滚动阻力成因分析与影响因素分析

1、.滚动阻力的成因分析与影响因素分析报告车辆 1203 班 第 2 组汽车在水平道路上等速行驶时受到的道路在行驶方向上的分力称为滚动阻力，主要有车轮的弹性变形、 路面变形和车辙摩擦等。 本文主要针对滚动阻力的成因和影响因素研究分析。一、滚动阻力的成因分析近代摩擦学关于滚动摩擦的理论认为： 滚动体在力的推动下滚动， 在赫兹接触区内除存在赫兹正压力外， 还存在切向力， 从而使接触区被分为微观滑动区和黏着区，在黏着区内只有滚动而无滑动， 微观滑动区内还存在着滑动， 认为滚动摩擦阻力由以下四个因素构成：弹性滞后、黏着效应、微观滑动、朔性滞后。但在车轮滚动过程中，热弹性滞后、黏着效应、微观滑动、朔性滞后引

2、起的能量损失所占比例很小，因此，主要原因在于弹性滞后。当弹性轮胎在硬路面（混凝土路、沥青路）上滚动时，轮胎的变形是主要的。由于弹性材料的粘弹性性能， 弹性轮胎在硬支撑路面上行驶时，加载变形曲线和卸载变形曲线不重合导致能量损失， 此能量系损耗在轮胎各部分组成相互间的摩擦以及橡胶、棉线等物质间的分子间摩擦，最后转化为热能消失在空气中，是轮胎变形时做的工不能全部收回。这种损失称为弹性物质的迟滞损失。（如右图）这种迟滞损失表现为一种阻力偶。当车轮不滚动时 , 地面对车轮的法向反作用力的分布是前后对称的；当车轮滚动时 , 由于弹性迟滞现象 , 处于压缩过程的前部点的地面法向反作用力就会大于处于压缩过程的

3、后部点的地面法向反作用力, 这样 , 地面法向反作用力的分布前后不对称, 而使他们的合力 Fz 相对于法线前移一个距离a,它随弹性迟滞损失的增大而变大。即滚动时有滚动阻力偶矩 Tf Fz ?a , 阻碍车轮滚动。（如下图）.FfTfWf Ff由此可见，滚动阻力的作用形式为r 。另一方面，当轮胎在松软的路面上滚动时， 轮胎的变形很小， 主要是路面下凹变形，在车轮前方实际形成了具有一定坡度的斜面， 对车轮前进产生阻力。 还有车轮轴承内部也存在着磨擦， 这些磨擦和变形都要损耗发动机的动力， 从而形成了汽车行驶中的滚动阻力。 车轮行驶在不平路面上时， 引起车身振荡、 减振器压缩和伸长时做功，也是滚动阻

4、力的产生来源。由上可知，汽车的滚动阻力主要是由轮胎和路面的变形引起的， 而轮胎和支撑面的相对刚度决定了变形的特点。二、滚动阻力影响因素分析FfWf FfTfr 可知，滚动阻力主要与滚动阻力由滚动阻力的作用形式系数有关，试验可知，滚动阻力系数主要与以下因素有关。2.1路面环境不同路面的滚动阻力系数不同。 总的来说，路面状况越良好，摩擦因数越小，滚动阻力越小。柔性路面（土路、草地、沙土、雪地）比硬性路面滚动阻力大。因为还需要克服附加滚动阻力， 具体包括接触面材料被压缩和移动行程的车辙阻力和车辙与轮胎之间的摩擦力。压紧路面的干燥路面的滚动阻力比积水路面的滚动阻力小。 因为在积水硬路面运动的车轮与路面

5、之间存在三个区域： 水膜区、过渡区和接触区。 在过渡区轮胎已有变形，与道路有局部接触，而在接触区轮胎与路面之间才完全接触传递力，轮胎排挤水层就形成了排水阻力，增大了滚动阻力。2.2行驶车速 ua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，数分钟后就会出现爆胎。更进一步研究发现， 在一车速实验范围内， 低速行驶时， 滚动阻力近似与车速成线性关系；高速

6、行驶时，滚动阻力近似与车速成平方关系。2.3轮胎材料与结构（ 1）胎面材料：胎面材料的选用对轮胎滚动阻力影响较大，其滞后损失占整个轮胎的 50%甚至更多。在胎面胶中合理使用 BR、S-SBR、白炭黑和高芳烃油，均可降低轮胎滚动阻力。.（ 2）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

7、斜交与子午接地部收缩比较）（3）帘纤材料：轮胎的同一规格的轮胎使用不同的纤维帘线材料， 其滚动阻力有明显差异。芳纶帘线轮胎滚动阻力最低，DSP 聚酯帘线轮胎的滚动阻力介于芳纶帘线轮胎和普通聚酯帘线轮胎之间。（4）扁平比：轮胎扁平比对滚动阻力也产生一定的影响。通常，扁平比越小则轮胎的刚性越大，也越难下沉，滞后损失也相应变低，滚动阻力减少。（5）无内胎化的结构变化也可有效降低滚动阻力。2.4气压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。因为随着充气压力的增大， 轮胎的刚度增大，

8、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。2.5驱动力驱动轮的轮胎大于从动轮的滚动阻力。因为在驱动力矩作用下，胎面与接触地面存在一定的滑动，增加能量损耗。而且，驱动力越大，滚动阻力系数越大。2.6转向通用公司 DFW1100型34.5 吨半挂车汽车在半径 33m的圆周行驶试验表明， 转弯行驶的滚动阻力比直线行驶时增加 50%100%。因为转弯或变更车道行驶时，轮胎发生侧偏现象，车轮受到侧向力的作用，使车轮运动方向不垂直其轴线而是车轮平面与运动方向成某一角度，即侧偏角，此时，滚动阻力将增加侧向力在行驶方向的分力，即附加滚动阻力。 但一般的动力性分析中常不考虑转弯增加的阻力。参考文献1 郭建廷 . 滚动摩擦力的产生机理及其计算 J. 润滑与密封 .1988-012 何燕，张忠富 . 轮胎滚动阻力影响因素及测试方法 J. 轮胎工业 .2004-04-