关于轮胎和摩擦系数2007-12-02 11:47 极限驾驶的乐趣很大程度上来自绝佳的操控表现而车辆抓地性的改善是提高操控性的基本方向。增加抓地性目的无非是为了提高过弯的速度Conering Speed、减少刹车距离、减少加速时的打滑现象。车子和路面接触的地方唯有轮胎所有的性能都是经由轮胎来发挥和达成为了提高操控性能和驾驶乐趣我们针对底盘悬挂系统所作的种种改良和设定无非是要增加轮胎的接地面积Tire Contact Patch提高车子的抓地表现。增加轮胎的抓地性有几种方法一、增加轮胎和地面的摩擦力要增加轮胎和地面的摩擦力有两种方法可达成这个目的。第一是增加路面的摩擦系的所谓“摩擦系数”是路面所能提供对轮胎的抓附能力摩擦系数越大抓附力越大。柏油路面、水泥路面、砂石路面各有不同的摩擦系数。所能提供对轮胎抓附力也各有不同。其次是增加轮胎本身的摩擦系数这可由选择较软的轮胎来达成。较软的轮胎可提供较强的抓地力但是相对的磨损也较快。这里所谓“软的轮胎”指的是轮胎胎面的橡胶材质较软如果和高扁平比轮胎和胎压不足所造成行路性较软、较舒适联想在一起那就大错特错二、增加轮胎接地面积要增加轮胎和路面接触的面积最简单的方法就是换上较宽的轮胎再来就是选用胎纹较少的轮胎如此可增加轮胎与地面实际的接触面积但是却也会影响在湿滑路面抓地表现。最后也是最重要的就是在既定的接地面积下经由正确的轮胎胎压及悬挂的精确调校把轮胎的潜力完全发挥。轮胎的接地面积即使是行驶在平坦的直路都会小于静止时行经不平路面或是过弯时更会因为上下的跳动或是侧向的受力而造成接地面积的大幅减少甚至悬空。悬挂的改良最终的目的就是随时把轮胎尽可能的保持与地面接触尤其是在过弯或是行经不平路面时。三、增加轮胎的垂直荷重轮胎的垂直荷重是车辆本身施予轮胎的重量加上空气动力学效应所产生的下压力的总和。轮胎的橡皮会因为垂直荷重的增加而与地面更
紧密的接触轮胎的抓地性能也得以更充分的发挥。有别于大家所认知的增加轮胎的垂直荷重并不会增加轮胎的接地面积至少在现代的高性能胎和赛车用轮胎几乎都是如此增加垂直荷重所提高的是轮胎接地面积内每一单位面积内橡胶分子和地面的附着力。在接地面积不变的情况下轮胎抓地性的增加是由于对橡胶分子所施的压力增加。我们可以做个小实验在一个光滑平面上移动橡皮擦在橡皮擦上方没有施加压力的情况下我们可以很轻易的自由移动橡皮擦当我们压着橡皮擦时要移动它就变得比较不容易压的力量越大橡皮所产生的附着力就越强也就是抓地性越好。轮胎的垂直荷重似乎可由增加车重来达成虽然这可增加轮胎的抓地性但是由于轮胎承受来自车重的负荷也增加所以过弯速度、刹车距离、加速表现都不会有所改善。事实上整体的性能表现反而会因为车重的增加而变坏。要在不破坏整体性能表现的情况下提高轮胎的垂直荷重唯一的途径就是经由车身空气动学的设计来达成。空气动力学所的下压力Aerodynamic Downforce 空气动力学对车身所产生的下压力Downforce也会增加轮胎接地面积的垂直负荷。对一般的道路用车来说并不需要很在意空气动力学所产生的下压力但是对于任何比赛车种而言这却是必须去仔细考虑的问题。空力下压力的好处是只会增加轮胎接地面积的垂直负荷却不会增加车重。由于车重不变轮胎不用负担额外的惯性和离心力加上轮胎抓地性的提高所以过弯速度得以提高。同时刹车和加速时的抓地性也会获得提升。这也是为什么这二十几年来赛车工程师对于尾翼、车身空力组件和地面效应持续不断的进行研究、发展与改进。空力效应包含了车身下压力、车身扬升力和行进阻力这三个力量是伴随发生的而且所产生的力量是和车速成平方正比也就是速度提高为2倍时空力效应会增
为4倍。这也说明了为什么空力效应只有在高速时才会变得明显。对一部针对比赛而生产的厂车来说改善操控性的重要关键除了底盘悬挂的改良调校以外其次就是就是空力特性的改良。要改良车身的空力特性最重要的就是要减少高速流动的空气对车身产生的扬升力因为扬力会减少轮胎的垂直荷重破坏抓地性。目前的ITC、BTCC、JTCC等房车赛参赛车种车尾都有扰流尾翼的设计最主要的的作用就是在减少车身
的扬力并产生些许的下压力。此外前扰流和车侧裙角也可减少进入车底的气流减少车底气流对车尾产生的扬力。由于产生下压力和改变气流的同时都会伴随产生行车阻力所以改善车身空力特性的另一个重要课题就是要在伴随发生的压力、扬力、阻力三种力量间取的协调、均衡与折冲。胎压对抓地性的影响胎压对抓地性的影响可能远超乎你的想像胎压并不会直接影响橡胶分子和地面的附着力但却会影响轮胎接地面内有多少橡胶分子实际与地面接触。对一部有既定轮胎、车重的车来说正确的胎压只有一种。事实上这个正确的胎压是被局限在一个很小的范围大概只有
±1.5psi。假如胎压超出这个范围轮胎的接地面会变形以致无法完全紧贴路面。也就是说轮胎接地面内的实际接地的橡胶分子数目会比较少。如果胎压太高会造成轮胎边缘两侧无法完全贴地接地面积自然跟着变小接地面较小的情况下却有同样的负荷当然性能表现要打折扣。假如胎压不足表面上看来轮胎接地面积似乎并没有减少甚至有人认为是增加了实际上虽然轮胎两侧依然紧密的贴地但由于胎压的不足使得胎面中间的橡胶分子无法紧贴路面造成的结果就和胎压过高一样。这也可说明有人的轮胎使用
了一段时间以后出现中间或两侧磨损比较严重的情况就是长期胎压过高或不足所造成的。扁平比对抓地性的影响轮胎的扁平比就是胎壁高度与轮胎宽度的比例。扁平比对抓地性的直接影响并不大但是对轮胎的滑移角Slip Angle有影响扁平比较低的轮胎在相同的负荷情况下会有较小的滑移角在轮胎宽度不改变的情况下只改变前两轮或后两轮的扁平比会因为前后轮滑移角的不同使操控的平衡产生变化。轮圈尺寸和轮胎的抓地性轮圈的直径大小和轮胎的抓地性并无直接的关系但是如果配合轮胎扁平比的降低而加大轮圈的直径却可增加轮胎的接地面积同时也影响了行路舒适性和轮胎的转向反应。对一条轮胎来说太宽的轮圈会让胎唇无法与轮圈紧密的结合同理用了太窄的轮圈也会有同样的结果。轮胎制造商都会为每一条胎设定一个所适用轮圈宽度的范围超出了这个范围将会对行车安全造成莫大的威胁。轮圈的宽度会对轮胎接地面的轮廓会有直接的影响如果轮圈太窄轮胎就会变得“鼓鼓的”会减少轮胎边缘的贴地性。反之如果轮圈太宽则轮胎中间部份的贴地性就会减低。从实际的测试结果告诉我们采用轮胎公司所建议宽度上限的轮圈可让轮胎的性能充分的发挥。假如你是因为预算、比赛规则或是其他原因的限制限制了轮圈的宽度那么我们建议你使用这个轮圈宽度所能使用的最小尺寸的轮胎如此所获得的实际轮胎接地面积会是最大。不但可增加过弯速度、减少轮胎的磨损更可容许采用对整体性能表现更佳的悬挂设定。虽然有很多市售胎由于采用较硬的胎壁设计所以丧失了对于不适用轮圈的敏感度但是对于高性能的轮胎来说对轮圈宽度的敏感性依然存在。轮胎的材质和抓地性轮胎所使用的橡胶材质对轮胎的抓地性有着决定性的影响。胶质软的摩擦系数就高橡胶分子也对地面有更佳的附着力整体的抓地性将会提升。但这只有在轮胎还没有过热时才成立因为不同的轮胎都有不同的工作温度范围和最
佳的工作温度。软质的轮胎虽有较佳的抓地性但是磨损也比较快因此在赛车场上轮胎材质的选用真可说是一门艺术不但要考虑抓地力还要考虑轮胎的过热临界点更要考
虑磨损。对越野赛来说在泥沙路面使用越软的材质通常可得到最快的速度但是在柏油、水泥这种硬质路面来说磨损又是个令人头痛的问题。材质的选择必须考虑轮胎的荷重、工作温度以及磨损。对一般道路用胎来说通常会选用较硬的材质是必须的一方面是为了高速公路上的需要一方面是为了轮胎寿命的考量。轮胎与行路性的关系轮胎对行路性有着重要的影响。他和弹簧的任务有许多相同之处轮胎扮演着吸收小振动的角。太高的胎压或是较硬的胎壁设计都会使行路舒适性变得粗糙。要改善低扁平比轮胎舒适性不佳的唯一方法就是降低胎压在一般街道和路面较差的道路将胎压降到适当胎压的下限要上高速公路时再把胎压提高虽然效果有限但也是没有办法中的办法。轮胎的保养高性能轮胎对操控性和安全性来说都是一项很值得投资的项目如果能够好好照顾你的轮胎将会使轮胎的性能得以持续维持在最佳状态并且增加轮胎的寿命。因此特别提出几点有关轮胎保养的注意事项一、在胎压不足的情况下不要开车上路或长时间泊车必须立刻处置因为这会造成胎壁和胎面的损伤、变形尤其这些损伤与变形有时肉眼并不易察觉但会造成安全上严重的潜在危机如果只发生在某一轮或某一边还会破坏操控的平衡。即使是轻微的胎压不足都至少会造成轮胎磨损的增加因此笔者和车狂都一再重申一支准确的胎压计是开车的基本配备。二、胎压过高会使轮胎的接地面积减少造成行路性粗糙、胎面变形和抓地性的降低并且会造成胎面中间的磨损大于两边的不正常状态。所以即使在一般的道路行车都要时常检
查你的胎压更别说在赛车场上。三、过大的外倾角Camber和束角Toe-in或Toe-out设定在一般道路上跑会增加胎面的磨损并会造成行驶上的不性所以定位角度务必要“因地制宜”更不要只为了美观而把其他一切置之不理。四、轮胎的平衡也是另一个重要的问题平衡不良的轮胎会造成行驶时的抖动这抖动会经由方向盘传至驾驶人的手上不但降低行车稳定性并会把胎面变得凹凸不平。所以当你突然感觉到来自轮胎的新的抖动应该马上检查轮胎的平衡很可能是轮胎的平衡配重铅块脱落了务必在伤害造成之前即时补救。五、定期的检查轮胎的磨损情况。除了胎纹的厚度更要留意轮胎的中央和两侧是否有不正常的磨损出现。如果中间胎纹的磨损大于两侧那么是胎压过高所造成的若是两侧磨损大于中间那肯定是胎压不足。如果圆周出现凹凸不平的情况那么是轮胎本身的平衡度不佳。如果胎壁出现凸起的现象那可能是胎压严重不足又持续行驶或长时间泊车所导致胎壁钢丝变形、受损所造成的。如果出现外侧或内侧单边的不正常磨损那么你的四轮定位角度肯定有问题。细心的观察才能防微杜渐。六、轮胎的性能会因为胎质的变硬而退化而胎质的变硬最主要的因素是时间。紫外线和新鲜空气都会加速橡胶的老化所以如果你要收藏堪用或备用的轮胎尤其是高性能的赛车胎那么建议你先用不透明的塑胶袋把它包起来如此一来可隔绝紫外线和新鲜空气有效的延长轮胎的寿命。七、高性能胎在剧烈操驾后会产生热胎质越软的胎越容易蓄热造成胎面的高温所以如果轮胎的材质软到行驶后会产生胎面的热溶现象我们就称为热溶胎。热溶的胎面会黏起路面的小砂石在剧烈操驾或是比赛结束后必须将胎面的异物清除乾净否则日后会有戳破胎面的危险。八、抓地力和耐磨性就如同操控性和舒适性间的相互冲突轮胎的磨损系数Tread Wear越低表示胎质越软轮胎的胎抓地力也越强但也表示磨损越快。这是选购高性能
轮胎之前应有的认识。有人用“厂胎”在一万公里磨合后把轮胎对调但如果你用热溶胎而且常在无人的路上探索驾驶的乐趣那么一万公里后可能已经变成光头胎了。滑移角Tire Slip Angle 充气轮胎实在是一项不可思议的发明。它扮演着传递汽车动力
性能的角。任何有关操控的讨论都要先从轮胎开始谈起轮胎胎印上的橡胶分子是车子和地面唯一的接触点他们的表现决定了车子的操控。一个底盘的专家必须去了解轮胎发生了什么事并且要在必要时改变设定。轮胎是个弹性体任何方向的受力都会使它产生变形它的特性之一就是转弯时会造成轮胎本身的扭曲当转动方向盘时转向拉先转动轮圈轮圈再扭曲轮胎被扭曲的轮胎由于橡皮的弹性会有恢复原来形状的趋势这个趋势会驱驶胎面转向但是胎面和轮圈所转的角度并不会完全相同而是会有一个小角度的差异。所谓滑移角是机械学名词用来表示车子行进方向和轮圈所指的方向两者间所成的这个角度。也就是这个角度可使驾驶人感觉到车子过弯时的反应。一部车若没有滑移角而要高速过弯几乎是不可能的因为驾驶人将感受不到滑胎的任何警告。鸡和鸡蛋的问题也出现在滑移角和转向力的问题上转向力会导致滑移角滑移角导致转向力。基本上滑移角是轮胎的抓地力用来抵抗轮圈对轮胎所施的侧向力由于轮胎具有弹性所以当它抓附在地面时若施给它一个侧向的力它会产生一个力量来使轮胎恢复原来的形状转向力由于轮胎的扭曲而存在于路面和胎面之间这个力量和转向力是大小相等方向相反的。转向力是用来衡量轮胎的抗侧滑能力但是在没有轮胎扭曲和滑移角的情况下转向力是不存在的。滑移角和转向力会随着弯道半径的缩小而增加但是当增加到一个限度时轮胎会产生打滑这就时就叫最
大滑移角。由于滑移角只被定义在轮胎未打滑之前的情况所以当车子行驶在滑溜的路面时滑移角是没有意义的。轮胎打滑后车轮的方向和车身行进的方向并不会有直接的关系除非减速或是回方向盘加大行进的半径让轮胎重新获得抓地力试着想像在冰上开车时就算你任意转动方向盘也不易对行进方向产生影响。滑移角和转向力Cornering Force
轮胎对调当驾驶人转动方向盘时首先转动的是轮圈。接着转向力会传送到前轮的胎壁转向例会使胎壁产生扭曲接着改变胎印的方向使车辆转向。当转向力传到轮圈时胎壁立刻跟着扭曲。转向力小滑移角就小转向力增加时滑移角就会跟着增加。最大的转向力轮胎的极限会产生一个最大的滑移角。超过这个值转向力会减小轮胎会产生打滑。转向不足和转向过度假如有某一个轮胎比其他三个轮胎提早出现了滑胎的情况那就表示这部车的操控平衡上出现了分配不良的问题。一般来说前轮和后轮的滑移角并不一样它们会各自循着不同的路径轨迹在路面上行进当前轮的滑移角大于后轮时会呈现转向不足当后轮的滑移角大于前轮时就变成了转向过度如果前后轮的滑移角相同时那么转向就成了中性也就是达到了操控平衡的最佳境界。换句话说当一不车转向不足时那么前轮橡胶分子所画出的轨迹半径会大于后轮转向过度则情况相反。一部转向过度的车在达到轮胎附着力的极限后后轮会先滑出而一部转向不足的车则会有抵抗转向的趋势。滑移率最大的抓地性表示所能承受最大的刹车力和加速力而滑移比例是指轮胎直进时刹车或加速时轮胎胎印和路面间所产生的滑移。0滑移就表示车子行进的距离和轮胎胎面所转过的距离相等。100滑移就表示任何轮胎的转动并部会造成车身的移动当然也可说是车身的行进不须靠轮胎
的转动这种情形出现在行进中的车辆四伦锁死时。要达到零滑移几乎是不可能即使在抓地性最佳的状况都会有510的滑移率也就是轮胎转了100m时车子只移动了9095m如果滑移率超过了10那就表示抓地性不佳且加速和刹车表现都会恶化。操控马力Handling Horsepower 操控马力指的是轮胎所能负荷。大家都知道越多的马力表示车子的性能越好当引擎的马力越大时加速也就越快。轮胎的操控马力也是如此对操控性来说增大轮胎的胎印就像增加引擎的马力使用胶质较软的轮胎就像换了高角度凸轮轴空气力学所产生
的下压力就像加了涡轮增压器或机械增压器。对轮胎上的橡胶分子来说一定的垂直负荷下所能承受的负荷是一定的当一部车以它所能最快的速度过弯时轮胎胎印的橡胶分子也达到了负荷的极限这个极限我们就称为操控马力。如果还想增加过弯速度可以减轻车身的重量以减少车身的惯性力和轮胎的侧向负荷或是加大轮胎的尺寸选用胎质较软的胎并改善空力特性。前后胎印比假如一部车有完美的50-50的前后配重那么在稳定的过弯过弯速度不变时前后轮所承受的离心力负荷应该是一样的。在减速或刹车的情况下因为部份车身重量会由后往前移所以前轮的负荷是比较重的。反之在直线加速时前轮的部份重量也会转移到后轮。如果驱动轮在后轮那么加速时的抓地表现会比较好滑移率会比较低。所以对一部马力不大且配重比为50-50的后驱车来说前后轮的整体负荷过弯、加速、减速是几乎相等的。假如你因此推测这不车所需的前后轮胎印是相同的那么你就答对了。前后车轮所需的胎印比例和前后轮所受的负荷比例是相同的也就是说对一部前后轮负荷比例为60-40的车来说它所需的前后轮胎印比例亦为60-
40。你或许会问目前的车几乎都是配置四轮尺寸相等的轮胎胎印相同但为何车身配重大多不是50-50事实上大部分的车都是前轮配重较重。此外前驱的的前轮荷重较重为何不见采用较大的前轮设计。这有两个原因第一是便利性一方面是为了制造厂一方面是为了使用者的缘故。毕竟准备两种尺寸的备胎任谁都会觉得不方便。第二个原因是使用了比所需要的更大的后轮会有转向不足的倾向对大多数驾驶人来说可改善行车的稳定性和安全性。再从技术的角度来看前轮荷重较重过弯时的负荷也会比较大再相同的过弯速度下会有比较大的滑移角也就是前轮的滑移角会大过后轮的转向不足的情况就会发生。外倾角和抓地性悬挂的设定中最重要的大概就是外倾角外倾角决定了车子静态时的轮胎贴地性。0度时轮胎胎印的橡胶分子的贴地性最平均也最佳当刹车时我们希望四个轮子的胎印是平贴地面加速时我们希望驱动轮是平贴路面而过弯时我们也希望轮胎能平贴于地面尤其是两个弯外轮。在刹车和加速时最佳的外倾角是0度在过弯时负0.1250.25度的外倾角可增加转向力。在直线和弯道上所需的外倾角设定是完全不同的事实上还需要配合悬调整体的设定并考虑车身滚动的问题才能得到正确的设定角度。轮胎和轮圈的选择什么是选择最适用轮胎和轮圈最重要的因素尤其在众多品牌和型式中选择尤其困难在这里提供一些方法供你参考。首先考虑你的车的用途严格来说就是考虑你轮胎的用途假如这不车式你每天的代步车那么轮胎的耐磨性可能式你最重要的考虑高性能轮胎有很好的抓地力但磨损也是一流。同时由于胎纹也会尽量的减少所以地上的表现也不理想更别提泥地或是雪地上的表现了。在一般道路上用D98J的朋友一定有这样的感觉如果住在多雨潮湿的地区那么一套以地抓地表现见长的雨胎可能是不错的选择。在地上以正常的方式行车胎温提升不易也就不容易达到高性能胎的最佳工作温度会有英雄
无用武之地之叹。其次要考虑宽度和扁平比随着引擎技术的进步单位容积输出的马力不断的提升配合整体性能的提升轮胎也不可避免的加大尺寸扁平比也有持续降低的趋势以的车来说10年前的马力基准是90匹而现在的标准订在125匹应该是比较合理以前配175/70-13的胎一般车主通常升级到185/60-14发烧级的则是用195/50-15这已是上限。目前的趋势则是搭配185/65-14而195/55-15205/45-16则是升级的目标。轮胎宽度的升级要配合马力做适当的搭配除了美观之外其他机件的负荷也是要一并考虑的。若马力和悬挂没有做大幅度的提升那么比原厂设定高一级的轮胎尺寸就已足够。如何改装汽车轮胎和轮圈很多车主不太重视轮圈和轮胎
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