你真的了解汽车轮胎吗？数据告诉你这弯道利器的特性

人在行走时永远是脚底接触地面，车在行驶时永远是轮胎接触地面。一台车就算拥有再优秀的机械素质，四驱，各种限滑差速器兼扭矩分配，外加各类汽车稳定性控制系统，若使用的是四条糟糕的轮胎也难以发挥出车辆能力的50%。反之，如果你的车辆配置低廉但却拥有良好干湿抓地力的四条轮胎，可能会让你的车辆拥有超出原本体质的过弯能力。二者具有共生关系。

轮胎存在的核心意义是用轮胎的滑动来抑制车辆的滑动。

不论是在低速亦或是高速状态下，轮胎从微观和宏观上来都是处于滑动状态，轮胎的滚动过程包含着滑动——摩擦——粘合——分离。

橡胶的特点：

轮胎是由橡胶硫化而成型的，其制作工艺较为繁琐，不在此处详细介绍，有需求可以上网查找轮胎的成型过程。其基本原理是通过硫化来改变天然橡胶中分子的排布结构，由线性结构变成网状结构，增加其耐磨、抗氧化等能力以满足轮胎使用的基本需求。

橡胶是一种粘弹性材料，而粘弹性材料属于可变形材料，其行为介于粘性液体和弹性固体之间。当一个完全弹性的物体（例如弹簧）受到力时，它会与所施加的力成比例地瞬间变形。然后，一旦不再施加力，它就会恢复到初始状态。应力和变形是同时发生的。

橡胶的迟滞特性：粘性流体表现不同。当将活塞推入装满油或水的管子时，活塞的向前运动遇到阻力，当我们试图更快地推动活塞时，阻力会增加。而且，当我们开始按下活塞时，可以注意到任何运动之前经过了一段时间。流体的粘度是由于其组成分子之间的摩擦，这减慢了其流动。应力和变形是不同步的，这称为滞后或迟滞。

粘弹性材料，如口香糖或弹性体，表现出介于弹簧和粘性流体之间的行为。这种延迟伴随着能量的消散，以热量的形式，这是能量损失。已经变形的粘弹性材料恢复到其初始形状，但仅在一定时间后（肉眼不能察觉）。这称为迟滞性。

而对于粘性材料而言，能量损失和迟滞响应会受到两个参数的影响：施加力的频率和温度。

频率：回到弹簧和活塞组件的例子。在低频率下，变形缓慢发生。移动活塞所需的力很小。活塞几乎没有阻力。这种材料看起来很有弹性，它处于橡胶状态，滞后性低。如果频率增加，移动活塞所需的力增加，活塞的阻力增加。活塞侧成为主导，这是最有利的抓地力范围，因为滞后是最大的。如果频率进一步增加，粘度再次下降，橡胶会变脆！

温度：施加在橡胶上的力的频率和材料的温度以相反的方式影响橡胶。在非常低的温度下，橡胶的模量很高，即材料是刚性和脆性的，有点像玻璃。

橡胶在高温下，材料柔韧且有弹性（软化区间）；在中间温度范围内（最佳抓地力区间)，材料是最粘稠的。此时聚合物链会充分变形，使硫桥之间的链段能够移动，在移动时，它们会与其他链条发生摩擦，这会减慢它们的运动（迟滞）。该材料处于粘弹性状态。

脆化转变是指温度由低温脆化区向最佳抓地力转变，高于该温度，材料越来越趋向于橡胶状态。温度的升高会增加分子的流动性，从而促进运动。类似的如食用油，当油倒入锅中时，它会缓慢流动。随着锅加热，油的流动性增加。

对于热爱赛道的朋友，气温的高低和胎压的关系并非完全成反比。胎压过低会导致橡胶分子间摩擦产生的热量更多，最终轮胎超温导致抓地力衰减。我的建议是保持2bar左右的轮胎气压上场，1-2圈暖胎后再下来释放掉0.1-0.2bar左右的气压。往往此时能保持轮胎最佳工作温度和适合的气压，圈速也能做出自己满意的成绩。（热熔胎不在参考范围）

橡胶的粘附性：

微观看轮胎抓地力形成的过程，实际上是轮胎中的橡胶分子与路面不断发生摩擦的过程，粘附力来自在橡胶与地面界面处发生的分子相互作用，粘附的基本条件是橡胶与路面直接接触（橡胶和地面之间的间距小于10-6毫米），即道路清洁干燥。

分子粘附发生在106Hz和109Hz之间的应力频率范围内。为了不滑动，必须得微滑！

但是在橡胶与道路撞击时产生的所有力中，只有切向合力抵抗打滑。如果橡胶与地面没有相对滑动，则分子粘合的反作用力不是切向的，而是垂直的。只有相对滑动才能产生抵抗打滑的力。

如图可以看见车身的重量给路面一个垂向作用力，反之路面给轮胎一个垂直反力Z。轮胎与地面的相对运动会产生切向反力X，二者形成合力。可以说用轮胎与地面的微滑动来抑制车辆的滑动。

纵向附着力X取决于车辆的垂直载荷Z，以及路面和胎面胶料的类型。力由下式定义：

X =μ· Z

其中：X表示纵向附着力，单位为N；Z表示车辆在道路上的载荷，单位为N，μ表示轮胎与道路间的纵向附着系数。

μ因此定义为：μ= X / Z，它表征了橡胶 - 道路界面提供的抓地力。

纵向附着系数μ取决于橡胶和路面的性质，还有环境因素（温度，清洁度，水的存在等）。对于给定的路面，μ很大程度上取决于负载Z，同时也是轮胎滑移率的函数。实际上，轮胎——路面抓地系数随着滑移率而发生变化。所以要发挥最大的抓地力，需使轮胎处于在半滑半滚状态，一般来说滑移率为10%-20%都是可接受的。TCS标定中限制驾驶员油门，ABS标定中限制驾驶员制动踏板，二者都是取在最佳滑移率区间内。

结论：橡胶的迟滞性以及粘附性是为车辆提供抓地力的核心元素

路面的特点：

讨论轮胎，终究绕不开路面。路面的摩擦系数是影响轮胎抓地力的第一因素，路面摩擦系数越高则轮胎的抓地力越好。

关于路面，路面是将砂岩或坚硬花岗岩压碎，砂岩细粒和砂组成聚体通过沥青粘合在一起。

主要成分原料的尺寸范围为6-14mm。聚合体，沙子和细粉与粘合剂热混合以产生沥青混凝土，然后在道路上并压实。这些被称为沥青混合物。道路标准定义了各种不同的层面，例如支撑层或表面层。对于沥青混凝土，有各种尺寸的原料，象砂和细粒，要使它们之间的间隙尽可能小，也能使整个表面具有良好的机械内聚力和密封性。在排水混合物中，所用聚合体的大小留下的空间可使水能够向下渗透。

以下是一些路面的粗糙情况图：

我用各种颜色的曲线标明了四种路面的界面形状，不难发现的是右上角的路面情况能提供更大的抓地力，而左下角类似水泥路面的抓地力情况较为糟糕。d道路的规格都是按照设计标准来定的，例如上海地区的小伙伴可以观察天马山赛车场或者上海国际赛车场二者的路面情况都与右上情况类似，属于密集的大颗粒。

为什么湿滑路面抓地力差？

大家都明白车辆在干地和湿地情况下抓地力是不一样的，除了滑水现象的发生，还有哪些因素导致抓地力情况变差，又是怎样影响路面附着系数的。

在潮湿的表面上，附着系数总是很低，并且随着表面类型的变化而变化。这是因为橡胶和道路之间的水膜阻止了分子粘附机制的正常工作，除非这种水膜破裂。在潮湿的表面上，我们发现微粗糙的路面表现出最佳的抓地力。如果水深增加（湿表面），微粗糙可能会被淹没，存在高速滑水的风险。因此，积水会干扰抓地力，并且轮胎必须设计成当通过积水区，胎面花纹刀槽形状和花纹布置形式有助于快速有效地排水。

干燥路面上的附着系数在1到1.3之间，如果下雨，则在0.5-0.9之间，如果路面粗糙度较低，则雨天抓地力会变得更差。

不论任何天气，抓地力都是必需的，以保持车辆在其路线上。即使汽车是直行的并且速度恒定，也必须不断抵抗可能将车辆推离道路或减速的自然力。这些力的起源可能是风，路面弯曲，倾斜，表面不平或滚动阻力。当车辆受到这些力时，接触面自然地成为微滑动的中心。然而，抓地力在下面两种情况显得格外重要：当车辆的速度发生改变（加速-减速）和汽车们改变其方向（转弯）时。

抓地力的两个组成部分：纵向抓地力和横向抓地力。由于制动和加速相关的机制具有可比性，我们在此主要关注制动，这对车辆安全至关重要。

纵向抓地力

无论是纵向还是横向，抓地力都是由轮胎胎面花纹块在路面上的摩擦产生的。

我们首先要看一下会发生什么。首先轮胎的接触面几乎与路面不动，接着橡胶块相对于路面有微滑动，然后像履带一样移动。因此，在每次车轮转动时，与路面接触的胎面花纹块并不是在表面上纯滚动。

轮胎的工作类似一个固定在地面上的橡胶块，我们用手去按压它的同时，再施加一个往前推动的力。可以看到该橡胶块被垂直于地面的力Z发生压缩变形，施加在侧面的力F，其平行于地面并逐渐增大。开始时，橡胶块变形而不会在表面上滑动。发生剪切变形。这时，在橡胶 - 表面接触产生的一个与力F大小相等且方向相反的阻力，该阻力称为摩擦力X。

这个阶段也被称为“伪滑点”，因为一切都发生在橡胶块相对于路面滑动时。因为幅度太小而橡胶块相对于地面并未明显地移动。橡胶的变形能力将决定这种伪滑移的程度。

如果力F继续增加，则橡胶块将开始在表面上滑动，同时保持其最大剪切力。在橡胶 - 地面处发生“真正的”滑动。类似下图：

滑动的来源

假设以一定速度沿直线行驶的车辆。当驾驶员踩下制动踏板时，制动力矩通过制动回路施加到车辆的四个车轮。此时，车轮的角速度减小并且轮胎的滚动速度下降到车速以下。为了弥补这种差异，轮胎开始以一定滑动率在道路上滑动。在滑动期间，橡胶分子粘附和滞后引起摩擦力，其抵抗滑动，并且车辆减速。

这台车的抓地力X如何，取决于车辆在路面上的载荷Z，以及路面和胎面胶料的类型。

定义为：X =μ·Z 其中：X单位为N，Z是道路上车辆的载荷，单位N，μ代表路面的附着系数。因此，纵向附着系数μ被定义为：μ= X/Z。具体说明如前所述。

横向抓地力

“过弯”实际上就是一个对抗离心力的过程，转弯半径越小，质量越大，速度越快则越难转向，反之则越容易。具体关系如下：

M为质量，V是速度，R为半径。如果Fc=Y，则车辆会按照既定的轨迹圆行驶。

在弯道中，驾驶员通过转向系统设定车辆两个前轮的转向角度。实际上，他并没有沿着车辆的路径转向车轮，而是将车轮指向弯道内侧。这会在车辆运动方向和车轮旋转平面之间产生差异。角度差称为侧偏角。符号为 [公式] ，它引起轮胎和路面之间的摩擦，产生横向向心力Y。在非常低的速度下，离心力非常低，（MV2 /R≈0），侧偏角为零，车辆的路径由前轮转向角决定。随着速度的增加，离心力也随之增加。因此，为抵消该力并使车辆保持在其所需路径上所需的侧偏角也增加。由于转向系传动比的存在，通常来讲，方向盘角度为20°，实际前轮转向角度约为1°左右。