轮胎的摩擦现象分析与研究

周荣浩 韩艺博

摘 要：轮胎摩擦是生活中非常普遍的现象，摩擦过程中涉及到多种物质间的物理作用。人员在进行理论学习时，多分析木头、金属等固体的摩擦理论，但在实际中轮胎这类弹性体出现的摩擦现象更为常见。本文从分析轮胎的摩擦机理入手，重点探讨几个常见的轮胎摩擦现象，旨在深入研究轮胎的摩擦理论，进一步完善理论依据。

关键词：轮胎 摩擦现象 分析研究

中图分类号：G632.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0079-02

1 橡胶轮胎与路面之间的摩擦机理

与其他大多数固体与路面之间的摩擦相比，橡胶轮胎摩擦是一类非常特殊的存在。想单一使用粘附或啮合说解释轮胎的摩擦难以行得通。因为轮胎的材质属于低弹性模量的粘弹体，不同于其他材质，该种类型的材料在很宽的频域范围里始终具有内摩擦，并且力度很高。这就导致了现实中的接触面积与接触压力不能通过线性相关公式将两者有规律地表示出来。并且，普通状态下，产生摩擦阻力的主要原因是橡胶轮胎内摩擦，其影响甚至高过界面之间能量损耗因素的影响。轮胎与路面之间产生摩擦的机理分析可从以下方面入手。

1.1 分子间引力是轮胎与路面摩擦力的构成部分

前文已经阐明，橡胶属于弹性体。在承受较大的外力作用时，橡胶就不会保持一直平整的状态。在刚性表面的微凸体附近，会分散数量较多的橡胶分子与刚性物体分子互相作用，作用力接近分子引力范围，轮胎与路面之间的摩擦力有一部分就是来源于此。轮胎与路面的接触面积越大，这一部分摩擦力就越大；反之，接触面积越小，这种轮胎与路面的摩擦力也越小。

1.2 轮胎与路面之间的粘合

受外力作用下，橡胶轮胎与路面一部分接触点会发生不易察觉的塑性变形，致使二者表面发生粘合。摩擦力的粘着分量通常以剪断轮胎与路面之间粘合点所需的力的大小来衡量。因为轮胎与路面的粘合作用产生的摩擦力大小与所受外力大小、二者接触面积等有关。

1.3 橡胶轮胎的弹性变形产生摩擦

车辆行驶经过路面较大向上凸起部分后回到正常路面的过程反复，会使得轮胎表面反复产生弹性变形。除此之外，轮胎表面纹路的作用力也会使轮胎出现弹性变形的现象。因为橡胶内摩擦会不可避免地损耗掉一些机械能，导致橡胶恢复原形所需的力总是比产生弹性形变的力小，由此恢复力与产生形变的应力二者的合力形成部分摩擦力，这也是通常所说的弹性滞后现象。因此，我们可以发现，路面支撑行驶于其上的轮胎的作用点并不正对着车轴下方，而是在靠前一点的地方，由此产生阻碍轮胎转动的力。

1.4 路面上小尺寸微凸体对于轮胎的作用

车辆行驶在路面上，胎面不可避免地要被小尺寸微凸体刺入。切向力会进一步对轮胎表面产生微切削作用，使得作用过程中形成轮胎与路面之间的部分摩擦力。

2 几种常见的轮胎摩擦现象分析

实际生活中影响轮胎摩擦的因素非常多，不同条件下摩擦力的形成原因也不尽相同。有以下几种常见的轮胎摩擦现象。

2.1 轮胎表面花纹的作用效果

啮合理论表明摩擦力受接触面粗糙程度影响，接触面越粗糙，摩擦力越大。多数人认为轮胎表面的花纹是为了增加粗糙度而设计的，其实这种理解并不全面。因为轮胎花纹尺寸与路面上的微凸体的大小相距甚远，完美啮合是不可能的。并且，轮胎表面的纹路主要作用是排水排沙，加大轮胎与路面间的附着力度，增加行车安全性。雨天路上常有积水与泥沙，轮胎纹路上的沟槽可以在车辆行驶过程中及时将泥沙排出，防止车轮与路面摩擦不够出现滑行。这也是为什么越野车相对于小汽车轮胎表面具有又宽又深的沟槽的原因。

此外，轮胎表面沟槽能有效增加轮胎弹性形变量。在轮胎与路面之间出现剪切力时，轮胎弹性形变量较大可以有效增加轮胎与路面间摩擦力，保证行车安全。

2.2 F1赛车轮胎与路面的摩擦奥秘

F1赛车轮胎通常分为雨胎和干胎两种，两者最主要的区别就是雨胎有花纹，干胎没有。抛开F1赛道的平整度、洁净度等因素不谈，就F1赛车轮胎的材质而言，其摩擦系数是大于普通橡胶轮胎的，因此对其超高的附着力，普通轮胎也只能望尘莫及。F1赛车轮胎表面较宽且光滑，保证轮胎足够的横向刚度与赛道的接触面积，进而保证赛车高速漂移转弯时轮胎不易变形的同时产生足够大的摩擦力，防止侧翻车。当然，轮胎表面积过大也有缺陷，如加重赛车转向负担、耗油增多、噪声大，但赛车追求的是速度与安全，所以要想满足这两个要求，保证轮胎表面面积足够是必需的。另外，F1赛车轮胎的工作温度在100℃左右。因为高温可以软化胎面，加快轮胎与赛道界面上物质的扩散速度，从而增加实际接触面积，提升轮胎与路面之间的摩擦力，使赛车牢牢“粘”在赛道上。

2.3 冰雪路面上轮胎的摩擦现象

经常听见雪天慢行防滑的提醒，因为雪地里刹车没有普通路面容易。汽车行驶在雪地中，靠的是轮胎花纹与冰雪啮合而产生摩擦力。在这种情况下，在不影响汽车行驶的前提下降低胎压可以增加车辆行驶时的轮胎形变量，因而增强轮胎附着力。与此同时，产生的形变有利于轮胎沟槽排水，使轮胎花纹不断与冰雪啮合，保证车辆行驶的平稳性。

2.4 防抱死系统应用的轮胎摩擦原理

防抱死系统的主要作用是在车辆制动时，将轮胎与地面的滑动摩擦尽量转化为静摩擦。制动系统在轮胎上施加的制动力十分接近最大静摩擦力，最大静摩擦力比滑动摩擦力略高就可缩短制动距离。

但要注意的是，防抱死制动系统对于缩短制动距离的效果并不是很显著。在泥沙路面上，不具有防抱死制动系统的车辆在制动时，轮胎转速急剧下降，当制动力比轮胎与路面的摩擦力大时，车轮抱死，轮胎与地面就会发生滑动摩擦。防抱死系统的出现可使车辆在紧急情况时存在躲避障碍的条件，还可防止轮胎在滑动摩擦中过度损耗，延长其使用寿命。

3 轮胎摩擦现象的研究重点

在过去，对于橡胶粘着、干摩擦及滚动接触力学的研究已经比较到位，但在实际应用中所起作用并不是很明显。切实从解决生活实际问题出发，对干燥路面摩擦学弹性问题建立起科学实用的热模型应用于轮胎摩擦研究中是必要的。除此之外，关于如何克服冰雪路面上具有强润滑作用的水膜问题，增大轮胎与地面摩擦力，防止大批车辆空转、追尾也是研究重点。可尝试建立轮胎表面挠性参数相关的模型，为优化轮胎结构奠定基础。

4 结语

对于轮胎摩擦现象的分析研究应该在建立在已取得的成果之上，从解决实际问题角度出发，开展深入研究。虽然轮胎摩擦现象在生活中随处可见，但由于其中涉及到的物质间相互作用过程比较复杂且外部影响因素较多，因而研究起来难度较大。将轮胎与路面的摩擦机理研究透彻，从常见轮胎与路面摩擦现象入手，把握好未来研究重点，为提升轮胎性能、进一步保障司机行车安全奠定基础。

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