有這樣，才能保證我國輪胎產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，確保小汽車行駛的質(zhì)量，避免由于輪胎質(zhì)量問題，為大眾出行和社會(huì)發(fā)展帶來不良影響。

1.3 輪胎的種類

輪胎的種類多樣，分類的方法各不相同，依據(jù)輪胎結(jié)構(gòu)可以把其劃分成：無線輪胎和斜交輪胎；依據(jù)類別的不同可以劃分成：摩托車輪胎、航空輪胎、工業(yè)車輛應(yīng)用輪胎、工程機(jī)械類輪胎、載重汽車輪胎、輕型載重類輪胎、轎車輪胎等；依據(jù)輪胎的大小可以劃分成：巨型輪胎（輪胎的斷面寬度在431.8毫米上下）、大型輪胎（輪胎的斷面寬度大于254毫米）、中小型輪胎（輪胎的斷面寬度小于254毫米），依據(jù)花紋不同可以把輪胎劃分為：越野花紋類輪胎、泥雪地輪胎、縱橫溝花紋、橫溝花紋、直溝花紋等。

2 汽車行駛過程中的摩擦力的作用分析

要想知道在汽車駕駛期間摩擦力發(fā)揮的作用，首先，必須了解汽車的大概結(jié)構(gòu)，包括：汽車的車廂、車頭是利用四個(gè)輪子支撐于路面，路面和車輪會(huì)出現(xiàn)一定摩擦力，了解汽車的前輪和后輪摩擦力發(fā)揮不同作用。發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是利用齒輪箱、萬向節(jié)、縱軸相繼傳遞給后輪，使得后輪朝順時(shí)針方向運(yùn)作。如果后輪和路面沒有摩擦力，后輪就好像被拖起為懸空狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)也為空轉(zhuǎn)，無法為汽車的行駛提供向前的動(dòng)力，但是如果后輪和路面有較大的摩擦力，這時(shí)路面和車輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)全新的形式，產(chǎn)生的摩擦力f方向向前，其和輪軸心產(chǎn)生的一個(gè)逆時(shí)針方向得轉(zhuǎn)矩，這時(shí)轉(zhuǎn)矩是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)負(fù)載力，所以，本質(zhì)上來說，汽車的牽引力就是路面給予后輪的一個(gè)摩擦力，那么路面和前輪相互產(chǎn)生的摩擦力就起到了什么作用呢？

汽車的前輪自身本沒有轉(zhuǎn)矩，但是軸承內(nèi)部的摩擦阻力力矩的確是存在的，假如無摩擦力f，那么前輪僅能跟著車廂不斷的向前行駛，依據(jù)向后力f前輪才得以轉(zhuǎn)動(dòng)，盡管f是向前的行駛阻力，但是力的大小受到軸承內(nèi)部產(chǎn)生的力矩影響，f的存在保護(hù)前輪，避免前輪出現(xiàn)拖滑問題，出現(xiàn)磨損。特別是汽車在行駛期間，車輪和路面相互產(chǎn)生的摩擦為靜摩擦。因此，車輪和路面接觸時(shí)為相對(duì)靜止的狀態(tài)。但是在剎車制動(dòng)期間，摩擦片把車輪軸緊緊的抱住，影響轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)失靈時(shí)，汽車會(huì)受到慣性影響繼續(xù)向前不斷滑動(dòng)行駛。此時(shí)，路面對(duì)前車輪和后車輪的影響為：摩擦力變?yōu)樽枇?，利于迅速的停車?/p>

3 汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力研究

輪胎產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，充分說明了當(dāng)下社會(huì)人們的生活水平得到提升小汽車購買量增加，拉動(dòng)了輪胎產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。大眾在汽車駕駛期間，要想保證輪胎的應(yīng)用壽命，確保良好的行車，必須注重汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力，了解汽車前輪、后輪產(chǎn)生的不同摩擦力和阻力力矩，知道汽車的前輪為從動(dòng)輪，受到向后滾動(dòng)摩擦的影響，在摩擦力作用下，為汽車的行駛帶來阻力；了解汽車的后輪為主動(dòng)輪，其受到向前靜摩擦的影響，在靜莫摩擦力的影響下，為汽車的行駛提供前進(jìn)的動(dòng)力，這樣才能更好的去駕駛小汽車，確保輪胎的應(yīng)用壽命[2]。

3.1 汽車行使期間前輪輪胎摩擦力研究

（1）汽車前輪輪胎產(chǎn)生的靜摩擦力分析。首先：對(duì)行駛中汽車前輪輪胎產(chǎn)生的靜摩擦力展開研究。結(jié)合靜摩擦力的理論知識(shí)：如果兩個(gè)物體在相互接觸之間存在一定壓力，而且二者同時(shí)出現(xiàn)了相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，這時(shí)二者之間就產(chǎn)生了靜摩擦力。就汽車輪胎來說，其是有質(zhì)量保障的，在汽車向前行駛的一瞬間，前輪則作為從動(dòng)輪而存在，盡管此時(shí)前輪還沒有和地面產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，汽車輪胎無論是否和地面進(jìn)行接觸，輪胎均會(huì)出現(xiàn)不斷向前行進(jìn)趨勢(shì)。在這一環(huán)境下，前輪就會(huì)受到地面和輪胎產(chǎn)生的靜摩擦力影響，方向不斷向后轉(zhuǎn)變，因此，可以給出產(chǎn)生的這一靜摩擦力，受到驅(qū)動(dòng)力的影響（驅(qū)動(dòng)力由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)）產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力。（2）汽車前輪輪胎產(chǎn)生的滾動(dòng)擦力分析。對(duì)前輪產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦展開研究，因?yàn)槠嚨妮喬ナ窍鹉z輪胎，因此具有較好的彈性，在輪胎受到壓力的影響后，出現(xiàn)形狀變化。當(dāng)汽車出現(xiàn)靜止時(shí)，汽車自身的重量增加輪胎負(fù)載力，汽車的輪胎被負(fù)載力壓扁，這時(shí)汽車輪胎與地面的不同接觸點(diǎn)獲得支持；在汽車行使期間，受到汽車車輪頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，使得輪胎和地面接觸的各個(gè)點(diǎn)所接受的支持力出現(xiàn)變化，原有的支持力分布規(guī)律被打亂，支持力分布較為分散。（3）分析總結(jié)。經(jīng)過上述的分析后可以看出，汽車在不斷向前行駛時(shí)，前車輪承載的不同力，包括支持力N、整車負(fù)載壓力F以及輪胎自身的重力G沒有在同一條直線上，而是在多條直線上分布，如圖1所示，是汽車前輪的滾動(dòng)摩擦出現(xiàn)的原因展示圖。結(jié)合下圖來說，來自于地面的支持力N，其主要是作用于下圖1中點(diǎn)O，而G和F是作用于點(diǎn)C。F+G和N的偏離距離是AO，在汽車向前行駛時(shí)，可以把O看做是軸線點(diǎn)區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)，AO（也就是F和G共通力臂）進(jìn)而F+G的乘積為車輪胎遭受的阻力產(chǎn)生的力矩，這樣力矩直接影響汽車和地面的阻力，產(chǎn)生了滾動(dòng)摩擦力。汽車前輪胎和地面接觸面積，受到輪胎內(nèi)部氣體量多少影響，輪胎內(nèi)部的氣體量越多接觸的面積就越小，也就是橡膠輪胎中含有的氣體越充足，輪胎出現(xiàn)變形的可能就越小，簡(jiǎn)而言之，汽車輪胎充氣越足，那么在行駛時(shí)汽車產(chǎn)生的摩擦就越小，其受到滾動(dòng)的影響就越小。

3.2 汽車后輪輪胎產(chǎn)生的摩擦力分析

汽車的后輪為主動(dòng)輪，當(dāng)汽車在啟動(dòng)后行駛期間后輪不斷的旋轉(zhuǎn)，這時(shí)和地面出現(xiàn)了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，方向朝向后方運(yùn)作，也就是汽車在啟動(dòng)后，汽車的后輪的輪胎和地面產(chǎn)生的摩擦力是一個(gè)向前的靜摩擦力，這個(gè)摩擦力也可以看做是汽車不斷向前行駛的推動(dòng)力。汽車后輪和前輪相似，在啟動(dòng)后，汽車的后輪會(huì)受到一個(gè)阻力力矩的影響，出現(xiàn)了滾動(dòng)摩擦，受到滾動(dòng)摩擦的影響，遇到向前行駛的阻礙[3]。

4 結(jié)語

由上文的闡述我們可以看出，汽車在行駛期間，前輪和后輪均會(huì)受到不同摩擦力的影響，如滾動(dòng)摩擦力和靜摩擦力影響。前輪與后輪胎摩擦力的方向不同，前者的方向朝向后方，后者的方向則是向前，因此可以看出，前輪和后輪受到的滾動(dòng)摩擦力的方向均和其運(yùn)動(dòng)的方向不同，出現(xiàn)相反的形式。而且大小與輪胎內(nèi)的氣體含量充足性聯(lián)系密切，輪胎內(nèi)部的氣體越充足，N和G+N的偏離就越小，出現(xiàn)的阻力距離就越小。所以，要想控制好汽車在行駛期間產(chǎn)生的摩擦力，可填滿輪胎內(nèi)的氣體，此外選擇形變量較小的材料來制作輪胎，也能夠降低阻力的力矩，降低摩擦力。

參考文獻(xiàn)

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