輪胎的摩擦力從哪里來？看完你就知道了
更新時間：2024-05-09 21:56:12作者：佚名
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? 下圖是 Chris Harris 的 Youtube 頻道上的視頻截圖，比較了 Pirelli Trofeo R 半熔體輪胎和保時捷原廠 Pilot sport cup 2 的單圈時間差距。
相同配置下，使用半熱熔輪胎的單圈時間快了2秒以上。 事實上，Pilot sport cup 2已經是一款非常強大的跑車輪胎，但如果所有配置不變，它仍然無法超越半熱Trofeo R。為什么半熱輪胎如此強大？ 他們到底有何神奇之處？
第 1 部分 輪胎摩擦從何而來？
無論汽車的發動機多么強勁，傳動裝置多么天衣無縫，真正將動力傳遞到地面并依靠摩擦力推動汽車前進的仍然只有這四個輪胎。 可以說，這四個輪胎的接觸面積不超過A4紙的面積，這確實在很大程度上決定了汽車的動態性能。
從最基本的角度來看，輪胎的摩擦力有多大？ 我們把輪胎接觸地面的地方看成是一塊橡膠。 牛頓爺爺的理論告訴我們，當我們的輪胎與地面之間的靜摩擦系數和正壓力一定時，就可以計算出這塊橡膠的摩擦力。 這里，我們進一步說明一下，如果將摩擦力的方向延伸到整個路面，則最大靜摩擦力形成一個圓。
根據最基本的摩擦理論滑動摩擦力的方向，由于滑動摩擦力一般都比靜摩擦力小，所以這個輪胎，哦不，這塊橡膠所能提供的最大摩擦力就是這個藍色圓圈所表示的范圍。 為了簡單起見，我們稱這個圓為“摩擦圓”。
但輪胎并不是一塊簡單的橡膠。 事實上，輪胎在使用過程中，車輛重心的不斷移動，會給輪胎帶來不同的變形。 另外，輪胎的尺寸、轉速、結構也不同。 事實上，輪胎在正常運轉時，是一種“半滾動、半滑動”的狀態。 別擔心，這里的“滑倒”并不像大家想象的那么嚴重。 相反，它是輪胎動力學的一個非常重要的組成部分。
在現代汽車輪胎動力學中，工程師使用多種方法和各種數學模型來模擬輪胎的動態系統英語作文網，看起來簡單但實際上非常復雜。 由于輪胎配方、花紋、尺寸等條件差異較大，輪胎模型的研究仍然是汽車動力學研究的熱點之一。 現在人們仍在繼續探索更好、更優秀的輪胎數學。 模型。 然而我們前面介紹的輪胎摩擦圈作為最基本的基礎，默默地發揮著它的作用。
正如我們在前面的討論中所說，正壓力越大，摩擦力就越大。 上圖中，藍、綠、紅線代表輪胎上不同的壓力，藍色最大，紅色最小。 坐標軸的橫軸和縱軸代表兩個不同方向的摩擦力。 這是對輪胎摩擦力的極限測試。 可以看到，所有的測試數據（點）最終都可以被包絡到我們計算的輪胎摩擦圓的邊緣中。 該輪胎的摩擦圓不是正圓而是橢圓形。 這是因為輪胎花紋和結構具有明顯的方向性，這就導致輪胎實際能提供的最大靜摩擦力在相反方向和側面。 。 無論我們如何測試，輪胎摩擦力永遠不會超過我們通過模擬計算出的輪胎摩擦力橢圓。
這就是輪胎的極限，也是汽車操控的極限。
什么是第 2G 部分測力計？
前面對牛頓定律的描述是不是讓大家感覺回到了高中時代呢？ 這里我們放松一下，看一下賽車中常用的儀表——重力儀。
所謂G力就是橫向加速度與重力加速度的比值。 由于我們的重力加速度9.8米/秒^2基本上是一個固定值，所以比例越大，當前的橫向加速度就越大。 當儀表讀數為 1 時，表示您在該方向上經歷的加速度恰好等于重力加速度的一倍。 許多跑車上都設有這樣的桌子。 對于駕駛員分析汽車過彎時的動態非常有幫助。
這是重力計。 四個方向分別代表加速/制動/左轉/右轉四個方向的力。 是不是和前面的輪胎摩擦圈很相似？ 是的，兩者之間有直接的相關性。
我們之前說過，輪胎是汽車與地面的唯一接觸點。 也就是說，輪胎所受到的靜摩擦力直接決定了汽車各個方向的加速度。 輪胎所能提供的摩擦力是有限的，因此車輛在各個方向上的加速度也是有限的。 這些加速度很大程度上決定了汽車加速、減速和轉彎的速度。
熱熔輪胎，顧名思義，就是緊貼地面的輪胎，摩擦系數比普通輪胎大很多。 這意味著，對于相同的車輛重量和重量傳遞，熱熔輪胎比普通輪胎具有更大的摩擦圈，可以使車輛的最大G力更大，加速、減速和轉彎更急劇。 這就是為什么半熱胎和熱熔胎相比普通輪胎能夠顯著提高單圈時間。
第三部分：這些研究對我們的駕駛有什么用處嗎？
當然有效！ 首先我們來說說賽車中的一個駕駛技巧——循跡制動（Trail Braking）。 越野制動最早出現在摩托車運動中，現已成為廣大賽車運動中的一項重要基本功。
簡單來說，Trail Braking就是賽車手在進入彎道時逐漸減小制動力，并在經過彎道頂點后逐漸增加加速度的過程。 在與時間賽跑的賽車中，車手總是希望盡可能充分利用輪胎的每一點抓地力來獲得更快的速度。 但很多情況下，為了實現快速減速和加速，過度的重心轉移往往會導致車輪對地面的壓力減小，甚至懸在空中。 此時，懸掛的輪胎無法提供任何力，這是駕駛員不愿意看到的。 這時候，循跡制動就派上用場了。
根據前面對輪胎摩擦圈的介紹，實際上，當輪胎的所有摩擦力都用來提供加速或減速時，它幾乎無法提供任何轉向摩擦力。 同理滑動摩擦力的方向，如果輪胎的摩擦力全部用來驅動車輛轉彎，也很難對車輛的加速和減速產生任何作用。 這聽起來可能很難理解，但事實上，當車輛接近極限狀態時，輪胎的動力學確實是這樣的，這也是后期設計ABS系統的機會之一。
那么，當賽車手能夠非常準確、穩定地控制踏板和轉向的關系時，在不需要轉向的直道盡頭，他就會選擇全力制動。 然后，隨著轉向角逐漸變大，制動力逐漸變小。 ，輪胎可以提供額外的轉向扭矩。 當它到達彎道的頂點時，所有摩擦力都施加到汽車的轉向上。 此后，汽車逐漸退出彎道，轉向角逐漸變小，輪胎的摩擦力成為驅動車輛前進的驅動力。 在整個越野制動過程中，賽車手精確控制油門、制動踏板和轉向的配合，讓輪胎在整個轉彎過程中工作在接近摩擦圈邊緣的極限位置，即始終充分利用輪胎的所有抓地力。 土壤肥力。 此時，不僅制動和加速更加平穩，重量轉移更小，而且車輛過彎時速度也更快，這對于賽車運動來說是非常基本和有效的。
然而，普通人一旦脫離賽道，掌握這項技術的機會就很少了。 對于大多數普通駕駛員來說，當我們遇到危險時，第一反應就是猛踩剎車并迅速轉彎躲避。 但事實上，一旦輪胎抱死，車頭往往就不那么聽話，不轉了。 相反，它會直接向前沖（不要在普通道路上嘗試此操作），這可能會導致危險。 其實這個時候，我們一方面需要輪胎用力剎車來減速，另一方面又需要它轉彎。 輪胎無法提供如此大的摩擦力（抓地力），因此會發生打滑（抱死），然后輪胎失去控制。 由于滑動摩擦力小于最大靜摩擦力，很大一部分轉向或制動效果喪失，導致車輛失去控制。
我們不可能要求每個駕駛員都像賽車手一樣對車輛有精確的控制，但汽車工程師已經利用電子設備為我們提供了極端條件下的駕駛輔助保障。 這就是大家熟知的ABS和ESP系統。
現代ABS/ESP系統在完全制動的同時，還保留了輪胎的一些殘余抓地力，以滿足駕駛員的轉向要求。 同時輔以驅動力/制動力分配系統等部件的協同配合，使汽車的輪胎始終工作在接近極限摩擦力的位置。 當駕駛員遇到緊急情況時，猛烈制動不僅不再抱死車輪，還可以在一定程度上控制車輛的方向，從而保證車輛緊急變道的安全。 在這些電子輔助裝置普及之前，這種緊急操作只能由非常熟練的駕駛員或賽車手來執行。 尤其是在雨雪天氣，當輪胎最大靜摩擦力不足時，需要對車輛進行極其細致的保養。 控制。 在電子設備的輔助下，普通駕駛員也能實現緊急變道時車輛的穩定。
不過，說白了，這些操作和輔助系統的本質仍然是讓駕駛員充分利用輪胎的每一點摩擦力，尤其是當我們需要車輛在改變其縱向加減速度的同時，改變其縱向加速度和減速度。橫向方向。 轉彎時，充分利用輪胎，讓最大靜摩擦力逼近摩擦圈邊界，是極限控車的不懈追求，也是危險情況下安全控車的保障。
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