摩擦机理及影响因素分析

肖彬

摘要：阐述了轮胎与路面的摩擦机理，即路面与輪胎间的分子引力作用、轮胎与路面间黏着作用以及轮胎胎面橡胶弹性变形。通过分析三种因素，得出路面、轮胎、行车速度及交通荷载、环境以及施工技术对摩擦系数的影响程度。

关键字：摩擦机理；影响因素；弹性变形

前言

随着科技的不断发展，对摩擦学研究也逐步深入，学者们渐渐认识到摩擦系数不仅仅是特定物品的一项固有参数，而是对于一个特定的摩擦对象，很多因素都会影响着摩擦系数。

1摩擦机理

摩擦可定义为两个物体接触面间的阻力及对应的能量损耗。顾名思义，轮胎摩擦学主要研究轮胎与道路间相互作用时的力学特征及材料性质。轮胎中主要组成部分橡胶属于黏弹性材料，荷载、实际接触面积、滑移速率及温度等都会影响其摩擦性能。根据以上理论，轮胎与路面的摩擦机理主要由以下几个因素构成。

1.1路面与轮胎间的分子引力作用

汽车运行时，轮胎与路面间距离非常小，此时轮胎分子及路面分子间的分子力不可忽视，并成为轮胎与路面间摩擦力的组成部分。这种摩擦力取决于路面材料和轮胎类型，同时也受实际接触面积的大小、水膜、路面污染、湿度、尘埃等因素的影响。

1.2轮胎与路面间黏着作用

研究指出，路面材料与轮胎胎面间也会产生黏着作用。对橡胶轮胎进行长期磨耗试验后，可在胎面上发现路面材料的微小颗粒；同时在路面面层上也附着有微小橡胶粒状物。与此同时，轮胎与路面材料间的静电引力作用也可证明轮胎与路面产生的相互黏着作用，而此时的摩擦力的黏着分力为剪断轮胎与路面间粘着点所需的力。橡胶轮胎性能、路面材料类型、实际接触面积、相互的作用力都对由黏着作用产生的摩擦力有显著的影响。

1.3轮胎胎面橡胶弹性变形

橡胶轮胎属于高弹性黏弹性材料，在与路面较大微凸体挤压、碰撞时，橡胶材料会反复发生弹性形变。当轮胎相对于路面处于无滑移条件下，由胎面橡胶形变产生的应力在水平方向合力为零，并不会导致摩擦力的产生。但对于属于高弹性黏弹性材料的橡胶轮胎，橡胶内部分子链由于变形而发生相互扭动及摩擦作用，使变形滞后于应力，进而损失部分能量，而这一现象有助于提高轮胎的抗滑能力。而当轮胎与路面间存在相对滑移时，胎面橡胶形变除产生滞后能量损失外，还将产生与运动方向相反的水平方向的合力，形成摩擦力分量，而使得应力呈非对称分布。轮胎花纹类型、花纹密度及路面面层性质对弹性变形产生的摩擦力有较大影响。

2摩擦系数影响因素

2.1路面

道路表面的构造状况直接决定着路面摩擦系数的大小。在车辆高速行驶时，宏观纹理与轮胎间作用较强，而低速时主要由微观构造与轮胎间作用。

2.2轮胎

轮胎主要从轮胎类型、内胎压力、轮胎花纹三个方面影响轮胎、路面间摩擦系数。

2.2.1轮胎类型

从轮胎结构方面，可将现有轮胎分为斜交线轮胎、子午线轮胎及带束斜交轮胎三种类型。斜交线轮胎在滚动时，由于结构原因其交叉层将产生较大的挠曲并相互摩擦，使菱形部分及其橡胶填料产生较大的弹性变形。与斜交线轮胎相比，子午线轮胎的刚度很大，在滚动时其胎壳内产生的弹性变形较小，因此由于弹性滞后等产生的滚动阻力就较小。带束斜交轮胎的摩擦性能介于斜交线轮胎和子午线轮胎之间。

2.2.2内胎压力

车辆在较为坚硬的路面上行驶时，较高的内胎压力将减少路面与轮胎的接触而面积，减少路面与轮胎间的附着能力，也会因轮胎变形较小弹性变形及弹性滞后产生的滚动摩擦阻力随之降低。而当内胎压力较低时，轮胎与路面间的滚动摩擦阻力及附着能力增大。因此，应根据具体行驶情况选择合适的胎压来保持轮胎与路面间有着合适的摩擦特性。

2.2.3轮胎胎面花纹

轮胎的胎面花纹对轮胎摩擦性能的影响主要由胎面花纹类型、花纹密度及花纹深度三个方面组成。

胎面花纹类型可横向花纹、纵向花纹及块状花纹三类。横向花纹连续，纵向花纹间断为横向花纹胎面，其胎面在纵向力的作用下，花纹相对于若干个悬臂梁，在发生较大的切向变形，而在横向力作用下胎面切向变形较小。而当作用力为纵向力及横向力的合力时，轮胎与路面间的摩擦力方向将主要偏向于纵向，即横向花纹轮胎有较好的纵向防滑能力。

胎面的花纹密度系数主要影响着轮胎与路面间的实际接触面积，胎面切向形变性能及胎面贮水、排水能力。轮胎与路面的实际接触面积随着胎面花纹密度系数的增大而增加，从而使路面与轮胎间的附着能力增强。

橡胶轮胎的滚动摩擦阻力也受胎面花纹深度打的影响：当花纹深度越大时，轮胎在滚动过程中橡胶材料的弹性变形量增加，因弹性滞后而产生的滚动摩擦阻力就越大。轮胎在滚动中的磨耗余量也影响胎面花纹深度的确定。

2.3行车速度及交通荷载

速度对摩擦系数的影响主要由两方面组成：

①行车速度的增大会减小路面和轮胎的实际接触面积，从而降低轮胎和路面间的摩擦力。尤其是在路面存在水膜的情况下，随着行车速度的提高，路面和轮胎接触区内的x水来不及完全排除而形成动力水漂，从而导致路面和轮胎间的摩擦力减小。

②车速越高，轮胎对路面的磨耗和冲击作用就越明显，进而导致路面的微观纹理的下降；与此同时，随着重载卡车等重型车辆的数量不断增加，导致路面宏观纹理深度的减小，这些都对路面面层的抗滑性能有着较大的影响。

2.4环境影响

路面摩擦系数的影响因素也包括季节更迭及其导致的温度变化。许多研究表明，当温度于一定范围内下降时橡胶材料在路面上表现的摩擦能力随之增加。同时沥青路面材料的摩擦系数也随着温度的改变呈正弦波动。总体变化趋势为夏低冬高，春秋居中。

许多研究指出，干燥季节比多雨季节的摩擦力差。路面湿滑的条件下，路面材料面层的微小构造与车轮接触区会产生较薄水膜，进而使车轮与路面间发生黏弹性动力水润滑，最终导致降低摩擦系数的降低。而积水较厚时，如若接触区内的水无法及时被排出，轮胎与路面间会因动力水润滑作用使得轮胎与路面部分或完全失去接触，引起局部或整体水滑，进而使摩擦系数降低甚至影响行车安全。

2.5施工技术

保证混合料在施工过程中的充分压实可使沥青路面在使用过程中具有较好的抗磨耗性[44]。否则在车辆的反复碾压作用下，混合料内部进一步相互嵌挤密实，导致空隙率降低，初始的抗滑能力会随着路面构造深度的逐渐减少而迅速降低，于此同时，路面因结构改变而易进水导致浸水破坏，直接影响路面的抗滑及耐久性能。

基于以上提出的摩擦系数的影响因素，并结合可行的技术及手段，本文选取路面材料、轮胎滚动速度及荷载作为摩擦系数测试仪的设计参数。

3结论

从基本的摩擦学基础及摩擦的机理出发，介绍了在实际路面与轮胎的接触中分子引力利用、黏着作用、轮胎弹性变形及路面的微切削作用，并由此引出了影响路面与轮胎间摩擦系数的影响因素：路面、轮胎、行车速度、环境影响及施工技术，其中着重介绍了路面、轮胎及行车速度的影响机理。

参考文献

[1] 任福田.道路交通安全[M].人民交通出版社，2001：10

[2] 王利利.路面抗滑性能变化特性研究[D]：[硕士学位论文].北京工业大学，2008：27

[3] 孙明哲，裴玉龙.道路摩擦系数测定方法若干问题的探讨[J].黑龙江交通科技，2004，10：78-79

[4] 和松.高速公路路面摩擦系数的测试与评价[J].公路交通科技，2002，3：32.