摩擦力研究畢業(yè)論文.doc

摩擦力的研究與應(yīng)用 第7頁 共7頁,摩擦力的研究與應(yīng)用摘要：摩擦力就是當兩接觸構(gòu)件間存在正壓力時，阻止兩構(gòu)件進行相對運動的切向阻力。摩擦力是兩個表面接觸的物體相互運動時互相施加的一種物理力。廣義地物體在液體和氣體中運動時也受到摩擦力。本文以研究輪胎的摩擦為例，深入探討摩擦力的應(yīng)用，并簡單介紹摩擦學的研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：摩擦力，應(yīng)用，研究1. 摩擦力的定義與總類事實上，只有在忽略摩擦力的情況下人們才能引出力學中的基本定律。摩擦力是兩個表面接觸的物體相互運動時互相施加的一種物理力。廣義地物體在液體和氣體中運動時也受到摩擦力。摩擦力分為靜摩擦力和動摩擦力，動摩擦力又可以分為滑動摩擦力和滾動摩擦力。各種摩擦力在實際生活中都是廣泛存在和不可缺少的，并且還起著非常重要的作用。有的摩擦力在理論分析中可以由具體的公式進行計算，而有的摩擦力則要通過對具體問題具體分析而計算出來。在物理學中，摩擦力也是最常見和最重要的力之一。摩擦力內(nèi)最大的區(qū)分是靜摩擦力與其它摩擦力之間的區(qū)別。有人認為靜摩擦力實際上不應(yīng)該算作摩擦力。其它的摩擦力都與耗散有關(guān)：它使得相互摩擦的物體的相對速度降低，并將機械能轉(zhuǎn)化為熱能1。固體表面之間的摩擦力分滑動摩擦、滾動摩擦、滾壓摩擦和轉(zhuǎn)動摩擦。在工程技術(shù)中人們使用潤滑劑來降低摩擦。假如相互摩擦的兩個表面被一層液體隔離，那么它們之間可以產(chǎn)生液體摩擦，假如液體的隔離不徹底的話，那么也可能產(chǎn)生混合摩擦。氣墊導(dǎo)軌是利用氣體摩擦來工作的。潤滑劑和氣墊導(dǎo)軌的工作原理都是利用“用液體或氣體（即流體）摩擦來代替固體摩擦來工作的。物體之間產(chǎn)生摩擦力必須要具備以下四個條件：第一：物體間相互接觸第二：物體間有相互擠壓作用第三：物體接觸面粗糙；第四：物體間有相對運動趨勢或相對運動。摩擦力在實際生活中是普遍存在的，在人類社會的進步與發(fā)展中起著非常重要的作用。在現(xiàn)實社會生活中，人要行走、汽車剎車、傳送帶傳輸物品等等，都離不開摩擦力的作用；生產(chǎn)上，所有的工廠都用到。如貨物的運輸、齒輪旋轉(zhuǎn)，皮帶運輸，輪軸轉(zhuǎn)動等都是靠摩擦力。生活上，汽車在路面上跑，人在地上走，擦桌子、翻書、洗碗、掃地、拿東西等都是靠摩擦力。2. 摩擦力在生活中的應(yīng)用：接下來我們舉幾個簡單的例子，了解摩擦力的應(yīng)用：1) 我們走路時，鞋底對地面向后施力，因摩擦而產(chǎn)生向前的作用力，因此得以行走。如果改在冰面上步行時，則因摩擦力過小而難以走動。 2) 手以大小不變之握力握住圓柱形空玻璃杯，使杯口保持水平向上并逐漸將開水注入。若杯子始終呈靜止，則手之握力、變化的杯重、與摩擦力間有密切關(guān)系。 3) 拿筷子挾鹵蛋，筷子之表面必須稍微粗糙不宜太光滑，才能靠摩擦力幫忙把鹵蛋送入口中；磨刀石與刀子間適當?shù)哪Σ亮Σ拍苁沟蹲幽サ糜挚煊至痢?4) 汽車也是利用輪胎與地面之間的摩擦力而得以行進。當汽車的引擎運轉(zhuǎn)時，帶動輪子轉(zhuǎn)動，輪子和地面的接觸點對地面向后施力，因此輪子獲得向前的摩擦力，推動汽車前進。 有許多機械的設(shè)計也都利用摩擦來傳遞動力，例如汽車內(nèi)的飛輪是利用皮帶和輪槽間的摩擦來傳動，用以驅(qū)動風扇、發(fā)電機等。為避免打滑，這些皮帶的內(nèi)面還鑄成齒狀，以增強摩擦。 廣義地物體在液體和氣體中運動時也受到摩擦力。流體摩擦和流體的性質(zhì)有關(guān)，例如物體在水中時的摩擦力就比在空氣中時為大。和固體摩擦力不同的是：流體摩擦力與物體在流體中的運動速度與接觸面積的大小有關(guān)。物體的速度愈大，或接觸面積愈大，則所受到的流體摩擦力就愈大2。 例如：機車、汽車、火車、飛機等在高速行駛時，空氣之摩擦力或空氣阻力就變得很重要，其克服的方法為將運動體作流線型化的設(shè)計?？墒且蛊淠馨踩奋囃Ｖ梗陀直仨氁揽磕Σ列再|(zhì)作出妥善的煞車設(shè)計。大家都可能注意到火車或游覽車、貨車等較重車輛煞車停止時，都會發(fā)出巨大類似嘆氣之響聲。這一響聲是來自動力煞車系統(tǒng)，在煞車完成后釋放壓縮空氣所造成。動力煞車系統(tǒng)有真空動力煞車系統(tǒng)與壓縮空氣動力煞車系統(tǒng)兩種。它們都能造成巨大壓力，并將其傳遞到輪子之煞車鼓(或煞車碟)的接觸面積上。因為壓力強度越大正向接觸力就越大，此接觸方便產(chǎn)生強大的摩擦力，終使車輪能在短時間內(nèi)停止?jié)L動，而改以滑動摩擦的方式來阻止車子前進。3. 探討輪胎摩擦學，深入分析摩擦力隨著社會進步、科學發(fā)展，僅僅把摩擦力當做生活中簡單的表象已經(jīng)不能滿足人類對摩擦力追求的渴望，如今各式各樣的摩擦力的學術(shù)研究發(fā)展的越來越高層次，越來越深入與具體。人們都知道摩擦力是使汽車前進的關(guān)鍵，而這里我們就這一觀點進行了系統(tǒng)、深入的研究，這就是輪胎摩擦學。我們先簡單的了解一下新興的摩擦力發(fā)展方向。輪胎摩擦學是研究作相對運動的輪胎和道路間相互作用表面及其相關(guān)理論與實踐的一門科學技術(shù)3。輪胎與硬路面間的相互作用力(包括摩擦力、支承力等)對車輛的正常行駛是極為重要的。其中摩擦力主要對車輛的全操縱過程，包括加速、制動、正常行駛、側(cè)偏、轉(zhuǎn)彎、控制甚至停車等的穩(wěn)定性起作用。隨著現(xiàn)代車輛速度的提高，操縱穩(wěn)定性問題變得越來越突出，這就要求對輪胎的力學特性特別是摩擦特性及其可控性有更深入、更全面的了解。同完全彈性體的金屬不同，橡膠是粘彈性體，其摩擦力是隨垂直載荷表觀接觸面積、滑動速度和溫度等因素而變的。輪胎摩擦力可分為與真實接觸面積成比例的粘著摩擦力，以及在接地面隨路面紋理的周期變形過程中作為能量損失被耗散的變形損失摩擦力，即 (1)4在30年代，Schuster和Welchsler在試驗中發(fā)現(xiàn)，當輪胎滾動時，在接地面可以看到彈性滑移現(xiàn)象。該現(xiàn)象隨后又被很多學者的試驗所證實。輪胎在產(chǎn)生彈性滑移時，接地印跡分成兩部分，前部為粘著區(qū)，后部為滑移區(qū)。其中滑移成分的大小可用滑移率表示。當輪胎受驅(qū)動力矩作用時的滑移率稱為驅(qū)動滑移率，而受制動力矩作用時的滑移率稱為制動滑移率，分別用下式計算 (2) (3)式中，為輪胎角速度；為輪軸速度；為不承受力矩時的車輪滾動半徑。當涉及輪胎的側(cè)偏特性時，文獻定義了水平縱向滑移率和側(cè)向滑移率，它們同或間的關(guān)系為 (4) (為輪胎的側(cè)偏角) (5)5輪胎和路面間摩擦過程的研究包括3個不同的方面：地面上的直接接觸(干摩擦或邊界潤滑)產(chǎn)生摩擦的基礎(chǔ)摩擦學；滾、滑聯(lián)合工況下，變形輪胎的滑移力學；潮濕路面上輪胎的彈流動力潤滑(EHL）機理。其中和足以用來分析干燥路面上輪胎摩擦力6。當接地面處存在水膜且僅表現(xiàn)為邊界潤滑時，也可采用同樣的分析方法，而邊界潤滑的影響可通過對摩擦基本定律的適當修正來加以考慮。當接地面上產(chǎn)生流體動力潤滑時，就涉及到了。此時，輪胎和路面間的直接接觸區(qū)以及該區(qū)內(nèi)的法向作用力均受潤滑的影響。很顯然，道路牽引中摩擦學的作用，與為使機器的摩擦和磨損降至最小并防止固/固接觸的傳統(tǒng)作用是截然不同的。輪胎摩擦學的主要目標是確立輪胎和路面間直接而強烈的接觸，以增大牽引所需的摩擦力，盡管也要求磨損低，但這是次要的。干燥硬路面上輪胎的摩擦具有很實際的重要性，因為汽車大部分時間行駛在干燥路面上。干燥路面上典型輪胎的摩擦被作為設(shè)計汽車以及性能劃分的準則。干燥路面上輪胎的摩擦系數(shù)取決于相對運動的狀態(tài)，如是否產(chǎn)生了滑移，當滑移速度為時何時產(chǎn)生滑移等。除此之外，還取決于運動過程的其它重要參數(shù)，如溫度、法向壓力、橡膠和道路的材料性能、表面粗糙度以及接地面的物理化學狀態(tài)等。摩擦系數(shù)模型的準確程度，極大地影響著輪胎力學特性的研究精度。但由于試驗條件所限，目前仍未建立起較準確的輪胎摩擦系數(shù)模型。Grosch的研究表明，在等溫條件下的曲線呈“鈴形”(為滑動摩擦系數(shù))。對此Savkoor提出了一個經(jīng)驗式來進行描述。 (6) 式中，為靜摩擦系數(shù)；是對應(yīng)的速度。法向壓力Z對的影響可忽略。還可表示為及自由滾動(=0)摩擦系數(shù)的函數(shù)，即 (7)式中，和為摩擦衰減系數(shù)。Bakker等認為胎面摩擦系數(shù)可表示為縱向滑移率的函數(shù)。該關(guān)系式中每一參數(shù)的物理意義明確，擬合精度高，被稱為“魔術(shù)”公式。 (8)式中，A、B、C、D為待定參數(shù)，由試驗確定。制動與驅(qū)動聯(lián)合工況下，Pacejka建議采用下式求 (9) 式中；A、B為待定系數(shù)。由此看來，要建立準確的計算公式還需做相當多的工作，應(yīng)對形成接地面的有關(guān)元素及其相互關(guān)系進行系統(tǒng)分析。接地面模型直接影響著輪胎摩擦學的研究。國內(nèi)外的試驗研究表明，輪胎的接地面形狀大多介于矩形和橢圓形之間。為了數(shù)值分析的方便，一般可將接地面形狀簡化為矩形或橢圓形Van Zanten等研究了接地面內(nèi)輪胎與路面間的切向力分布，認為切向力的分布與輪胎的水平縱向彈性變形有關(guān)。輪胎沿路面滑動，在低滑速范圍內(nèi)，摩擦幾乎是等溫過程。但速度較高時，摩擦熱使溫度升高很快，傳熱的非穩(wěn)態(tài)性強烈地影響著摩擦系數(shù)的瞬值，這對著陸的飛機、急拐彎的汽車及冰雪路面上的車輛來講是極為重要的。所以，為全面深入地研究接地面輪胎的摩擦特性及潤滑特性，并為輪胎配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選取提供重要參考依據(jù)，就必須建立輪胎熱模型。建立熱模型大體有兩種方法：一是實測法，此法由于接觸型測溫測點有限，而非接觸型測溫又只能測定表面溫度，因此局限性很大，難以全面掌握輪胎整體溫度分布；二是數(shù)值模擬法，對輪胎溫度場的數(shù)值模擬多采用有限差分法和有限元法(FEA)。計算中，除應(yīng)考慮接地面上的摩擦熱外，還應(yīng)考慮橡膠粘彈性應(yīng)變的滯后引起的生熱，以準確建立不同工作條件下輪胎的瞬態(tài)或平衡態(tài)溫度場分布的熱模型，最終獲得溫度和行駛性能均得到改善的輪胎。在潮濕路面上，EHL的產(chǎn)生是汽車牽引力大打折扣的主要原因。滾動及滑動輪胎產(chǎn)生的彈流動力現(xiàn)象范圍見表1。EHL產(chǎn)生的機理一般可分為3種：動力滑水(dynamic hydroplaning)、粘性滑水(viscous hydroplaning)和微彈流潤滑(micro-EHL)。至于哪種機理占優(yōu)，主要取決于車速、水膜厚度以及路面表面特征等6。動力滑水現(xiàn)象是高速時輪胎在水膜覆蓋路面上產(chǎn)生的一種流體動力效應(yīng)。通常，水楔中產(chǎn)生的上推力PH小于輪胎法向載荷W，此時產(chǎn)生的滑水現(xiàn)象稱為部分滑水；隨著車速的提高，當使PHW時，流體動力楔擴展到整個接地面，便產(chǎn)生了完全滑水，此時汽車已完全喪失了操縱性。胎面這樣大程度地向內(nèi)翹曲，可認為是EHL的結(jié)果。幸運的是在正常行駛條件下，若輪胎具有合適的溝槽深度，產(chǎn)生完全滑水的危險是極小的。在潮濕或下著毛毛雨的天氣中，路面上可能有層極薄(厚度小于0.1 mm)的水膜，但該層薄膜產(chǎn)生的彈流動力效應(yīng)就足以使胎面和路面間脫離接觸。粘性滑水的產(chǎn)生較動力滑水更為頻繁，且對汽車的操縱穩(wěn)定性構(gòu)成更為嚴重的問題。粘性滑水的產(chǎn)生速度均低于動力滑水。當路面微觀粗糙度被磨成圓滑狀時，微彈流潤滑便可能在圓滑微凸體頂端產(chǎn)生。濕路面上輪胎的摩擦試驗數(shù)據(jù)，提供了有關(guān)輪胎牽引力的各種重要影響因素的許多有用資料。使用Delft輪胎試驗用拖車，Dijks提出了一種試驗方法，證實了Albert等人的重要發(fā)現(xiàn)，認為影響濕路面輪胎牽引力的主要因素是速度、路面粗糙度和胎面溝紋。其中，胎面溝紋對濕路牽引的作用是顯而易見的，但其作用機理卻鮮為人知。在軸承技術(shù)中，特殊形狀和尺寸的溝槽經(jīng)過專門設(shè)計，在膜內(nèi)產(chǎn)生流體動壓，達到支承載荷之目的。而輪胎設(shè)計者必須仔細論證，以保證用于排水和降低潤滑作用的胎面溝紋沒有起到同軸承型槽一樣的作用，這就要求對輪胎的表面變形作詳細分析。由此可見，濕路面的摩擦現(xiàn)象遠比干燥路面復(fù)雜。目前，在理解滑水現(xiàn)象上已取得顯著進展。Daughaday等的研究表明，當速度低于完全滑水對應(yīng)的臨界速度時，“接地面”可粗略地分成3個區(qū)段(見圖1)：入口區(qū)或擠壓膜區(qū)，區(qū)內(nèi)水和輪胎產(chǎn)生接觸，并開始產(chǎn)生流體動壓；覆蓋區(qū)，區(qū)內(nèi)滲入的流體膜逐漸變薄，直到成為非連續(xù)膜；牽引區(qū)，區(qū)內(nèi)胎面單元的法向平衡得到維持，并產(chǎn)生有用的牽引力。Browne對動力滑水的研究表明，動力滑水同其它EHL分析一樣，主要的問題是正確表達入口條件。通過對光滑表面的分析，他預(yù)測在動力滑水中存在輪胎骨架的大變形，該變形導(dǎo)致了彈流動壓馬蹄形的特征形，對接地面上膜厚的數(shù)值計算得到了試驗的驗證。對EHL效應(yīng)的建模取決于流體膜力和輪胎彈性力之間的相互關(guān)系。盡管對試驗表面在工作環(huán)境下的研究很有價值，但尚需作艱巨的系統(tǒng)研究7。冰雪路面輪胎的摩擦和潤滑也是輪胎摩擦學的重要內(nèi)容6。特別對有漫長冬季的地區(qū)和國家來講，改善輪胎的牽引力將對提高汽車的安全性和操縱平穩(wěn)性產(chǎn)生積極影響。冰面上的摩擦強烈地依賴溫度。Roberts等應(yīng)用光學法研究了橡膠塊試件和冰面間形成的摩擦界面，發(fā)現(xiàn)當冰溫低于-15時，界面上存在Schallamach波，橡膠和冰面間產(chǎn)生極強粘著力；而當冰溫高于-10時，冰的流動性能產(chǎn)生了實質(zhì)性變化，若滑速較低則Schallamach波在界面逐漸消失。隨著溫度繼續(xù)升高，冰層將更易屈服而導(dǎo)致摩擦顯著下降。應(yīng)用熱平衡原理，確認了一定條件下冰面水膜的存在，建立了預(yù)測冰面上汽車牽引力的新模型，該模型比已有模型更接近實際。并從摩擦學角度系統(tǒng)地分析了速度、法向載荷、材料性能和冰本體溫度等對牽引力的影響，認為建立涉及輪胎撓性、胎面結(jié)構(gòu)和路面粗糙度的冰面牽引力模型更具有實際意義。影響雪地牽引力的基本因素可歸納為3類：輪胎參數(shù)、雪性能和工作條件。其中輪胎參數(shù)對雪地牽引力的產(chǎn)生及控制極為重要，它包括胎面花紋、胎面膠和骨架結(jié)構(gòu)。雪地溫度對牽引機理、牽引力大小產(chǎn)生很大影響。較高溫度會使壓實雪面上形成一層水膜，從而大大降低牽引力；而松散雪地上較高溫度可使雪更快地被車輛輾散?；谘﹫F動力學，提出了汽車在雪地上的牽引性能預(yù)測模型，理論值同試驗結(jié)果吻合較好。由于不同機理產(chǎn)生的牽引力大小受工作條件的影響，所以沒有一個單一的辦法可在所有工作條件下均獲得最大牽引力值。胎面磨損是一種復(fù)雜現(xiàn)象，同許多因素有關(guān)，如輪胎參數(shù)、路面條件、輪胎作用力、驅(qū)動輪的側(cè)偏等，其中最主要的是產(chǎn)生切向滑移的總量和接地面的局部溫度。文獻中關(guān)于胎面磨損的研究課題主要包括橡膠磨損機理；輪胎結(jié)構(gòu)和操縱(速度、轉(zhuǎn)彎、制動)激烈程度等對磨損的影響；對胎面磨損隨行程的增加以回歸函數(shù)的形式進行非因果關(guān)系的描述。由于磨損過程極為復(fù)雜，因此到目前為止還不能對輪胎在實際行駛條件下的磨損率做出令人滿意的預(yù)測?？梢钥隙ǎ{駛員的正確操縱對降低輪胎磨損有重要影響。輪胎對道路的牽引要求摩擦學本質(zhì)上作為統(tǒng)一學科包含各種不同的子學科，如粘著、摩擦、潤滑及表面變形等加以應(yīng)用。在過去近30年中，橡膠粘著和干摩擦的研究取得了相當進展，還包括滾動接觸力學、潤滑理論各個分支的研究都取得了長足進步。然而，這些發(fā)展對輪胎和道路的設(shè)計改進所起作用不大，建立牽引模型所需的不同力學子學科和摩擦學間存在極其復(fù)雜的關(guān)系，在研究這種關(guān)系時存在諸多障礙。急待研究的主要課題如下： (1)建立輪胎的彈性響應(yīng)模型。這需要以FEA和試驗辨識法為基礎(chǔ)，建立必需的影響函數(shù)。 (2)對干燥路面牽引力的摩擦學彈性問題做出數(shù)學分析，研究開發(fā)一種簡單實用的熱模型，并作為子模型應(yīng)用于摩擦學分析中。 (3)邊界潤滑(BL)條件下，需作些試驗來建立摩擦基本定律，借此分析濕路面輪胎的牽引特性，并區(qū)分BL和microEHL牽引問題的摩擦條件。 (4)對EHL牽引問題，應(yīng)就partialEHL問題作大量的理論和試驗研究工作，以找到一個處理不同形式EHL問題(慣性、粘性和microEHL)的統(tǒng)一方法，最終研究出降低潤滑作用的機理。同時研究摩擦簡單和復(fù)雜幾何特征的影響，以得出通用準則來關(guān)聯(lián)表面形貌和表面潤滑性能。 (5)研究滑移機理對EHL的影響，進而建立準確的牽引力滑移模型具有極其重要的意義，因為牽引力的控制實質(zhì)取決于對濕路面上輪胎牽引特性準確預(yù)測的能力。(6)冰面或壓實雪地上輪胎產(chǎn)生滑移，很大程度上歸結(jié)于界面形成的具有強潤滑作用的水膜。為防止冰雪面輪胎的大規(guī)模滑移甚至空轉(zhuǎn)或掉尾現(xiàn)象，應(yīng)建立包括胎面撓性和表面特征等參數(shù)的力學模型和熱模型，為優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)和選材創(chuàng)造條件。隨著先進微電子學和控制技術(shù)的快速應(yīng)用，通過控制牽引力來控制汽車力學特性的工作已取得初步成果，如ABS(防抱死制動系統(tǒng)，Antilocked Braking System)、牽引控制和四輪轉(zhuǎn)向等。顯然建立準確的輪胎摩擦模型是實現(xiàn)對汽車動力學特性控制的重要保障。鑒于機敏材料所具有的傳感功能和執(zhí)行功能，完全有理由相信不久的將來，會出現(xiàn)用機敏材料制造的復(fù)合材料輪胎，使車輛操縱穩(wěn)定性和使用壽命大大提高。4. 摩擦力的研究現(xiàn)狀與前景摩擦學是一門十分復(fù)雜的學科，迄今發(fā)現(xiàn)的與摩擦有關(guān)的因素多達上百個在一般的基礎(chǔ)物理教材中很少談及摩擦的起因和本質(zhì)問題，只給出一些經(jīng)驗規(guī)律事實上目前也確實還沒有建立起十分成熟的摩擦理論，摩擦問題一直是科學技術(shù)研究領(lǐng)域的一個重要課題。包括：流體潤滑理論的發(fā)展， 納米摩擦學，摩擦學設(shè)計，耐磨材料。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，摩擦學的理論和應(yīng)用必將由宏觀進入微觀，由靜態(tài)進入動態(tài)，由定性進入定量，成為系統(tǒng)綜合研究的領(lǐng)域今天，摩擦學研究已經(jīng)深入到更為廣闊的領(lǐng)域，除了在摩擦與磨損機理、潤滑理論、摩擦學測試技術(shù)和設(shè)備工況檢測技術(shù)，以及減摩耐磨材料研究等傳統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)摩擦學研究得到進一步發(fā)展外，而且在以往未曾達到的技術(shù)領(lǐng)域，例如太空領(lǐng)域、微觀領(lǐng)域、生命科學等，亦形成了新的研究方向和學科分支，并對推動這些領(lǐng)域的科學進步做出了貢獻遵循科學發(fā)展的客觀規(guī)律，參考文獻1 漆安慎，杜嬋英，M力學，高等教育出版社，2005.6。2 周衍柏，理論力學M，高等教育出版社，1986.3 。3 Czichos H. 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