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，定會產生一定的摩擦力，站在物理學的角度解釋摩擦力時，人們容易陷入到某一誤區中，例如：一些人認為行駛中的汽車和地面接觸后產生的摩擦力，是受到輪胎與地面接觸的面積影響，如果輪胎的內部氣體缺失，汽車向前行駛則需要更大力去驅動，需要更多的汽油作為支撐，進而把這種摩擦歸類于滑動性摩擦。為了更好的驗證汽車在行駛期間和地面摩擦力的聯系，本文就汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力這一論點進行分析。

關鍵詞：汽車行駛；輪胎；摩擦；研究

中圖分類號：G634.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）19-0204-02

依據摩擦力的產生條件差異性，可以把摩擦力劃分為三個不同類型：滾動摩擦、靜摩擦、滑動摩擦這三大類。現階段，對于滑動摩擦力研究較多，并納入高校教學教材中，因此滑動摩擦介紹相對豐富些，但如果站在應用性角度來說，滾動摩擦更具應用價值，在現實生活中被大力應用，如：在機動車的駕駛期間，輪胎受到的阻力主要為滾動摩擦力。目前來看，滑動和滾動摩擦力，人們在實際研究中存在一些誤解。

1 輪胎的作用和發展

1.1 輪胎的作用

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

1.2 輪胎的發展

輪胎的發明和應用研究約有100多年的歷史，Robert William Thomson在1845年首次發明出充氣輪胎，以此來緩沖在汽車行駛中振動和沖擊，而后相繼又出現了包括：可拆卸可充氣輪胎、簾布輪胎和碳黑補強功能橡膠輪胎、低壓輪胎（低壓輪胎的性能較好，穩定性強，保證汽車行駛期間穩定性）、布制輪胎（輪胎胎體的強度增加）、斜交鋼絲型輪胎、鋼絲子午線類型輪胎、無內胎輪胎、聚酯簾線類輪胎等等。近些年，社會的進步，市場經濟的發展，我國輪胎產業也出現全新發展趨勢，將不斷朝向智能化、綠色環保化、新材料的研發方向發展，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]。

對于輪胎市場為未來的發展來說，需要做好幾點工作：優化企業組織的產品結構，注重新技術的引進，提高企業輪胎生產的集中度，增強我國輪胎企業凝聚力。其次，也要了解國內外的市場信息，去指導生產和經營，淘汰掉那些不滿足行業要求，生產效率低下，質量無法保證的企業，倡導本地化設計理念，使得我國輪胎更加適合本國發展，引領我國輪胎企業走向國外市場。而后：我國企業必須要樹立品牌藝術，打造我國輪胎的世界品牌，企業要踏踏實實的區培育具有自身特色的輪胎品牌，利用各種不同機會，在不同場合大力的推薦自己的產品，不斷擴大企業輪胎品牌的知名度，打造和世界知名品牌相同競爭力的中國輪胎品牌。也只有這樣，才能保證我國輪胎產業的健康發展，確保小汽車行駛的質量，避免由于輪胎質量問題，為大眾出行和社會發展帶來不良影響。

1.3 輪胎的種類

輪胎的種類多樣，分類的方法各不相同，依據輪胎結構可以把其劃分成：無線輪胎和斜交輪胎；依據類別的不同可以劃分成：摩托車輪胎、航空輪胎、工業車輛應用輪胎、工程機械類輪胎、載重汽車輪胎、輕型載重類輪胎、轎車輪胎等；依據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揮的作用，首先，必須了解汽車的大概結構，包括：汽車的車廂、車頭是利用四個輪子支撐于路面，路面和車輪會出現一定摩擦力，了解汽車的前輪和后輪摩擦力發揮不同作用。發動機的曲軸在轉動時，是利用齒輪箱、萬向節、縱軸相繼傳遞給后輪，使得后輪朝順時針方向運作。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，發動機也為空轉，無法為汽車的行駛提供向前的動力，但是如果后輪和路面有較大的摩擦力，這時路面和車輪的相對運動出現全新的形式，產生的摩擦力f方向向前，其和輪軸心產生的一個逆時針方向得轉矩，這時轉矩是發動機的一個負載力，所以，本質上來說，汽車的牽引力就是路面給予后輪的一個摩擦力，那么路面和前輪相互產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矩，但是軸承內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，依據向后力f前輪才得以轉動，盡管f是向前的行駛阻力，但是力的大小受到軸承內部產生的力矩影響，f的存在保護前輪，避免前輪出現拖滑問題，出現磨損。特別是汽車在行駛期間，車輪和路面相互產生的摩擦為靜摩擦。因此，車輪和路面接觸時為相對靜止的狀態。但是在剎車制動期間，摩擦片把車輪軸緊緊的抱住，影響轉動，當轉動失靈時，汽車會受到慣性影響繼續向前不斷滑動行駛。此時，路面對前車輪和后車輪的影響為：摩擦力變為阻力，利于迅速的停車。

3 汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力研究

輪胎產業的不斷發展，充分說明了當下社會人們的生活水平得到提升小汽車購買量增加，拉動了輪胎產業的發展。大眾在汽車駕駛期間，要想保證輪胎的應用壽命，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、后輪產生的不同摩擦力和阻力力矩，知道汽車的前輪為從動輪，受到向后滾動摩擦的影響，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的動力，這樣才能更好的去駕駛小汽車，確保輪胎的應用壽命[2]。

3.1 汽車行使期間前輪輪胎摩擦力研究

（1）汽車前輪輪胎產生的靜摩擦力分析。首先：對行駛中汽車前輪輪胎產生的靜摩擦力展開研究。結合靜摩擦力的理論知識：如果兩個物體在相互接觸之間存在一定壓力，而且二者同時出現了相對運動趨勢，這時二者之間就產生了靜摩擦力。就汽車輪胎來說，其是有質量保障的，在汽車向前行駛的一瞬間，前輪則作為從動輪而存在，盡管此時前輪還沒有和地面產生相對的運動，汽車輪胎無論是否和地面進行接觸，輪胎均會出現不斷向前行進趨勢。在這一環境下，前輪就會受到地面和輪胎產生的靜摩擦力影響，方向不斷向后轉變，因此，可以給出產生的這一靜摩擦力，受到驅動力的影響（驅動力由靜止狀態轉為轉動）產生的驅動力。（2）汽車前輪輪胎產生的滾動擦力分析。對前輪產生的滾動摩擦展開研究，因為汽車的輪胎是橡膠輪胎，因此具有較好的彈性，在輪胎受到壓力的影響后，出現形狀變化。當汽車出現靜止時，汽車自身的重量增加輪胎負載力，汽車的輪胎被負載力壓扁，這時汽車輪胎與地面的不同接觸點獲得支持；在汽車行使期間，受到汽車車輪頻繁轉動的影響，使得輪胎和地面接觸的各個點所接受的支持力出現變化，原有的支持力分布規律被打亂，支持力分布較為分散。（3）分析總結。經過上述的分析后可以看出，汽車在不斷向前行駛時，前車輪承載的不同力，包括支持力N、整車負載壓力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，是汽車前輪的滾動摩擦出現的原因展示圖。結合下圖來說，來自于地面的支持力N，其主要是作用于下圖1中點O，而G和F是作用于點C。F+G和N的偏離距離是AO，在汽車向前行駛時，可以把O看做是軸線點區轉動，AO（也就是F和G共通力臂）進而F+G的乘積為車輪胎遭受的阻力產生的力矩，這樣力矩直接影響汽車和地面的阻力，產生了滾動摩擦力。汽車前輪胎和地面接觸面積，受到輪胎內部氣體量多少影響，輪胎內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，輪胎出現變形的可能就越小，簡而言之，汽車輪胎充氣越足，那么在行駛時汽車產生的摩擦就越小，其受到滾動的影響就越小。

3.2 汽車后輪輪胎產生的摩擦力分析

汽車的后輪為主動輪，當汽車在啟動后行駛期間后輪不斷的旋轉，這時和地面出現了相對運動的趨勢，方向朝向后方運作，也就是汽車在啟動后，汽車的后輪的輪胎和地面產生的摩擦力是一個向前的靜摩擦力，這個摩擦力也可以看做是汽車不斷向前行駛的推動力。汽車后輪和前輪相似，在啟動后，汽車的后輪會受到一個阻力力矩的影響，出現了滾動摩擦，受到滾動摩擦的影響，遇到向前行駛的阻礙[3]。

4 結語

由上文的闡述我們可以看出，汽車在行駛期間，前輪和后輪均會受到不同摩擦力的影響，如滾動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摩擦力的方向均和其運動的方向不同，出現相反的形式。而且大小與輪胎內的氣體含量充足性聯系密切，輪胎內部的氣體越充足，N和G+N的偏離就越小，出現的阻力距離就越小。所以，要想控制好汽車在行駛期間產生的摩擦力，可填滿輪胎內的氣體，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

[1]劉曉曉.汽車行駛過程中輪胎與地面的摩擦力分析[J].技術與市場，2017，（11）：130-131.

[2]黃雪兵，蔣小平，夏光瓊，吳正茂.橡膠輪胎與硬質地面的滾動摩擦研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2017，（04）：34-37.

[3]嚴金霞，王利民，張東煥，許英姿，孫明遠，賀光宗，王洪剛.轎車輪胎地面摩擦力的研究[J].山東理工大學學報（自然科學版），2017，（06）：5-10+14.