汽车理论第1次专题-滚动阻力的成因分析以及影响因素_W

1、滚动阻力的成因和影响因素分析摘要：滚动阻力是汽车在任何条件下行驶时都需克服的阻力。汽车行驶时，轮胎 或地面的变形过程所伴随的能量损失是车轮转动时产生滚动阻力的根本原因。本文主要通过对滚动阻力进行简单的理论分析，加深对汽车理论基础课程学习中这一概念的理解。首先，阐述了滚动阻力的产生机理及其作用形式。然后，介绍了滚动阻力系数的概念，分析了部分影响阻力系数大小的因素，包括路面种类，车速，驱动力系数，轮胎充气压力等。 关键词：滚动阻力，成因分析，滚动阻力系数，影响因素 引言汽车在水平道路上行驶时，有多种阻力需要克服。滚动阻力是汽车在任何行 驶条件下都需要克服的一种阻力，是行驶阻力的重要组成部分。本文主

2、要对滚动阻力进行简单理论分析，以加深汽车理论基础课程学习中对这一概念的理解。由于弹性轮胎在硬路面上滚动时以轮胎变形为主，为简单起见，本文仅讨论这种情况下滚动阻力的成因及其影响因素。 1 滚动阻力成因分析1.1 产生机理车轮滚动时，车轮与地面在接触区域的法向、切向和侧向均产生相互作用力， 轮胎与地面亦存在相应的变形。图 1 中左图是轮胎在硬支承路面上受径向载荷的变形曲线，其加载变形曲线和卸载变形曲线并不重合。 图1-弹性车轮在硬路面上的滚动 当弹性轮胎在硬路面（混凝土地、沥青路）上滚动时，轮胎的变形是主要的。 由于轮胎有内部摩擦，产生弹性迟滞损失，使轮胎变形时对它做的功不能全部回收。如图所示，从

3、轮胎的径向变形曲线上可以看出，OA 过程为加载过程，AO 过程为卸载过程，两曲线并不重合，即在加载和卸载过程中存在能量损失，此能量消耗在轮 胎各组成部分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，最 后转化为热能而消失在大气中。这种损失称为弹性物质的迟滞损失。 进一步分析，便可知这种迟滞损失表现为阻碍车轮滚动的一种阻力偶。当车轮不滚动，地面对车轮的法向反作用力的分布是前后对称的：但当车轮滚动时，在法线 n m 前后相对应点 d 和 e 变形虽然相同，但由于迟滞现象，处于压缩过程的前的d 点的地面法向反作用力就会大于处于恢复过程的后部e 点的地面法向反作用力。 1.2 作用形式1.2.1 地

4、面法向反作用力前后分布由静力学知识易知，当车轮处于静止时，路面对车轮的法向反作用力的分布 是前后对称的。但当车轮滚动时，其受力情况将会发生变化。 图 2 弹性车轮在硬路面上的滚动 由图 2 所示，在关于法线 n-n1 对称的 d 和 d1 两点处，在车轮滚动时其变形量是相同的，但由图 1 可知，取相同压缩量时，处于加载过程的 d 点受的力CF 大于处于卸载过程的 d1 点受的力 DF。因此当车轮滚动时，其前后法向反作用力不相等。 1.2.2 滚动阻力偶矩地面法向反作用力的合力 FZ 与法向载荷 W 相等，方向相反，但由 2.2.1 的分析可知，汽车行驶时前后分布的法向反作用力不相等，则其合力

5、FZ 会相对法线向前进方向移动一个距离 a（如图 2 所示）。 图 3 从动轮在硬路面滚动时的受力情况 假设将法向反作用力的合力 FZ 移至与法线 n-n1 重合，则从动轮在硬路面上 滚动时的受力情况可画为图 3 所示的形式。即滚动时有滚动阻力偶矩Tf= FZ a 。 滚动阻力偶矩 Tf 阻碍车轮滚动，这正是所分析的迟滞损失的表现。 图 4 驱动轮在硬路面滚动时的受力情况 如图 4 所示，与从动轮的受力情况相同，驱动轮在硬路面上滚动时，其法向反作用力的合力会相对法线向前进方向移动一个距离 a（如图 2 所示）。但在驱动力矩 Tt 的作用下，道路对车轮的切向反作用力 FX2 向前。由平衡条件得：

6、 =TtFX 2r- Tf = FFrtf-由上式得出，地面切向反作用力 FX2 是真正作用在驱动轮上驱动汽车行驶的力。 2 滚动阻力影响因素2.1 路面种类路面对滚动阻力的影响主要表现在各种路面的滚动阻力系数值的不同。表 1 给出了汽车在某些路面上以中低速行驶时，滚动阻力系数的大致数值。 路面类型阻力系数路面类型阻力系数良好的沥青或混凝土 0.010 0.01 良好的卵石路面 0.025 0.03 路面 8 0 一般的沥青或混凝土 0.018 0.02 坑洼的卵石路面 0.035 0.05 路面 0 0 碎石路面 0.020 0.02 干砂 0.100 0.30 5 0 泥泞土地（雨季或解冻

7、 0.100 0.25 湿砂 0.060 0.15 期） 0 0 压紧路面 干燥的 0.025 0.03 结冰路面 0.015 0.03 5 0 雨后的 0.050 0.15 压紧的雪道 0.030 0.03 0 5 表 1. 滚动阻力系数 f 的数值 2.2 车速图 5 滚动阻力与车速的关系曲线 对轿车轮胎试验发现，车速低于 100km/h，滚动阻力逐渐增加，但变化不大； 当车速超过 140km/h 时，滚动阻力增加很快；当车速达到临界车速（200km/h）， 滚动阻力迅速增加，此时，轮胎发生驻波现象，轮胎轮缘呈现明显的波浪状。同时， 轮胎温度也很快增加 100以上，胎面与帘布层脱落，数分钟

8、后就会出现爆胎。 2.3 轮胎的种类2.3.1帘线排列形式（斜交结构与子午结构）：轮胎帘线排列形式是影响滚动阻力 的仅次于胎面材料的第二大因素。斜交胎与子午胎比较，子午胎由于有带束层紧箍胎体，不仅胎面部分的变形很小，而且胎体也几乎不发生胀缩运动，因而轮胎的滞后损失非常校尤其是载重子午胎的胎体要使用钢帘线，滞后损失更小，所以滚动阻力也更低。一般来讲，子午胎的滚动阻力大约相当于斜交胎的 2/3 左右。 （如右图为斜交与子午接地部收缩比较）由图五也可看出轮胎种类对滚动阻力的影响。另外， 纵向花纹比横向花纹具有更低的滚动阻力,无 论是纵向花纹还是横向花纹 ,花纹沟条数增加, 滚动阻力随之增大。近年来,

9、仿生花纹成为研究热点。在我国 , S-BC T 仿生轮胎(中国)项目中心和首创轮胎有限责任公司合作,利用仿生学原理设计类似手指结构、动物掌纹的胎面花纹 ,有效降低了轮胎滚动阻力,提高了轮胎综合性能 , 其生产的 BCT 仿生轮胎在保持原有性能的基础上, 滚动阻力平均下降 23 %,燃油消耗平均下降 6 %,制动距离平均缩短 17%。 2.3 驱动力系数驱动力系数是驱动力与径向载荷的比值。轮胎处于驱动状态下时，受到驱动转矩作用，胎面相对于地面有一定程度滑动，加大了能量损耗。图 6 是由试验得到的两种轮胎的滚动阻力系数（包含胎面滑动损失）与驱动系数的关系曲线。驱动状况下的轮胎，作用有驱动转矩，胎面

10、相对于地面有一定程度的滑动，增加了轮胎滚动时的能量损耗。可以看出，随着驱动力系数的加大，滚动阻力系数迅速 增加。从图中还可以看出，子午线轮胎的滚动阻力系数较小，驱动力系数变化对他的影响也较小。 2.4 轮胎充气压力轮胎充气压力降低时，轮胎变形增大，迟滞损失增加，从而使滚动阻力增加。 随着充气压力的增加，轮胎的刚度增大，在轮胎滚动过程中，其整体变形减小， 由此产生的滞后损失减小，从而降低了滚动阻力。据德国奥迪试验表明，轮胎气压比规定压力增加 10，可有较好的节油效果。且不降低轮胎的适用寿命。但 是，轮胎充气压力不可过高，否则就会降低轮胎寿命和增加道路早期损坏。 2.5 侧偏在转弯行驶时，轮胎发生侧偏现象，滚动阻力大幅度增加，图 8 画出了总质量34.5t 的半挂车绕半径为 33m 的圆周行驶时，滚动阻力增长的情况。实验表明， 这种由于转弯行驶增加的滚动阻力，已接近直线行驶时的 50%-100%。但在