汽车行驶过程中轮胎与地面的摩擦力研究

郑承宇

摘 要：汽车在行驶期间轮胎和粗糙的地面相互接触，定会产生一定的摩擦力，站在物理学的角度解释摩擦力时，人们容易陷入到某一误区中，例如：一些人认为行驶中的汽车和地面接触后产生的摩擦力，是受到轮胎与地面接触的面积影响，如果轮胎的内部气体缺失，汽车向前行驶则需要更大力去驱动，需要更多的汽油作为支撑，进而把这种摩擦归类于滑动性摩擦。为了更好的验证汽车在行驶期间和地面摩擦力的联系，本文就汽车行驶过程中轮胎与地面的摩擦力这一论点进行分析。

关键词：汽车行驶；轮胎；摩擦；研究

中图分类号：G634.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0204-02

依据摩擦力的产生条件差异性，可以把摩擦力划分为三个不同类型：滚动摩擦、静摩擦、滑动摩擦这三大类。现阶段，对于滑动摩擦力研究较多，并纳入高校教学教材中，因此滑动摩擦介绍相对丰富些，但如果站在应用性角度来说，滚动摩擦更具应用价值，在现实生活中被大力应用，如：在机动车的驾驶期间，轮胎受到的阻力主要为滚动摩擦力。目前来看，滑动和滚动摩擦力，人们在实际研究中存在一些误解。

1 轮胎的作用和发展

1.1 轮胎的作用

轮胎是汽车和道路之间一个圆形结构、是具有弹性的连接体，是汽车在道路中行驶的结构，影响着汽车的行驶。轮胎发挥的作用是十分重要的，轮胎承载着汽车与其所负载的重量，可以向地面区传递汽车的刹车、转向、牵引、驶动等作用力，如：制动力、驱动力、转向力、牵引力等。在汽车驾驶期间不管是车的启动加速还是停车制动、亦或是弯道驾驶，均是利用轮胎和地面的摩擦，发挥摩擦力的作用而实现，悬架和轮胎相互缓和冲击，确保车辆驾驶期间的动力性、平顺性和舒适性。

1.2 轮胎的发展

轮胎的发明和应用研究约有100多年的历史，Robert William Thomson在1845年首次发明出充气轮胎，以此来缓冲在汽车行驶中振动和冲击，而后相继又出现了包括：可拆卸可充气轮胎、帘布轮胎和碳黑补强功能橡胶轮胎、低压轮胎（低压轮胎的性能较好，稳定性强，保证汽车行驶期间稳定性）、布制轮胎（轮胎胎体的强度增加）、斜交钢丝型轮胎、钢丝子午线类型轮胎、无内胎轮胎、聚酯帘线类轮胎等等。近些年，社会的进步，市场经济的发展，我国轮胎产业也出现全新发展趋势，将不断朝向智能化、绿色环保化、新材料的研发方向发展，也将更加注重废弃轮胎的处理工作和轮胎摩擦力的分析与研究工作[1]。

对于轮胎市场为未来的发展来说，需要做好几点工作：优化企业组织的产品结构，注重新技术的引进，提高企业轮胎生产的集中度，增强我国轮胎企业凝聚力。其次，也要了解国内外的市场信息，去指导生产和经营，淘汰掉那些不满足行业要求，生产效率低下，质量无法保证的企业，倡导本地化设计理念，使得我国轮胎更加适合本国发展，引领我国轮胎企业走向国外市场。而后：我国企业必须要树立品牌艺术，打造我国轮胎的世界品牌，企业要踏踏实实的区培育具有自身特色的轮胎品牌，利用各种不同机会，在不同场合大力的推荐自己的产品，不断扩大企业轮胎品牌的知名度，打造和世界知名品牌相同竞争力的中国轮胎品牌。也只有这样，才能保证我国轮胎产业的健康发展，确保小汽车行驶的质量，避免由于轮胎质量问题，为大众出行和社会发展带来不良影响。

1.3 轮胎的种类

轮胎的种类多样，分类的方法各不相同，依据轮胎结构可以把其划分成：无线轮胎和斜交轮胎；依据类别的不同可以划分成：摩托车轮胎、航空轮胎、工业车辆应用轮胎、工程机械类轮胎、载重汽车轮胎、轻型载重类轮胎、轿车轮胎等；依据轮胎的大小可以划分成：巨型轮胎（轮胎的断面宽度在431.8毫米上下）、大型轮胎（轮胎的断面宽度大于254毫米）、中小型轮胎（轮胎的断面宽度小于254毫米），依据花纹不同可以把轮胎划分为：越野花纹类轮胎、泥雪地轮胎、纵横沟花纹、横沟花纹、直沟花纹等。

2 汽车行驶过程中的摩擦力的作用分析

要想知道在汽车驾驶期间摩擦力发挥的作用，首先，必须了解汽车的大概结构，包括：汽车的车厢、车头是利用四个轮子支撑于路面，路面和车轮会出现一定摩擦力，了解汽车的前轮和后轮摩擦力发挥不同作用。发动机的曲轴在转动时，是利用齿轮箱、萬向节、纵轴相继传递给后轮，使得后轮朝顺时针方向运作。如果后轮和路面没有摩擦力，后轮就好像被拖起为悬空状态，发动机也为空转，无法为汽车的行驶提供向前的动力，但是如果后轮和路面有较大的摩擦力，这时路面和车轮的相对运动出现全新的形式，产生的摩擦力f方向向前，其和轮轴心产生的一个逆时针方向得转矩，这时转矩是发动机的一个负载力，所以，本质上来说，汽车的牵引力就是路面给予后轮的一个摩擦力，那么路面和前轮相互产生的摩擦力就起到了什么作用呢？

汽车的前轮自身本没有转矩，但是轴承内部的摩擦阻力力矩的确是存在的，假如无摩擦力f，那么前轮仅能跟着车厢不断的向前行驶，依据向后力f前轮才得以转动，尽管f是向前的行驶阻力，但是力的大小受到轴承内部产生的力矩影响，f的存在保护前轮，避免前轮出现拖滑问题，出现磨损。特别是汽车在行驶期间，车轮和路面相互产生的摩擦为静摩擦。因此，车轮和路面接触时为相对静止的状态。但是在刹车制动期间，摩擦片把车轮轴紧紧的抱住，影响转动，当转动失灵时，汽车会受到惯性影响继续向前不断滑动行驶。此时，路面对前车轮和后车轮的影响为：摩擦力变为阻力，利于迅速的停车。

3 汽车行驶过程中轮胎与地面的摩擦力研究

轮胎产业的不断发展，充分说明了当下社会人们的生活水平得到提升小汽车购买量增加，拉动了轮胎产业的发展。大众在汽车驾驶期间，要想保证轮胎的应用寿命，确保良好的行车，必须注重汽车行驶过程中轮胎与地面的摩擦力，了解汽车前轮、后轮产生的不同摩擦力和阻力力矩，知道汽车的前轮为从动轮，受到向后滚动摩擦的影响，在摩擦力作用下，为汽车的行驶带来阻力；了解汽车的后轮为主动轮，其受到向前静摩擦的影响，在静莫摩擦力的影响下，为汽车的行驶提供前进的动力，这样才能更好的去驾驶小汽车，确保轮胎的应用寿命[2]。

3.1 汽车行使期间前轮轮胎摩擦力研究

（1）汽车前轮轮胎产生的静摩擦力分析。首先：对行驶中汽车前轮轮胎产生的静摩擦力展开研究。结合静摩擦力的理论知识：如果两个物体在相互接触之间存在一定压力，而且二者同时出现了相对运动趋势，这时二者之间就产生了静摩擦力。就汽车轮胎来说，其是有质量保障的，在汽车向前行驶的一瞬间，前轮则作为从动轮而存在，尽管此时前轮还没有和地面产生相对的运动，汽车轮胎无论是否和地面进行接触，轮胎均会出现不断向前行进趋势。在这一环境下，前轮就会受到地面和轮胎产生的静摩擦力影响，方向不断向后转变，因此，可以给出产生的这一静摩擦力，受到驱动力的影响（驱动力由静止状态转为转动）产生的驱动力。（2）汽车前轮轮胎产生的滚动擦力分析。对前轮产生的滚动摩擦展开研究，因为汽车的轮胎是橡胶轮胎，因此具有较好的弹性，在轮胎受到压力的影响后，出现形状变化。当汽车出现静止时，汽车自身的重量增加轮胎负载力，汽车的轮胎被负载力压扁，这时汽车轮胎与地面的不同接触点获得支持；在汽车行使期间，受到汽车车轮频繁转动的影响，使得轮胎和地面接触的各个点所接受的支持力出现变化，原有的支持力分布规律被打乱，支持力分布较为分散。（3）分析总结。经过上述的分析后可以看出，汽车在不断向前行驶时，前车轮承载的不同力，包括支持力N、整车负载压力F以及轮胎自身的重力G没有在同一条直线上，而是在多条直线上分布，如图1所示，是汽车前轮的滚动摩擦出现的原因展示图。结合下图来说，来自于地面的支持力N，其主要是作用于下图1中点O，而G和F是作用于点C。F+G和N的偏离距离是AO，在汽车向前行驶时，可以把O看做是轴线点区转动，AO（也就是F和G共通力臂）进而F+G的乘积为车轮胎遭受的阻力产生的力矩，这样力矩直接影响汽车和地面的阻力，产生了滚动摩擦力。汽车前轮胎和地面接触面积，受到轮胎内部气体量多少影响，轮胎内部的气体量越多接触的面积就越小，也就是橡胶轮胎中含有的气体越充足，轮胎出现变形的可能就越小，简而言之，汽车轮胎充气越足，那么在行驶时汽车产生的摩擦就越小，其受到滾动的影响就越小。

3.2 汽车后轮轮胎产生的摩擦力分析

汽车的后轮为主动轮，当汽车在启动后行驶期间后轮不断的旋转，这时和地面出现了相对运动的趋势，方向朝向后方运作，也就是汽车在启动后，汽车的后轮的轮胎和地面产生的摩擦力是一个向前的静摩擦力，这个摩擦力也可以看做是汽车不断向前行驶的推动力。汽车后轮和前轮相似，在启动后，汽车的后轮会受到一个阻力力矩的影响，出现了滚动摩擦，受到滚动摩擦的影响，遇到向前行驶的阻碍[3]。

4 结语

由上文的阐述我们可以看出，汽车在行驶期间，前轮和后轮均会受到不同摩擦力的影响，如滚动摩擦力和静摩擦力影响。前轮与后轮胎摩擦力的方向不同，前者的方向朝向后方，后者的方向则是向前，因此可以看出，前轮和后轮受到的滚动摩擦力的方向均和其运动的方向不同，出现相反的形式。而且大小与轮胎内的气体含量充足性联系密切，轮胎内部的气体越充足，N和G+N的偏离就越小，出现的阻力距离就越小。所以，要想控制好汽车在行驶期间产生的摩擦力，可填满轮胎内的气体，此外选择形变量较小的材料来制作轮胎，也能够降低阻力的力矩，降低摩擦力。

参考文献

[1]刘晓晓.汽车行驶过程中轮胎与地面的摩擦力分析[J].技术与市场，2017，（11）：130-131.

[2]黄雪兵，蒋小平，夏光琼，吴正茂.橡胶轮胎与硬质地面的滚动摩擦研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2017，（04）：34-37.

[3]严金霞，王利民，张东焕，许英姿，孙明远，贺光宗，王洪刚.轿车轮胎地面摩擦力的研究[J].山东理工大学学报（自然科学版），2017，（06）：5-10+14.