橡胶轮胎摩擦理论与数值化发展前景_朱永刚
可提高轮胎生产率和性能的高性能白炭黑
达８ ０亿 加仑 的燃 油消 耗 ， 二 氧 化碳排 放量 减少达 ４ ５ ０ ０万 ｔ 之 多 。 除提 高 燃 油 经 济 性 和 减 少 对 环
境 的排 污量 外 ， 轮胎 胎 面 中使用 二 氧 化 硅 还 能显
付 出 了环境代 价 。由此产 生 的与全球 气候 变 暖相
关 的温 室气体 （ ＧＨＧ） ， 是人 为排 放 的二 氧 化碳 的 最 大单 一来源 —— 它相 当于人 类产 生 的温室气 体 的６ Ｏ 左 右 。车 辆 所造 成 的 污 染 多 达 ２ ５ 来 自 于克服 车辆轮 胎 的滚 动 阻力 。根据 美 国环境保 护 署（ Ｅ Ｐ Ａ） 的资料 ， 燃 油效 率 较 高 的 车辆 可 以减 少
件下被 粉碎 为更细 粒度 的 白炭 黑 。通过 这种途 径 来 改善分 散性 ， ＨＤ Ｓ产 品便 可 以提 高橡 胶胶 料 的
性能 。
然而， 随着 燃油 价格 的不 断上 涨 ， 各 国及 国际
立 法范 围的扩 大 以及 公 众关 注度 的提 高 ， 致 使 汽
第４ ３卷
第 ２期
的降低 又转化 为燃 油 效 率 提 高 ６ ９ ／ ６ ， 如果 应 用 于 美 国 的乘用 轮胎 市 场 ， 则 可 能会 导 致 每年 减少 多
多达 三分之 一 ， 这 意 味 着单 单 是 轮 胎 就 占了 车辆
油耗 的 ２ ０ ～３ Ｏ 。与这 种 消 耗 相 伴 而 来 的是
系列无定 形 沉淀 白炭 黑 ， 称之为“ 高分 散 白炭 黑 ” （ ＨＤ Ｓ ） 。此 类 白炭 黑 通 常 归 类 为 在 给 定 剪 切 条
早在 １ ９ ７ ６年就 有 文 献 报 道 称 ， 在含 Ｓ Ｂ Ｒ 和 Ｂ Ｒ聚合 物 的乘用 胎面 胶 料 中使 用 无 定 形 沉 淀 法 白炭黑 与 硅 烷 偶 联 剂 组 合 有 诸 多 优 点 。业 已表 明， 将乘 用 胎面胶 料 中 的大部 分 补 强 填 料 更换 为 沉 淀法 白炭 黑 ， 并 与适 当的硅 烷和 聚合 物相 组合 ， 可 以使 滚动 阻力 降 低 ３ Ｏ 之 多 。这 种 滚 动 阻 力
轮胎摩擦学的研究与发展
轮胎摩擦学的研究与发展中国机械⼯程，1999(2): 215~219.轮胎摩擦学的研究与发展彭旭东1 谢友柏2 郭孔辉3（西安交通⼤学润滑理论及轴承研究所，西安 710049）摘要：介绍了轮胎摩擦学的基本知识，并对其发展现状作了综合、归纳、分析与评述，强调应建⽴轮胎的弹性响应模型、准确的摩擦系数模型和热模型。
指出轮胎和道路间的润滑机理及其影响因素，优化轮胎结构和材料的机敏化，改进摩擦学设计和模拟试验等，都应作为今后轮胎摩擦学系统的研究重点。
关键词：轮胎摩擦学；模型；汽车；牵引轮胎与硬路⾯间的相互作⽤⼒(包括摩擦⼒、⽀承⼒等)对车辆的正常⾏驶是极为重要的。
其中摩擦⼒主要对车辆的全操纵过程，包括加速、制动、正常⾏驶、侧偏、转弯、控制甚⾄停车等的稳定性起作⽤。
随着现代车辆速度的提⾼，操纵稳定性问题变得越来越突出，这就要求对轮胎的⼒学特性特别是摩擦特性及其可控性有更深⼊、更全⾯的了解。
1 基本知识按照摩擦学的定义[1]，轮胎摩擦学是研究作相对运动的轮胎和道路间相互作⽤表⾯及其相关理论与实践的⼀门科学技术。
与完全弹性体的⾦属不同，橡胶是粘弹性体，其摩擦⼒是随垂直载荷表观接触⾯积、滑动速度和温度等因素⽽变的。
轮胎摩擦⼒f µ可分为与真实接触⾯积成⽐例的粘着摩擦⼒f a ，以及在接地⾯随路⾯纹理的周期变形过程中作为能量损失被耗散的变形损失摩擦⼒f d ，即f µ = f a + f d （1）在30年代，Schuster 和Welchsler 在试验中发现，当轮胎滚动时，在接地⾯可以看到弹性滑移现象。
该现象随后⼜被很多学者的试验所证实。
轮胎在产⽣弹性滑移时，接地印迹分成两部分，前部为粘着区，后部为滑移区。
其中滑移成分的⼤⼩可⽤滑移率表⽰。
当轮胎受驱动⼒矩作⽤时的滑移率称为驱动滑移率S d ，⽽受制动⼒矩作⽤时的滑移率称为制动滑移率S b ，分别⽤下式计算ωω0a 0d /)(r v r S ?= （2）a 0ab /)(v r v S ω?= （3）式中：ω为轮胎⾓速度；为轮轴速度；为不承受⼒矩时的车轮滚动半径。
新型橡胶加工促进剂的设计——如何使白炭黑对轮胎的补强最大化
较；其次，确定达到最佳性能所需添加的Ａ ｆ １ １ ３ ｘ ３ ７ 鼍 。这 两 个试 验 均 采用相 同的 对照 配方 和 基本
粘 度得 以降低 ， 其效 果接 近 于脂 肪酸 锌 皂， 而 使
匹配的新化学组合，对硫化速率或最 终性能不会 产 生负 面 影 响 。为 了说 明这 两 种产 品 的性 能， 本
文将 对 这 些独 特 的产 品 与传统 加 工促 进 剂 加 以详
细 比较 。
用微晶蜡时粘度仅略有降低 。门尼粘度测试结果
能够奏效 。在 这一实验 中，三段混炼 便足够 获 得所需要的加工性能，而不是像以往所推荐的那 ２ ２ ２ ｛ １０ ０ Ｏ ００ 样 ，要 进行 ５ 段 和６ 段混 炼１才 能获得 类 似 的加工 性 ４ ２ ０ ８６ ４ ２ Ｏ８ ６ ４ ２ ０ ０ 能 。流 变仪 测试 结果 见 图２ 。
此前 ，德 国莱 茵化 学 公司 及莱茵 化学 莱瑙 有
限公司曾报道称 ，有两种独特 的橡胶加工促进剂 产品可提高挤出性能，改善模 内流动性，且对硫 化 周期 或最 终性 能没 有不 利 影响 。 认识到传统加工促进剂无法满足极端白炭黑 添加量和高硅烷含量的需求，莱茵化学公司为此 单位：ｐ ｈ ｒ
省 燃油 的 胎面 胶料 。为 了实现 所 需牵 引性 、耐磨 性 和滚 动 阻力 之 间 的平 衡 ，用 于这 些 胶料 的先进 配 方需 添 加超 出正 常用 量 （ 或 称极 端 添 加量 ）的
混炼程序 ，所面临的挑 战就是如何降低粘度 ，改 善挤 出性 能，提 高 模 内流 动性 ， 同时 又对 硫化 性 能或 最终 物理 性 能无 负面 影 响。
轮胎橡胶材料发展趋势
轮胎橡胶材料发展趋势
随着汽车工业的不断发展，轮胎橡胶材料也在不断发展，未来的
趋势主要包括以下几个方面：
1. 绿色、环保：环保、低碳已成为全球汽车工业的主旋律，轮
胎橡胶材料也将朝着绿色环保的方向发展。
未来将会逐步增加植物生
物质、可降解材料等来代替传统的石油基材料。
2. 安全、性能：轮胎作为汽车重要的安全部件，其性能的要求
越来越高。
未来轮胎橡胶材料将会注重制造高强度、低滚阻、低噪音、高耐磨耗、不易熔断等性能优良的轮胎。
3. 智能、可持续：随着物联网技术的发展，未来的轮胎将会变
得更加智能，比如能够自我检测、预警实时修复等。
此外，轮胎橡胶
材料也会注重可持续性，尝试将废旧轮胎回收再利用。
总之，未来的轮胎橡胶材料将会越来越注重绿色环保、安全性能
和智能可持续发展。
摩擦学的进展与展望
摩擦学的进展与展望摩擦学是一门关于摩擦现象及其控制的学科，是材料领域中最重要的基础科学之一。
随着科学技术的不断发展，摩擦学研究也逐渐取得了新的进展和突破，本文将简述摩擦学的进展以及未来的展望。
一、摩擦学的进展1. 材料性能的改进随着材料科学的发展，工程界不断提出新的材料，任何材料都不能发展的独立于摩擦学的限制。
新型材料的发展为减小摩擦提供了一种途径，包括纳米材料，硅基材料等等。
2. 润滑技术的发展传统的润滑技术包括机械润滑、油润滑、气体润滑等。
而近年来润滑技术的应用也越来越广泛，从传统的机械润滑开始转向静电场润滑等新型技术，这些技术的应用有效地减小了摩擦现象，增加了机械设备的寿命。
3. 摩擦学理论的深化随着计算机技术和数值模拟技术的发展，摩擦学理论得到了很大的改进。
现代摩擦学理论已经逐渐从传统的摩擦现象说明向着深入探讨摩擦机制的方向发展。
同时新型摩擦学理论的提出可为材料科学提供新的支撑。
二、摩擦学的展望随着材料科学、计算机科学的快速发展，摩擦学在未来还有非常广阔的发展空间。
未来摩擦学的发展重点包括以下几个方面：1. 摩擦与磨损控制的理论和技术的发展随着工业的快速发展，摩擦机制和材料耐用性是极其关键的。
未来研究需着重探索摩擦与磨损强度之间的关系、摩擦机制的本质、新型润滑剂的研究等等。
2. 智能润滑技术的推广智能润滑技术将润滑技术与计算机技术相结合，开发出一种更加高效、自适应性更强的新型润滑系统。
未来摩擦学的应用将更加普及和广泛，发展出与工业现状高度契合的新型智能润滑技术。
3. 摩擦学与新材料的研究在现代工程技术和材料科学的高度发展下，新型材料的研究变得越来越重要。
未来的摩擦学还需要关注新型材料的摩擦特性、摩擦不稳定性等方面的应用研究。
尽管摩擦学已取得了长足的发展，但是未来摩擦学的发展研究充满了无限的可能性。
相信有天人们可以突破摩擦机制的局限，创造出更多的奇迹。
4. 微观结构与摩擦特性的研究随着纳米技术的不断发展，微观结构与摩擦特性之间的关系逐渐成为了一个热门领域。
摩擦学研究的发展趋势
世纪回顾与展望—摩擦学研究的发展趋势温诗铸院士摘要在回顾摩擦学发展历史的基础上，总结20世纪60年代以来，在摩擦学主要研究领域包括流体润滑、材料磨损与表面处理技术、纳米摩擦学等的发展现状和展望。
分析了相关学科的发展和学科交叉对摩擦学研究的推动作用，并介绍了摩擦学与其他学科交叉领域如摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学和微机械学等的发展概况和趋势。
摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关。
18世纪的特点是以试验为基础的经验研究模式。
19世纪末，开创了基于连续介质力学的研究模式。
到了20世纪20年代以后，发展成为涉及力学、热处理、材料科学和物理化学等的边缘学科，从此开创了多学科综合研究的模式。
1965年首次提出Tribology(摩擦学)一词，简要地定义为“关于摩擦过程的科学”。
此后，它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。
1 研究现状与发展趋势现代摩擦学研究的主要特征可以归纳为：(1)在以往分学科研究的基础上，形成了一支掌握机械、材料和化学等相关知识的专业研究队伍，有利于对摩擦学现象进行多学科综合研究，推动了摩擦学机理研究的深入发展。
(2)由于摩擦学专业教育的发展和知识普及，以及摩擦学本身具有的实践性很强的特点，当今工业界有大量的工程科技人员结合工程实际开展研究，促使摩擦学应用研究取得巨大的经济效益。
(3)随着理论与应用的不断完善，摩擦学研究模式开始从以分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制性能为目标的研究模式发展。
此外，摩擦学研究工作从以往的主要面向设备维修和改造逐步进入机械产品的创新设计领域。
20世纪60年代后，相关科学技术特别是计算机科学、材料科学和纳米科技的发展对摩擦学研究起着重要的推动作用，主要表现在以下方面。
1.1 流体润滑理论以数值解为基础的弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)理论的建立是润滑理论的重大发展。
重大装备橡塑密封系统摩擦学进展与发展趋势
重大装备橡塑密封系统摩擦学进展与发展趋势近期重大装备橡塑密封系统摩擦学研究及发展趋势：1. 摩擦学机理研究：（1）研究摩擦学性能和结构参数和装备摩擦学机理的相互作用；（2）对橡塑系密封材料的摩擦学性能进行系统研究；（3）研究结构参数和外界条件等对装备橡塑密封系统摩擦性能的影响。
2. 润滑剂应用技术：（1）探讨各种原材料的摩擦学性能；（2）研究不同施加压力和滑动速度下的摩擦特性；（3）分析各种润滑剂散发物在橡塑密封表面上的摩擦特性。
3. 功能性润滑剂研究：（1）开发具有耐磨、润滑效果及降低活塞组件的摩擦系数等特性的新型功能性润滑剂；（2）制备能有效产生摩擦学性质的多组分复合润滑剂；（3）开发对橡塑密封系统使用的润滑剂试验装置，实现对摩擦学性能的全面评估。
4. 自润滑型材料研究：（1）探索制备非金属润滑橡塑材料结构；（2）实现非金属润滑橡塑材料加工工艺流程；（3）研究结构参数和外界条件对其密封性能的影响。
5. 装备橡塑密封体系计算机仿真模拟：（1）建立内部压力、流量和温度、润滑状态等模型；（2）利用comsol的非线性求解器，实现对class III橡塑模型的计算模拟；（3）构建不同压力、温度和摩擦特性的数字仿真模型，进一步探究装备橡塑密封体系的热效应。
6. 模拟实测技术：（1）构建一套由模拟实验装置，通过模拟实验测量装备橡塑密封体系的摩擦学性能；（2）利用数据挖掘技术，研究摩擦学参数是如何影响到装备橡塑密封体系的稳定性；（3）研究不同润滑方式的摩擦性能，为改善设备密封系统的使用寿命提供依据。
从上述可以看出，重大装备橡塑密封系统摩擦学的研究主要以摩擦学机理研究、润滑剂应用技术、功能性润滑剂研究、自润滑型材料研究以及模拟实测技术等为核心，在其中又以计算机仿真模拟技术为重要的引导方式。
对该方面的研究，未来还有许多的改善空间，比如，进一步探究润滑性质、表面粗糙度和化学组份对摩擦学性质的影响，研制措施以及开发新型的摩擦材料，改善设备密封性能。
橡胶在轮胎中的应用及研究进展
专论综述弹性体,20100825,20(4):88~92CH INAELASTOMERICS收稿日期6作者简介白雪涛(),男,湖北武汉人,在读硕士,研究方向为聚合物功能材料。
*吉林省科技发展计划项目(56)**通讯联系人橡胶在轮胎中的应用及研究进展*白雪涛1,窦艳丽1,牟建新2,孙国恩1,张春玲1**(1.吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室,吉林长春130025;2.吉林大学化学学院,吉林长春130012)摘要:介绍了天然橡胶和合成橡胶在轮胎中半成品部件,胎面、胎侧、气密层、胎体、带束层和胎圈的加工应用和性能特点,以及新型橡胶、环保再生橡胶和新材料技术在轮胎中的应用。
根据近几年社会所倡导的安全环保的特点,轮胎的发展也更加趋向于绿色轮胎、安全性更高的轮胎,因此新型橡胶材料的开发也必将成为轮胎领域的重要发展方向。
关键词:轮胎;橡胶;胎面;胎侧;气密层;胎体;带束层;胎圈;再生胶中图分类号:TQ 336.1文献标识码:A文章编号:10053174(2010)04008805橡胶的应用十分广泛,包括飞机和汽车轮胎、传送带、降落伞、软管等。
天然橡胶(NR)和合成橡胶(SR)的生产量约2/3耗用于运输和汽车工业,每辆车含有橡胶产品约100~145kg,而轮胎则占35%~55%。
目前,我国汽车工业迅猛发展,与之密切关联的汽车轮胎业随之产量急增。
随着人类环保意识的逐步增强、高速公路的快速发展及计算机技术的突飞猛进,人们对轮胎的性能提出了更高的要求,出现了低能耗、耐久、环保、智能等功能性轮胎。
高性能轮胎的开发离不开胎用橡胶技术的开发[1~9]。
轮胎是由橡胶和骨架材料的复合体构成。
轮胎的功能是固定在车辆的轮辋上,支撑着负载的车辆重量,传递着车辆的牵引力、制动力和侧向力(转向力),减轻和吸收车辆在行驶时来自路面的振动和冲击,保证车辆与路面的附着性能,适应车辆的高速性能并降低行驶时的噪音。
轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用,它在行驶时承受着各种变形、负荷力以及高低温作用,因此必须具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能。
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第27卷 第5期2006年10月特种橡胶制品Special P ur po se R ubber Pr oducts V o l.27 No.5 October 2006橡胶轮胎摩擦理论与数值化发展前景朱永刚,刘 焜(合肥工业大学机汽学院,合肥 230009)摘 要:轮胎摩擦是关系汽车安全行驶的重要力学行为,汽车的操纵稳定性主要来自轮胎/路面间的摩擦力,对轮胎的研究具有重要的意义。
大量的研究表明,轮胎的摩擦系数不仅与摩擦表面材料性能有关,而且与载荷、表面形态、相对滑动速度、环境因素有关。
所有这些影响因素都不是线性的关系,本文努力从不同的角度详细地阐述轮胎的研究进展情况。
橡胶摩擦特性是轮胎研究的基础,橡胶的粘弹性是橡胶的摩擦学的中心,可见橡胶的粘弹性是关键。
通过对相关研究成果的分析,指出了下一步研究方向。
关键词:橡胶;轮胎;粘弹性;摩擦中图分类号:T Q336.1 文献标识码:A 文章编号:1005-4030(2006)05-0054-04收稿日期:2006-05-09作者简介:朱永刚(1968-),男,在读硕士,工程师,从事轮胎路面摩擦研究。
橡胶是汽车轮胎的主要材料,直接与地面接触,所以研究橡胶的摩擦磨损性能,是关系汽车安全的基础环节,也是ABS 防抱死装置的理论基础和操作依据。
汽车行驶、制动、加速、转弯时的唯一外力来源(不考虑空气阻力)就是从轮胎与路面间的摩擦力获得的。
因此从安全、可靠、延长轮胎使用寿命的角度来说,研究轮胎橡胶的力学行为是意义十分重大的一项基础性工作。
由于轮胎的受力状况复杂,影响轮胎摩擦力的因素繁多,准确地把握轮胎的摩擦状况还有距离,这方面的研究还有待进一步深化。
本文概括了近年来在轮胎摩擦磨损方面的研究进展,同时指出其进一步发展方向。
1 橡胶的摩擦特性对于橡胶的摩擦磨损特性,国外的研究起步较早,成就也很明显。
正象所有的摩擦一样,橡胶的摩擦也可以用Co ulo mb 定理[1]来描述。
F = G式中:F 摩擦力摩擦系数 G 载荷与固体之间的摩擦不同的是,这里的 不是一个常数,它是变化的,它与温度、湿度、速度、载荷等因素有非线性关系,忽略它的非线性,把它近似为常数将产生巨大的误差。
可见在橡胶的摩擦磨损中,直接使用该公式是没有结果的。
为了进一步准确地描述橡胶的摩擦特性,文献[2]定义了如下的关系:F =F a dh +F def +F vis +F wea式中:F adh 接触表面间因粘附作用而产生的摩擦力,F def 接触表面间因不平整引起的变形而产生的力,F vis 、F wea 橡胶材料的粘弹性和橡胶材料在磨损中的脱落而导致的两种形式的摩擦力,一般这两个力很小,可以忽略不计。
因此文献[2]给出了更加简明的表达式:F =F adh +F defM oo re [2]等研究表明摩擦系数可以更进一步表示成如下公式:adh =K aE 1P rtan def =K hP E 1tan 式中:tan 橡胶材料的滞后系数,E 1 可恢复的弹性模量,即储能模量,K a 常系数,K h 常系数,P 平均压力,P 正压应力可见,橡胶的摩擦特性与其自身的属性tan 成正比,这是粘弹性在橡胶摩擦中的一个明显特征。
但是,这个模型只在低速时较正确,在高速时误差较大,彭旭东等[3]证明在速度达到80km /h 时,误差高达50%,并认为产生这样的误差是该模型假设温度为常数所致。
在实际工作中,轮胎在高速行驶时,温度有时超过100 ,粘弹性模量改变很大。
2006年 朱永刚等 橡胶轮胎摩擦理论与数值化发展前景55此后,橡胶的摩擦研究从经验向理论发展,Sav koo r A R 在文献[4]所给出的滑动摩擦系数公式是有代表性的经验公式。
T abor 在文献[5]中所给出的流动摩擦系数计算中,虽然理论性较强,损耗系数却难以得到。
G.Palasantzas 在橡胶的摩擦磨损理论研究中,利用粘弹性力学、分形学相关知识,并借助自相关函数、富式变换[6~8]的手段获得如下表达式:a dh=E( 0)2(1-v )W IM 1E( 0)QcQa2q2(1+aq 2 2)1+H dq(1)式中:E( 0) 频率为 0时材料的弹性模量,表示为E( 0)=E 1( 0)+E 2( 0)i 的复数形式,E 1( 0),E 2( 0)分别是橡胶的储能模量和耗损模量。
0=V/L ,V 为滑动速度,L 为特征长度,v 柏松比,I M[ ] 表示取[ ]数的虚部,Q a =2 / , 是宏观表面波动长度,Q c =2 /a,a 是微观接触半径,H 粗糙度指数,是分形学中的一个参数,W 表面形态参数,是高度的均方根,q 橡胶摩擦表面的振动频率。
从这个公式可以定量地看出橡胶的摩擦系数与滑动速度的关系,如图1所示。
图1(b)与 S 曲线[9]相似,都有一个最大值。
Persson[10]在系统研究的基础上,给出了自己的基于粘弹性力学的计算方法,并使用了该方法计算说明了雨天轮胎摩擦力大减的原因,这一发现让人们看到了统一各项研究成果的希望。
G.Carbore 等[11]基于表面粘附能理论,根据弹性力学、断裂力学[12]的基本原理,忽略波的传播和粘弹性所引起的能量损失时,给出了摩擦系数的如下结果: =kh co s 2(ka/2)sin (ke)cos (ke)sin 2(ka/2)-PP(2)其中P =2(1-v 2)PE 1kh;k =2 /式中:P 橡胶材料中垂直地面离接触表面无限远处的压应力, 微观波动长度,h 表面图1 与频率有关的两个性质粗糙度值,a 微观接触面积半径,e 在速度为V 时,接触面积的中心与静态接触面积的中心的偏离量,其他符号与公式(1)相同。
从该公式同样可以得到摩擦系数与偏离量e 的关系。
当取h 为0.3m m,a 为2 /8, 为2 h,弹性模量E 为106Pa 的情况下,公式(2)的视图见图2,从上往下依次是压力逐渐增大时的 -e 曲线图。
压力越大,波幅越大,随着压力增大,摩擦系数逐渐减小。
引起这种现象的原因是,与金属之间的摩擦不同,随着压力的增加,橡胶/路面的实际接触面积增加缓慢。
很显然这也可以用橡胶的变形来解释。
从图中还可以看出,摩擦系数为类正弦波动,随着e 的增大,摩擦力从零逐渐增大,当达到最大值时,又逐渐减小,这与轮胎的经典摩擦分析相一致。
只是由于轮胎的受力比单纯的橡胶块受力要复杂,公式的推导中又进行较大的简化,从而产生偏差,在低滑动系数时较符合,在高滑动系数时误差较大。
公式(1)、(2)在高滑动系数时的偏差表明,仅考虑粘弹性而忽略表面的粘附性或仅考虑表面的粘附性而忽略粘弹性,都是不妥的,必须给予全面地考虑,方能与实际相符。
二者在低滑动速度时符合度均较好,说明粘弹性与表面的粘附有某种的相关性,而不是人们所认为的是二者的简单的代数和。
56特种橡胶制品第27卷 第5期图2 不同压力下摩擦系数与偏移量关系在汽车行驶中,可以通过滑动速度、橡胶的粘弹性和表面能、路面粗糙度来计算出汽车所有摩擦力与所需摩擦力之间是否匹配。
如果滑动速度、路面粗糙度、环境因素是外因,橡胶的粘弹性和表面能就是内因。
外因是通过内因起作用的。
橡胶的粘弹性和表面能不是常数,正是二者的非常数性,才导致摩擦系数数值化中这样那样的偏差。
尽管各种研究有自己的简化,但这是偏差的主要来源。
WLF公式[13]是粘弹性力学中一个著名的公式,尽管其有适用的温度范围,却不失为指导橡胶摩擦研究的一个原则,是解决偏差的一个理论,轮胎橡胶材料性能也是依据这样的理论来检测的:log10a t=-8.86(T-T0) 101.5+(T-T0)式中:T0 参比温度,a t 互换因子,T 需要评价的温度。
通过WLF公式,可以很方便地求出a t,通过a t 作频率变换,就可以把实际温度T与参比温度T0联系起来。
这个表达式将为修正各种假设温度为常数的条件下所获得的公式提供理论支持,这些公式包括本文所引用的最新研究成果。
2 轮胎摩擦特性经典的轮胎摩擦模型是Fiala-Sakai模型。
它认为轮胎与地面接触面积区内,除非是纯滑动,一般都可以分为两个区,一个是粘着区(轮胎进入接触的一侧),一个是滑动区(轮胎离开接触的一侧),如图3所示。
两个区的大小与滑动率的大小是相关的,滑动率越大,滑动区越大,粘着区越小。
滑动率=(车轮线速度-车辆移动速度)/车轮线速度。
由于滑动区的摩擦系数与粘着区的摩擦系数是不同的,因而轮胎摩擦系数随着滑动率的变化而变化。
一般滑动率在0.15~0.20之间时轮胎摩擦系数最大,即人们所知道的汽车防抱死装置ABS工作所处于的摩擦系数/滑动率曲线的最高点附近。
前苏联学者克拉盖尔斯基[14]对轮胎的摩擦研究,结论为轮胎的接触区可以分为三个区,即滑动-粘着-滑动三个区。
我国学者管迪华[15]等通过模态方法计算轮胎路面静态接触得出结论,接地印迹内部为粘着、边缘为滑动二个区。
随着速度的变化,这几个模型之间是可以相互转化的。
图3 制动力与滑动系数的关系在轮胎的数值研究中,正像橡胶的摩擦系数的数值研究一样,各种经验和拟合公式不断涌现,魔术公式[16]就是轮胎的数值研究中有代表性的一个。
这一方面说明轮胎的摩擦研究很活跃,另一方面也说明研究还没有一个公认的理论体系。
日本学者Naoshi Miy ashita等[17],在理论上进行了推导,他假定轮胎的二个区的摩擦力是线性分布的,并给出了表达式,该表达式与实际相符度较高,是较新的成果。
我国学者郭孔辉[18]等在轮胎方面也作了大量的研究,其研究成果已被运用到生产实际中,在上海通用的轮胎检测中发挥了积极的作用。
郭孔辉等的轮胎侧偏力研究,无论在国内还是在国外都具有领先的地位,其主要特点就是将轮胎的曲率因素考虑进去,利用一定的数学手段,拟合出的侧向力为:F y= d F z1-e x p- y-E1 2y-(E21+112) 3y式中: d 摩擦系数,E1 曲率因数,F z 垂直载荷, y 侧向相对滑移率。
该式各项意义明确,没有经验系数。
虽然该公式理论性不严密,但实用性较好。
3 结束语轮胎的运动力学是比较复杂的,也是比较重2006年 朱永刚等 橡胶轮胎摩擦理论与数值化发展前景57要的,人们对它的研究可以说才刚刚开始,轮胎的理论研究还很不完整,过多的简化导致与实际情况有明显差距。
轮胎的数值计算也不全面,大量的人为假设存在其中,从而产生不应有的偏差。
由于轮胎的雨天变形说[10]的发现,人们对轮胎的摩擦认识又出现了一个新的视野。
轮胎的摩擦研究应该有一个较大的发展。
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