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1、輪胎摩擦力簡介volcanostar0引言高中時(shí)代，我們都學(xué)過經(jīng)典摩擦學(xué)定理，這另許多F1車迷感到困惑，明明摩擦力只與兩物體接觸表面的摩擦系數(shù)和物體所受的正壓力相關(guān)，為什么F1賽車從使用坑紋胎改為使用光頭胎后，賽車的整體抓地力水平增加了呢？沒錯，這的確是個(gè)好問題，整個(gè)賽車界以及輪胎開發(fā)商都不斷致力于對橡膠摩擦特性的研究，又由于賽車界競爭如此激烈，這些研究結(jié)果往往都作為機(jī)密并不會公共發(fā)表。那么，作為一個(gè)賽車運(yùn)動業(yè)余得不能再業(yè)余的愛好者，我們共同探討一下光頭胎能夠提高賽車抓地力的原理。注：需要理論證明的位置，我均標(biāo)上了參考文獻(xiàn)出處。1庫侖摩擦早在17
2、世紀(jì)，法國物理學(xué)家阿蒙頓（GuillaumeAmontons）就提出了摩擦基本定律：摩擦力與所加載荷成正比，與接觸面積A無關(guān)，其實(shí)這也是我們所熟知的庫侖（Coublomb）摩擦定律。庫侖摩擦理論用于研究剛性材料之間的干摩擦特性，：（1）若物體靜止，則摩擦力（F）由靜平衡條件確定，它與最大靜摩s擦力（F）的關(guān)系是：0?FF?；smaxssmax（2）在臨界情況下，動摩擦力（F）=fN，其中f為動摩擦因數(shù)。kkk動摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)與作用在物體上的載荷、兩物體間的接觸面積以及相對滑動速度無關(guān)，且f?f。到目前為止，與我們高中學(xué)習(xí)的摩擦學(xué)完全相同，k
3、s是我們所熟悉掌握的，那么我們來看看橡膠的摩擦力。2橡膠摩擦力概述[1]橡膠是彈性材料，不遵守傳統(tǒng)的庫侖摩擦理論。與大多數(shù)固體的摩擦特性相比，橡膠的摩擦特性有點(diǎn)特殊，因?yàn)橄鹉z是彈性模量較低的粘性可變形結(jié)構(gòu)，在較寬的頻率范圍內(nèi)均具有很高的內(nèi)摩擦，這使得摩擦力大小不僅與真實(shí)接觸面積A有關(guān)，而且還呈非線性關(guān)系（但通常都用線性的簡化模型研究）。僅僅看看參考文獻(xiàn)中國外1981年的研究，就已經(jīng)知道輪胎的性能表現(xiàn)完全與庫侖摩擦理論無關(guān)，所以不用再糾結(jié)于高中的摩擦理論，那么接下來我就同大家一起分析一下輪胎摩擦力問題。3輪胎摩擦力簡化模型分析[2]橡膠露臺與路面之
4、間產(chǎn)生的摩擦大致可分為粘附摩擦和滯后摩擦。滯后摩擦通常表現(xiàn)為：隨著輪胎前端不斷壓入地面產(chǎn)生變形，能量將以熱的形式損耗，有一定的滯后時(shí)間，研究此區(qū)域時(shí)，主要表現(xiàn)為滑動摩擦。另外，也有國外文獻(xiàn)[3]將輪胎與路面間的摩擦機(jī)理分為四個(gè)方面：輪胎與路面間的分子引力作用；輪胎與路面間的粘附作用；胎面橡膠的彈性變形；路面上小尺寸微突體的微切削作用。下面以輪胎制動時(shí)的模型為例，簡單介紹一下輪胎的粘附摩擦和滯后摩擦。上圖為輪胎制動時(shí)的簡圖，由于車手在剎車時(shí)，只有在極端狀態(tài)下才會將輪胎完全鎖死（滑動摩擦），其他狀況下車手在入彎過程中，輪胎制動均表現(xiàn)為滑轉(zhuǎn)摩擦。在彈性
5、滑轉(zhuǎn)時(shí)，地面額縱向反力為粘附區(qū)的靜摩擦力和滑動區(qū)的摩擦力之和。假設(shè)忽略掉賽車在制動時(shí)的重量轉(zhuǎn)移因素，那么輪胎所受的垂直方向反力就是賽車的自身重量。對于滑動區(qū)來說，在不同滑動速度時(shí)，輪胎橡膠的摩擦因數(shù)并不是常量，而是隨賽車的滑動速度變化。但更關(guān)鍵的是粘附區(qū)（附送：國外科學(xué)家研究，賽車過彎時(shí)受到的橫向載荷大部分都由粘付區(qū)承受，滑動區(qū)很少承受賽車的橫向載荷，此研究對車手過彎提高操控技巧并保護(hù)輪胎有決定性意義），發(fā)生在粘附區(qū)內(nèi)的輪胎前后方向的力（現(xiàn)在就討論標(biāo)量，不管方向了，不然太復(fù)2CsWlxh雜了）F?，式中，W表示輪胎接地寬，表示起始點(diǎn)處的周向位移。
6、l至xh6此輪胎與地面接觸區(qū)域的長度和寬度都已經(jīng)出現(xiàn)，那么找到了關(guān)于輪胎摩擦力與接地面積相關(guān)的理論支持。（請不要糾結(jié)于F到底是增函數(shù)還是減函數(shù)，因?yàn)樯蟲文已經(jīng)提到，如果真正研究此模型，那么一切關(guān)系都是非線性的，這里只是簡化到底層的定性說明，國外已經(jīng)有定論當(dāng)其他條件不變時(shí)，輪胎與地面接觸面積增加，摩擦力增大）上述為為理想狀態(tài)下賽車制動時(shí)的輪胎模型，其實(shí)當(dāng)賽車加速輪胎承受牽引力時(shí)的模型也可以根據(jù)此為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展討論，但還是逃不過研究輪胎所有的摩擦力、剪應(yīng)力和橫向載荷。4光頭胎與坑紋胎上面一節(jié)已經(jīng)談到，輪胎接地寬度W和接地長度都會影響輪胎所受的摩擦力大
7、小。這也是為什么如果您接觸任何一本輪胎教材，首先接觸到的名詞就是輪胎與地面的接觸面積（contactpatch,print,footpring，treadpattern等等）以及輪胎與地面接觸長度（pneumatictrailandmechanicaltrail）引起的力矩。光頭胎比坑紋胎抓地力大，除了接地面積大之外，還有其他一些因素。由于光頭胎沒有表面坑紋，那么在承受相同的垂直載荷時(shí)，光頭胎的變形量要小于坑紋胎。這允許光頭胎采用質(zhì)地更軟的材料進(jìn)行制造。此類較軟的橡膠會帶來更大的地面粘附力，但帶來的相應(yīng)問題是胎面耐磨度降低。還有朋友提出輪胎傾角問
8、題，沒錯民用車和許多賽車都有傾角設(shè)置，但是F1賽車在技術(shù)設(shè)計(jì)上，輪胎安裝的內(nèi)傾角是非常小的。為輪胎設(shè)計(jì)內(nèi)傾角，主要目的還是增加賽車在過彎
