輪胎抓地力與車輛動(dòng)態(tài)的關(guān)系

■文/楊維平

汽車的四個(gè)輪胎與地面接觸的面積大約4張明信片的大小，卻要承受汽車本身約一兩噸的重量，更對(duì)汽車行駛時(shí)所發(fā)生的加速、剎車、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)態(tài)性能有著決定性的影響。下面我們用比較淺顯易懂的理論，探討輪胎抓地力與車輛動(dòng)態(tài)關(guān)系。

摩擦力是兩個(gè)物體接觸時(shí)的作用力，車輛能在道路上行駛靠的也是摩擦力，即輪胎與地面相互的作用力，也稱輪胎抓地力。抓地力越好，汽車的加速、剎車、轉(zhuǎn)彎的動(dòng)態(tài)性能相對(duì)越好。從物理常識(shí)來(lái)看，輪胎與地面的摩擦力（F），取決于輪胎—地面間的動(dòng)摩擦因素（μ）與輪胎的荷重（N），并成正比關(guān)系：f=μN(yùn)。

先來(lái)看摩擦系數(shù)。影響摩擦系數(shù)的因素很多，但主要在于地面狀況，例如：柏油路面干燥時(shí)約0.9，潮濕時(shí)約0.6，未鋪裝或臟污路面變化則更大。

再者是輪胎的荷重。雖然汽車行駛時(shí)總重量幾乎不變，但因?yàn)楦鞣N操控動(dòng)作使得重心不斷在改變，各輪胎荷重也不斷在變化，加速時(shí)重心往后移，前輪的荷重減少；剎車時(shí)重心往前移，后輪的荷重減少；轉(zhuǎn)彎時(shí)重心往外側(cè)移，內(nèi)側(cè)輪的荷重減少。因?yàn)楦鬏喌暮芍刈兓斐筛鬏喬サ淖サ亓σ苍谧兓サ亓Σ灰粯樱蜁?huì)讓汽車的極限操控性產(chǎn)生微妙的變化。例如直行緊急剎車時(shí)，重心前移，后輪抓地力相對(duì)降低，可能造成后輪鎖死，一旦鎖死，會(huì)喪失循跡性，造成車輛失控甩尾。又如行駛在彎道中，若車輪的抓地力已接近極限，這時(shí)踩剎車，重心前移，后輪可能會(huì)突然失去抓地力而失控甩向外側(cè)。

什么時(shí)候摩擦力最大呢?從靜止到滑動(dòng)的過(guò)程中，最大摩擦力會(huì)出現(xiàn)在開(kāi)始滑動(dòng)之前，稱為“最大靜摩擦力”，開(kāi)始滑動(dòng)后摩擦力會(huì)略降低并維持不變，稱為“動(dòng)摩擦力”。所以在極限操控中，都是盡可能去趨近并且不超越最大靜摩擦力范圍，以獲得最大的抓地力，而且使車輪不滑動(dòng)更易于掌控。

汽車行駛時(shí)所需的抓地力方向可以簡(jiǎn)單區(qū)分為前后方向及左右方向。前后方向就是車輪滾動(dòng)方向，為縱向力，有驅(qū)動(dòng)力和剎車力；左右方向是橫向力，也就是轉(zhuǎn)向力。我們可以用抓地力圓界線來(lái)表示兩者之間的關(guān)系，縱向力與橫向力之合為該輪胎抓地力，圓周線為抓地力極限，當(dāng)縱向力大時(shí)，橫向力就變小；橫向力大時(shí)，縱向力就變小，超過(guò)抓地力圓界線，車輪就會(huì)打滑。假設(shè)在轉(zhuǎn)彎中剎車，若兩者合力仍在抓地力圓范圍內(nèi)，則車輪尚不會(huì)打滑。但如在過(guò)彎中，縱向橫向合力已逼近抓地力圓界限，此時(shí)再有突然的加速或減速動(dòng)作，則必然發(fā)生車輪打滑現(xiàn)象。

我們都知道，更換較大尺寸的輪胎，增加輪胎與地面接觸面積，可以相對(duì)提升抓地力，可是前面所說(shuō)的f=μN(yùn)，何以與接觸面積不相關(guān)?從表面上來(lái)看，摩擦力僅與正向力、物體間的摩擦系數(shù)相關(guān)。但輪胎是彈性體，我們用放大鏡來(lái)看輪胎與地面的接觸面，輪胎表面的橡膠會(huì)隨著荷重的增加而包覆在路面凹凸不平的表面上。包覆的情況就有如用鉛筆插入橡皮擦內(nèi)越深（荷重越高），橡皮擦就會(huì)包覆鉛筆（包復(fù)表面積越多）一樣道理。貼地面積越大，橡膠與路面間實(shí)質(zhì)的接觸面積越多，輪胎的摩擦阻力就隨之增加。橡膠材質(zhì)越軟，包覆路面坑洞越多，則摩擦力也會(huì)增加。因此，賽車都是盡量搭配使用較寬、貼地面積較大、且橡膠材質(zhì)較軟的輪胎來(lái)競(jìng)賽。

平時(shí)用車保持正確的胎壓，是確保車輛維持理想抓地力的最簡(jiǎn)單，也是最有效的方法。保持正確的胎壓會(huì)使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸，有助于優(yōu)化輪胎性能、耐用性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并且避免胎壁彎曲，降低滾動(dòng)阻力。保持正確的胎壓，輪胎的排水性及抓地力最佳，引擎動(dòng)力得以完全發(fā)揮，所以最省油。正確的胎壓也穩(wěn)定了輪胎的結(jié)構(gòu)，維持車身的牽引力，胎壓也隨著溫度變化而變化，而使用惰性氣體——氮?dú)猓梢詼p少胎壓的變化幅度。

胎壓過(guò)高所造成的危險(xiǎn)：胎面中間會(huì)從平面膨脹成弧面，減少與地面的接觸面積，雖然引擎的負(fù)荷較輕，卻會(huì)因?yàn)檩喬?nèi)部壓力過(guò)高，而在胎溫升高后產(chǎn)生爆胎的危險(xiǎn)。

胎壓過(guò)低所造成的危險(xiǎn)：（1）造成胎壁彎曲，并增加輪胎接地面，因而降低車輛入彎時(shí)的轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)度；（2）行進(jìn)阻力變大，對(duì)于引擎產(chǎn)生負(fù)荷，因此耗油量增加；（3）與地面接觸面會(huì)偏向外側(cè)，造成輪胎表面溫度不平均，使輪胎的耐久性和胎紋壽命變差；（4）胎面及胎壁變形量大，長(zhǎng)時(shí)間高速行駛會(huì)使輪胎溫度過(guò)高，易造成爆胎；（5）會(huì)導(dǎo)致輪胎受到側(cè)向力拉扯時(shí)，輕易從輪圈上脫落。