周 成，鄒 帆，謝秋敏，毛艷麗，張軍濤

（湖南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

汽車動(dòng)力性決定于汽車的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的相互作用。而汽車的行駛阻力包括：滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力以及加速阻力。文章針對(duì)教學(xué)課堂中，學(xué)生對(duì)汽車滾動(dòng)阻力的產(chǎn)生理解困難，故引入彈簧輪胎模型來解析滾動(dòng)阻力的產(chǎn)生等問題。

1 遲滯損失

汽車輪胎滾動(dòng)時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及輪胎和支撐路面的變形。當(dāng)彈性輪胎在硬路面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎的變形是主要的。汽車輪胎在加載變形時(shí)所消耗的能量在卸載恢復(fù)時(shí)不能完全收回，一部分能量消耗在輪胎內(nèi)部摩擦損失上，產(chǎn)生熱量，這種損失稱為輪胎的遲滯損失。這部分熱量主要是輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)的束帶層、簾布層、和胎體層之間的摩擦產(chǎn)生的。輪胎內(nèi)部各層之間關(guān)系如圖1所示。

圖1 輪胎基本結(jié)構(gòu)

此外輪胎花紋形狀也影響輪胎的遲滯損失，輪胎滾動(dòng)時(shí)花紋愈深，則花紋塊接地彈性變形量愈大，由輪胎彈性遲滯損失形成的滾動(dòng)阻力也將隨之增加。

2 彈簧輪模分析

把汽車輪胎理想化成彈簧輪周圍分布著一個(gè)個(gè)小彈簧和減振器。如圖2所示，車輪滾動(dòng)過程中，各個(gè)彈簧反復(fù)交替經(jīng)歷壓縮過程和伸展過程，在壓縮過程和伸展過程中，需克服減振器阻尼的作用而消耗阻尼功，該克服阻尼做功的過程表現(xiàn)為車輪的滾動(dòng)阻力。圖2中直觀可知，輪胎在接觸和離開地面的過程中，需要克服阻尼做功，這部分功就是所說的輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)摩擦生熱。

圖2 彈簧輪模

由輪胎的遲滯損失圖（如圖3所示）看，在輪胎徑向變形相同的情況下，地面作用在加載變形區(qū)的法向反力FZd大于卸載變形區(qū)的法向反力FZd'。因此，導(dǎo)致地面對(duì)汽車輪胎支持力Fz不通過輪心，而是左移，如圖4所示。圖中W為汽車重力，F(xiàn)z為支持力，W為汽車重力，F(xiàn)p1為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)x1為汽車對(duì)地面的摩擦力。因此，可把地面對(duì)車輪的支持力同等于通過車輪輪心的支持力和順時(shí)針力矩Fz*a即Fz垣Fz*a，F(xiàn)z*a即汽車的滾動(dòng)阻力。

圖3 輪胎加載區(qū)和卸載區(qū)域受力情況（左）

圖4 地面對(duì)車輪的支持力左移（右）

3 結(jié)語

（1）通過彈簧輪模，可以更直觀地分析汽車的遲滯損失，讓學(xué)生能夠更簡單了解汽車的滾動(dòng)阻力產(chǎn)生。

（2）通過彈簧輪模分析，為汽車滾動(dòng)阻力的定量分析提供方向。

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