滾動(dòng)阻力形成的物理過(guò)程

1、滾動(dòng)阻力形成的物理過(guò)程、基本變形：當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，輪胎發(fā)生反復(fù)變形，造成能量的耗散。受壓的輪胎主要發(fā)生 三種變形：胎冠、胎側(cè)和胎圈的彎曲變形；胎冠的受壓；胎冠和胎側(cè)的剪切形變。輪胎 三個(gè)部位占輪胎能量耗散的百分比大約分別是：胎冠70%、胎側(cè)15%和胎圈區(qū)域15%。a）胎冠的變形：輪胎受壓時(shí)，輪胎周向發(fā)生形變，形變區(qū)域有Flat區(qū)域和Beading區(qū) 域。Flat區(qū)域的曲率趨向與無(wú)窮大，Bending區(qū)域曲率比輪胎周向的曲率要小的多。 當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，輪胎的胎冠反復(fù)經(jīng)歷如下過(guò)程：正常、彎曲、平、彎曲、回復(fù)。Figure 12J: (a) LoiigitiidiiinJ zind(b) trims v

2、erse bending of the tire in The roiitact patch.輪胎的內(nèi)部、外部和中間結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生程度不同的拉伸和壓縮。zudtvireIRctum tog hklal anvatureBrsd drl ihc? e 頑ct ptchFigm e 12.5i Loiiginidinal bending of the cronn: (a) overall defarmntioiis of thetire, (b) defdrmations at different ciicumferentifil locatioii in the ri-on i-egion. I I

3、 MrO HT- n網(wǎng)r I |,|1 jl*UHiiIKJ UdJu4tl InliLjfl-l JFnprarTKHfu&rin在受壓時(shí)，由于帶束層的剛性很大，可以認(rèn)為帶束層是沒(méi)有拉伸和壓縮的。但 是在彎曲區(qū)域，氣密層時(shí)受壓的，帶束層以外的區(qū)域（胎冠、冠帶層等）是受拉伸 的。當(dāng)從彎曲區(qū)域進(jìn)入平底區(qū)域后，氣密層是拉伸的，胎冠和冠帶層是受壓縮的。 再?gòu)钠降讌^(qū)域進(jìn)入彎曲區(qū)域時(shí)，氣密層再次變?yōu)閴嚎s，胎冠和冠帶層變?yōu)槔?，?后恢復(fù)為正常的曲率。接地區(qū)域胎冠的壓縮應(yīng)變水平約為轎車胎的5%和載重胎的14%。當(dāng)輪胎載荷過(guò)大時(shí)，接地長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng)，輪胎結(jié)構(gòu)經(jīng)歷壓縮和拉伸的歷程將更長(zhǎng)，導(dǎo)致能量耗散更 多，滾動(dòng)阻

4、力增加。胎面花紋設(shè)計(jì)的海陸比和花紋塊大小對(duì)輪胎的花紋塊的壓縮應(yīng)力應(yīng)變有很大影 響。如果胎面花紋設(shè)計(jì)的海陸比降低，為了維持同樣的載荷，花紋塊必須承載更大 的接地壓力，以保證較小的花紋塊面積能支撐同樣的載荷。接地面的平均壓力（指 的是接地總面積內(nèi)）與輪胎氣壓大致相同，例如對(duì)于轎車胎為2bar，對(duì)于卡車胎為 6bar。但實(shí)際與路面接觸的區(qū)域只占接地總面積的約70%。根據(jù)下式：Pcontact = Pt1re/（1-Vid）則花紋塊承載的壓力約為輪胎氣壓的2/0.7倍，也就是多出45%，也就是說(shuō)花紋塊承載的壓力約為3bar，卡車胎約為llbar。由于橡膠的特性，當(dāng)花紋塊受壓是，有向四周伸展的特性。而壓

5、縮剛度會(huì)隨著壓縮應(yīng)變的升高而升高。矮而寬的花紋塊比高而窄的花紋塊剛度要大。壓縮應(yīng)變與 花紋塊高寬比可以建立以下方程：compression( 一=0.33 1 eMiF其中sigma是壓力，M10是10%應(yīng)變時(shí)的拉伸應(yīng)力，F(xiàn)是高寬比。高寬比的定義 如下：S-2（S1 + S2）S定義如下：在輪胎的滾動(dòng)中，花紋塊也會(huì)在周向上反復(fù)發(fā)生剪切變形，如下圖所示:Figui-e 12,7: Maveinent of a trtad block through the contactpatch for a -free-roilinj tire uitJi no dip angksThe liejid bla

6、c.li inakn wrrtartwlth 卜時(shí)i電 rad surijt* dh errterhni:the 地板H p就chIlht ireAtl bloEt IrxurtjrtwrthItiubjfcltd tn【iw頃im nd shearing. 411 依 flpprsri ng 0 kin &RCkvindf drrfihen T0m（ETh# U4dupright nm?!叫diin卜（stii I riHuil po+X盅時(shí) g l5lna th? contact Midi同樣，在輪胎進(jìn)入和離開(kāi)接地區(qū)域時(shí)，花紋塊在軸向上也會(huì)發(fā)生剪切變形。這 種剪切是由于胎冠的變形造成的。b

7、）胎側(cè)和胎圈區(qū)域的變形胎側(cè)和胎圈區(qū)域都會(huì)發(fā)生屈撓。一方面在軸向上，胎側(cè)的反復(fù)變形會(huì)使氣密層和胎 側(cè)膠反復(fù)發(fā)生拉伸和壓縮，另一方面，由于帶束層不可延伸，當(dāng)胎冠進(jìn)入接地區(qū)域， 對(duì)應(yīng)的胎體位置偏離了原來(lái)未加載時(shí)的法向位置，這種偏離從胎側(cè)到胎圈都存在， 這時(shí)，簾線周圍的橡膠會(huì)發(fā)生拉伸和剪切，導(dǎo)致能量耗散。在某些區(qū)域可能會(huì)通過(guò) 限制這種非法向性，但這是子午線輪胎的特性，不可能完全消除。在加速和剎車時(shí)，車輛拖力造成的力矩會(huì)傳遞給輪胎。而胎側(cè)和胎圈會(huì)將這個(gè)力矩 傳遞給胎冠，以r-e剪切方式。在載荷作用下，由此造成材料的扭轉(zhuǎn)剪切，導(dǎo)致胎 體簾線也發(fā)生非法向。如果剪切水平時(shí)穩(wěn)定在一個(gè)常數(shù)，那么穩(wěn)態(tài)剪切是不會(huì)造成

8、 能量的耗散，不同程度的剪切在轉(zhuǎn)換時(shí)耗散了能量。發(fā)生在胎側(cè)的變形，在胎圈區(qū)域同樣存在。胎圈不同材料的交界附近，由于材料的 剛度不同，較軟的材料更容易發(fā)生剪切，導(dǎo)致能量耗散。在簾線拉伸方向上，胎體 的剛度比較高，來(lái)抵抗變形。因此，輪胎某方向上任何形式的屈撓，都會(huì)造成附近 區(qū)域材料的剪切。胎圈三角膠條往往有更高的剛度，同樣會(huì)產(chǎn)生這樣的效果。一般 來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)上希望胎圈部位容易屈撓，以降低胎圈應(yīng)力，以便降低滾動(dòng)阻力。c）行駛面曲率影響輪胎加載在曲表面上，會(huì)造成更大程度的彎曲和材料的拉伸與壓縮，帶束層的剪應(yīng) 變更大，接地區(qū)域內(nèi)平均壓力更大，耗散的能量更多。輪胎加載在曲表面上，有更大的下沉量，由此導(dǎo)致駐波

9、的加劇，或者駐波的提前出 現(xiàn)。由此造成能量耗散更加嚴(yán)重。d）路面粗糙度、使用環(huán)境因素a）溫度：溫度升高，輪胎內(nèi)壓會(huì)升高，輪胎的剛性升高，同載荷下輪胎變形程度降低， 能量在變形過(guò)程中的耗散減少，滾動(dòng)阻力減小。RR與溫度不成線性關(guān)系，但是在 常規(guī)路況下，在1040C區(qū)間內(nèi)，每升高1C，約會(huì)降低0.6%滾動(dòng)阻力。Figure 12.10: Effect of teinperature on eneigy dissipation by flEtamei s sutijecTed to cycUcal deformstion.b）氣壓、載荷和速度的影響：滾動(dòng)阻力近似的與施加載荷成正比關(guān)系。這就是滾動(dòng)阻力

10、系數(shù)評(píng)價(jià)輪胎滾動(dòng)阻力的由來(lái)。但是大的載荷會(huì)造成輪胎更大的變形，從而造成輪胎溫度上升的更 快，輪胎氣壓升高得更快，滾動(dòng)阻力增加量會(huì)降低。Figure 12.11: Effect of Load on roltiiig resHiniice for passengei cai tirew.Rolling reiTauce plotted as a. percentage of tint measured at 80& cfthe tires ma工iniuin load capacity.輪胎氣壓降低，同載荷下輪胎的彎曲變形更大，剪切形變更大，輪胎的滾動(dòng)阻 力會(huì)升高。但是低氣壓下輪胎結(jié)構(gòu)壓力的降低

11、會(huì)抵消部分輪胎的彎曲形變，因 此，氣壓的變化只對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力有輕微的影響。Figure 12.12: Effect of th e pressure on rolling resistance for (a) passenger car tires and (b) truck tire* Rolling l esistaace plotted n peiventage of that measured at the nominnJ pressure conclitiou.FftorCnas peoenft of nominal卡車輪胎的塊狀花紋結(jié)構(gòu)比肋條花紋在同等載荷下受壓形變更大。對(duì)于肋條

12、花紋， 由于花紋剛性更好（前文已述），可以提供更大的抗壓能力以抵抗載荷對(duì)花紋塊造 成的變形，由此降低壓縮回復(fù)中的能量損耗。由于這種效果，氣壓降低后肋條花紋 中的彎曲變形可能更大，這反而會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)阻力升高。對(duì)于轎車輪胎來(lái)說(shuō)，壓縮恢 復(fù)過(guò)程造成的能量耗散并不像卡車輪胎那樣嚴(yán)重，氣壓對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響更 低。速度升高對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響有三方面：1.高速下離心力增大，駐波的出現(xiàn)會(huì)增加滾動(dòng)阻力；2.升高速度造成形變的改變頻次加快，橡膠材料的tan6升 高；3.速度升高，溫度升高，引起氣壓升高和tan6降低，RR有降低趨勢(shì)。采用尼龍?zhí)ンw簾線的輪胎，冠部得到簾線增強(qiáng)，有助于降低離心效應(yīng)，而在高速運(yùn) 轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)隨著速度的升高發(fā)生突變。Paffienger tar tire 四iihM a capped aowi Passenger car tire witha