汽车车轮滚动摩擦分析

活动二　汽车车轮滚动摩擦分析

我们知道，如果没有车轮与地面的摩擦，汽车是无法行驶的。设想不同的情景，理解汽车车轮的滚动摩擦。

1.仔细分析，什么是驱动轮，什么是非驱动轮？

2.汽车在行驶、制动时，车轮分别处于怎样的摩擦状态？

3.什么是滚动摩擦？

一、了解驱动轮和非驱动轮

把普通汽车支起，启动发动机，加油门，如果后车轮向前转动而前车轮不转，则转动的后车轮为驱动轮，它驱动车子前进，不转动的前车轮为非驱动轮。

二、利用玩具汽车来分析前后车轮所受的摩擦

1.汽车（后轮驱动）在平直公路上向前行驶，分析前轮和后轮所受的摩擦

如图6－2－1所示，若后车轮是驱动轮，它受到发动机传递过来的转矩而向前转动，给地面以向后的推力，根据作用力与反作用力公理，地面给后轮以向前的推力，推动汽车向前运动，此推力是静摩擦力，所以我们说摩擦力F_f1是驱动力。前车轮是非动轮，在驱动力的作用下随车体一起向前运动，受到地面给它的静摩擦力F_f2的作用而向前转动。在行驶过程中，前后车轮都处于滚动状态，故都存在滚动摩擦。

图6－2－1　后轮驱动行驶的汽车

雪地里、沙滩上、泥坑里，打滑时汽车不能前进。

2.斜坡上的汽车关闭油门时，分析前后车轮受到的摩擦

如图6－2－2所示，假设斜坡有一定的坡度，且汽车未制动时，关闭油门后，汽车会向前滑行。此时地面将阻碍汽车向前运动，所以前后轮都受到静摩擦力Ff的作用而向前滚动，都是滚动摩擦。

3.汽车制动时的前后轮摩擦力方向分析

汽车制动时，车轮因制动力过大往往会抱死，导致轮胎在地面上滑行，路面上留下一道黑色橡胶磨痕。

图6－2－2　斜坡上行驶的汽车

（1）只使用前轮制动、汽车仍在向前滑行时

前轮因制动抱死而向前滑动，所受的摩擦力为滑动摩擦力，其方向向后；因汽车仍向前滑行，地面给后轮的静摩擦力促使后轮向前转动。所以前轮受到的是滑动摩擦，而后轮受到的是滚动摩擦。由于惯性，汽车可能向前或向两侧翻转。

（2）只使用后轮制动、汽车仍在向前滑行时

与（1）的情况刚好相反，后轮因制动抱死而向前滑动，所受的摩擦力为滑动摩擦力，其方向向后；因汽车仍向前滑行，地面给前轮的静摩擦力促使前轮向前转动。所以前轮受到的是滚动摩擦，而后轮受到的是滑动摩擦。

（3）前后轮同时制动、汽车仍向前滑行时

前后车轮制动抱死，汽车仍向前滑动，故前后车轮均受到滑动摩擦力的作用，方向向后。

汽车制动时车轮抱死，不仅造成轮胎严重磨损，更主要的是在这种情况下汽车完全失去操作方向的能力，这是引起车辆碰撞事故的一个主要原因。制动防抱死系统（ABS）防止车轮抱死打滑，使车轮保持既制动又滚动的状态。

三、轮胎气足与气不足

将车轮移到另一个地方，可采用拖动和滚动两种方法。请用“省力”、“不省力”、“比较省力”填写下表。

一、滚动摩擦

当物体间相对滚动或有相对滚动趋势时引起的摩擦，称为滚动摩擦。现在来简单探讨一下有关滚动摩擦的问题。

如图6－2－3（a）所示，一放在水平面上的轮胎，它的重量为P，半径为r，在车轮中心处作用着一水平力F。由实践可知，当作用力F不太大时，轮胎仍能保持静止状态。这时在轮胎上除了受到水平力F和重力P以外，还受到水平面的法向反力F_N和静摩擦力F_f的作用。我们知道：轮胎在力F的作用下，一方面有沿力F方向滑动的趋势，同时也有绕接触点A滚动的趋势。静摩擦力F_f阻止了轮胎的滑动，但它不能阻止轮胎的滚动。那么，究竟是什么阻止了轮胎的滚动呢？因为轮胎压紧在水平面上，接触面处会发生一定的变形，当受到力F作用时，局部发生的变形使力F_N的作用线向力F的方向移动了一段距离δ，如图6－2－3（b）所示，力F和F_f组成一力偶，它要使轮胎滚动，而重力P和F_N组成的另一力偶，力图阻止轮胎的滚动，这就是滚动摩擦力偶，其大小为M_f＝δF_N。

当力F在一定范围内逐渐增大时，力F_N移动的距离也随之相应增大，轮胎还能保持静止状态。当力F增大到某一临界值时，轮胎处于将要滚动而尚未滚动的临界状态，距离δ增大到最大值。这时使轮胎发生滚动的力偶，它的力偶矩达到最大值，即

M_max＝δF_N

图6－2－3　滚动摩擦

式中δ为法向反力FN移动的最大距离，它具有长度的量纲，称为滚动摩擦系数。

滚动摩擦定律：滚动摩擦力偶矩的大小与接触面的法线反力成正比，方向与滚子的转动方向相反。

滚动摩擦系数的大小与接触物体的材料和接触面的情况有关，而与滚子半径的大小无关，材料硬，接触面变形就小，δ值也小，便可减少滚动摩擦阻力。例如在坚硬的路面上拉车比在松软的路面上拉车省力，车胎充气足时比充气不足时的行驶省力。表6－2－1列出了几种常用材料的滚动摩擦系数值。

表6－2－1　几种常用材料的滚动摩擦系数（单位：mm）

由于滚动摩擦系数δ较小，因此在大多数情况下滚动摩擦可忽略不计。

1.观察滚动轴承和滑动轴承的组成，想一想为什么滚动轴承适用于轻载高速，而滑动轴承适用于重载低速？

2.观察轮胎与路面包含的两大摩擦问题：一是轮胎与路面的摩擦；二是轮胎的磨损。想一想如何使车辆在行驶中的滚动摩擦阻力减小？

二、消除有害摩擦和强化有用摩擦的常用措施

摩擦有有利的一面，如皮带传动靠摩擦传递运动和动力，制动器靠摩擦刹车，没有地面的摩擦汽车无法行驶，螺旋千斤顶、连接螺栓等需要靠摩擦自锁保持平衡等；同时摩擦也有不利的一面，如摩擦会使机件磨损甚至损坏、降低效率、消耗能量等。我们研究摩擦，就是要充分利用其有利的一面，而减少其不利的一面，具体的措施如下：

1.减小摩擦的措施

①在允许的情况下，改滑动摩擦为滚动摩擦；

②改善表面的接触情况，如使表面光滑、添加润滑油等；

③使用减摩材料，以减少因摩擦而产生的磨损。

图6－2－4　制动器利用摩擦力制动

在汽车的使用过程中，合理使用润滑材料，不仅可以降低润滑材料所消耗的费用，还可以提高润滑效果，减少摩擦和磨损，从而降低功率损耗和燃料消耗，延长汽车使用寿命。汽车所使用的润滑材料可分为机油、齿轮油和润滑油3类。

2.强化有用摩擦的措施

①设计时满足自锁条件；

②增大接触表面的摩擦系数；

③增大接触面的压力。

1.观察发动机各运动件之间用了哪些方法减小摩擦阻力？

2.赛车轮胎有什么特点？

一、填空题

1.两个相互接触的物体，当它们接触面之间有　　或　　时，在接触面之间产生的阻碍彼此相对滑动的切向阻力称为　　。

2.滑动摩擦力的方向总是和接触面间　　的方向相反，它的大小与接触物体间的　　成正比。

3.在考虑摩擦的情况下，接触面对物体的约束反力由　　和　　两部分组成，它们的合力称为接触面的　　。

4.全反力和接触面法线之间的夹角最大值称为　　。

5.斜面自锁的几何条件是　　小于或等于　　。

6.滚动摩擦产生的原因不同于滑动摩擦，它主要由　　的变形引起的。

7.滚动摩擦系数是一个具有　　单位的系数，一般　　滑动摩擦系数。

二、计算题

1.如下图所示，自卸翻斗车的车厢靠油缸推举可绕A轴转动。若砂土与车厢的摩擦系数f＝0.7，试问在卸车时要保证车厢内的砂土卸干净，车厢倾角α至少多大？

2.如下图所示，物体放在水平面上，物体重G＝500N，物体与平面间摩擦因数f＝0.3。当物体所受水平力F的值分别为0、50N、100N、150N、200N时，物体是否平衡？摩擦力各有多大？

3.如下图所示，要使物体沿水平向右滑动，（a）、（b）、（c）三种情况中，哪种方法最省力？