4.3 轮胎的抓地力支撑汽车

在上一节中我讲到,汽车即使提速到时速100km也能转向,是因为轮胎的触地面弯曲,产生了侧偏力。汽车在高速公路等曲率半径(弯道半径)大的转弯处(即缓弯)能够安全转向,这没什么问题。但在山路等曲率半径小的转弯处(即急弯)也能在时速100km下转向就有些不现实了。汽车可能会因无法彻底转向而跌落悬崖。那这是为什么呢?

转弯越急,速度越快,离心力越大,因此在转向时就需要足够大的侧偏力来抵抗离心力。之前我讲过,侧偏力是因弯曲而产生的,但如果轮胎不紧抓路面,轮胎也就无法弯曲。我们把轮胎紧抓路面的力称为抓地力。抓地力越小,轮胎的弯曲程度就越小,也就意味着侧偏力越小。也就是说,为了产生抵抗离心力的侧偏力,必须加大抓地力。

然而抓地力也有界限。当离心力超过在抓地力限度内产生的侧偏力时,汽车就无法顺利转向。因此,除了转弯的急缓程度之外,汽车能否顺利转向也与轮胎的抓地力有关。

之前为了介绍汽车转向的过程,我先讲解了转向系统、轮胎的结构以及因“变形”和“弯曲”产生的侧偏力。贸然提出轮胎的抓地力会影响这一过程的讲解,所以我就没有提及。

然而,汽车“行驶”、“转向”、“停车”的根本在于轮胎的抓地力,这些都是以轮胎紧抓路面为前提的。正是因为抓地力的存在,汽车才能依靠紧抓路面“作用力”的“反作用力”前进、转向、减速并停车。换句话说,如果没有抓地力,汽车就无法行驶、转向和停车。这是因为轮胎是汽车与路面的唯一触点,只有轮胎紧抓路面汽车才能行驶,并且汽车转向时轮胎的作用尤为重要。下面我就开始讲解轮胎的抓地力。

首先,什么是抓地力?之前我讲过,抓地力是轮胎紧抓路面的力。说得更具体一点,就是轮胎的橡胶牢牢抓住道路表面的力。抓地力产生于“橡胶的摩擦”、“轮胎的变形”和“橡胶的损耗”。

先从橡胶的“摩擦”说起吧。与铁制车轮或木制车轮不同,触摸轮胎的表面时,您会觉得有些黏。橡胶表面的黏性会和路面产生摩擦,生成紧抓路面的力。

抓地力也来自于因轮胎的弹力产生的“变形”。之前我讲过,轮胎的触地面会变形压瘪。轮胎正是借助这种变形紧抓路面并向后“驱赶”路面的。

气温越高,橡胶的黏性和弹力就越大,抓地力也随之增大。相反,气温越低,橡胶越硬,黏性和弹力也就越差,抓地力也越小。

抓地力还与轮胎的磨损有关。掰橡皮时橡皮会产生防止断裂的阻力。同样,轮胎的磨损就是紧贴路面的橡胶的损耗,此时发挥阻力就是抓地力。当然,轮胎橡胶的损耗是微乎其微的,因此在路上往往看不到散落的橡胶碎片。

如上所述,“摩擦”、“变形”和“损耗”三股力量综合起来才产生了抓地力。汽车转向时轮胎因抓地力而弯曲,从而产生侧偏力。且抓地力越大,与离心力相抵抗的侧偏力就越大,急转弯时也能快速转向。但是当离心力超出抓地力的界限时,汽车就会开始打滑,导致无法彻底转向。因此为了行驶安全,必须在考虑到汽车速度和转弯的急缓程度的同时,保证汽车在抓地力的界限内行驶。

我们说轮胎的抓地力时,一般是以汽车在干燥的路面上行驶为前提的。但汽车并非只在干燥路面上行驶,路面状况改变时抓地力也会发生变化。

我们已经了解到,“摩擦”、“变形”和“损耗”三股力量综合起来才产生了轮胎的抓地力。其中影响较大的是“摩擦”和“变形”,两者会因路面状况的不同而变化。当给橡胶施加重量时,它会变形处于压瘪状态。这样一来,轮胎与路面更加贴合,摩擦变大,也就不容易打滑。我们穿的鞋,橡胶底比皮制底更防滑。这是因为橡胶有弹力,更容易贴合路面,摩擦也就更大,并且胖人的鞋底与路面更贴合。然而橡胶鞋底也不是完全防滑的。例如,跑步时突然停止,在下过雨的人行道上奔跑,以及寒冬的早晨走在结冰的路上时,即使是橡胶鞋底也会打滑。

轮胎也是如此。当汽车在下过雨的道路、没有经过铺砌的沙土路或者冰雪路等容易打滑的路上行驶时,如果速度不是远低于在干燥路面上的行驶速度,轮胎就很容易打滑。并且如果不在转向时减速,就无法彻底转向。之所以容易打滑,是因为轮胎抓地力限度变小了。

我们从抓地力的角度再来考虑一下汽车为什么能在缓弯时快速转向,而在急弯时必须降低速度。

之前我讲过,轮胎的抓地力不只是在转向时发挥作用,而是与汽车的“行驶”、“转向”和“停车”都有关。抓地力存在极限,因此需要调整并决定抓地力的分配是用于行驶、转向还是分给减速。

能够表示抓地力分配方法的是摩擦圆,它表示占据了大部分抓地力的摩擦限度。虽然抓地力包含轮胎的摩擦、变形和损耗三大要素,但仅用表示摩擦限度的摩擦圆,就能显示出抓地力的整体倾向。

请看图4.5中左侧轮胎的摩擦圆,纵轴的上半部分展示了与汽车的驱动力相关的抓地力,下半部分展示了与汽车的减速力有关的抓地力。横轴表示转向时抵抗离心力的抓地力。

轮胎的摩擦圆

图4.5 轮胎的摩擦圆
※表示轮胎的摩擦极限。路面状况的变化会引起摩擦圆大小的变化。

当汽车直线行驶时,抓地力用于加速或减速,其大小程度可以直至纵轴与摩擦圆的上下交点。当汽车在即将达到极限向右转向时,可以将力增加到横轴与圆的右交点。但此时横轴上上下方向的速度变成了0,汽车就走不动了。这当然是不现实的,因此在实际行驶中是不能把抓地力全都分配给抵抗离心力的力(侧偏力)的。

那么,既不在摩擦圆的横轴上也不在纵轴上是什么意思呢?我们假设圆周上45度倾斜处的黑点表示可以将抓地力同时用于行驶和转向的界限,它是指汽车在边转向边行驶时,抓地力分别用于速度和抵抗转向离心力的界限。通过决定靠近上半部分还是靠近左右部分,在行驶速度优先和抵抗转向离心力优先之间进行选择,以调整抓地力的分配。

高速行驶时,当靠近摩擦圆上半部分倾斜一些的位置时,抓地力优先用于速度,抵抗离心力较大部分的就所剩无几了。因此,此时只能在离心力较小的缓弯处顺利转向。

当靠近圆的横方向时,抓地力优先用于抵抗离心力,此时汽车即使在离心力很大的急转弯处也能顺利转向。但由于分配给速度的力很小,因此汽车只能缓慢行驶。

但如果轮胎超出了摩擦圆,就很容易打滑,汽车就可能飞离路面。以上都是汽车在即将达到极限时利用抓地力的情况,而平时汽车都是在远离极限的圆内侧行驶的,因此轮胎打滑造成交通事故的情况少之又少。

但当路面状况发生变化时,轮胎就会容易打滑。如在下过雨的道路、未经铺砌的沙土路和冬天的冰雪路上行驶时,抓地力的极限就会变小,如图4.5中右侧的摩擦圆。如果此时汽车的行驶速度还与在干燥路面上的行驶速度相同,就会超出摩擦圆所示的抓地力的限度。因此在容易打滑的路面上,无论是加速还是转向都要慎重。

之前讲解抓地力时,我并没有区分前轮和后轮。但实际上,抓地力在前轮和后轮上的作用方法是不同的。

为了使您容易理解汽车的基础知识,本书是以只将驱动力传递到后轮的后轮驱动车(FR)为例进行讲解的。在后轮驱动的汽车中,发动机的旋转被传递至后轮,驱动力也只在后轮轮胎上发挥作用。与前轮相比,后轮在摩擦圆上下方向上耗费的力更大。例如当汽车以接近抓地力极限的高速行驶时,如果驾驶员突然踩下加速踏板,将更大的驱动力传递至轮胎,后轮承受的力就会超出摩擦圆。在急加速等情况下轮胎的空转就是这种状态。

当然了,后轮驱动车的前轮也会在摩擦圆的上下方向上耗费一定的力。这是因为前轮虽然只是在旋转,但它会因后轮的驱动力与车身一起向前移动。正是因为向前的驱动力发挥作用,前轮才会在摩擦圆的上下方向上耗费力。

汽车加速时,后轮耗费了很大的驱动力,此时前轮上还残留着一部分抓地力,但后轮上的抓地力已经基本没有了。虽然速度不是很快,但由于加速时要耗费很大的驱动力,抓地力也就所剩无几了。

因此,当驾驶员在转向时突然大幅踩下加速踏板,会瞬间增大后轮的驱动力,导致后轮轮胎超出抓地力的极限横向打滑。此时汽车会因后轮的横向打滑像陀螺一样开始旋转,虽然不像无法彻底转向时那样会飞离路面,但最终也会导致汽车偏离道路。

前轮驱动车(FF)和4轮驱动车(4WD)两种车型是给前轮追加驱动力,因此如何在摩擦圆中分配使用抓地力就变得更加复杂。

大部分人驾驶的汽车都是前轮驱动车。发动机的旋转力传递至前轮,由前轮接受驱动力驱动汽车前进。并且驾驶员能够通过操作方向盘改变前轮的方向,实现汽车的转向,后轮只跟随汽车行驶。

前轮在前轮驱动车中的作用要大于其在后轮驱动车中的作用。前轮驱动车中的前轮身兼数职,例如支撑汽车的重量,转向时改变方向,利用轮胎触地面的弯曲产生侧偏力,以及借助驱动力驱动汽车等。

读到这里您大概会担心:轮胎的抓地力是有限的,前轮驱动车的前轮能够承担这么多角色吗?它比起后轮驱动车会更快地超出抓地力极限,不就会打滑了吗?

在寻找答案之前,您可以先回想一下橡胶的特性。把橡胶底的鞋单独放在倾斜的木板上时,鞋会从某处滑下,而出乎意料的是当人穿着鞋站在同一块倾斜的木板上时就不会往下滑。这是因为给橡胶加重时会增加橡胶的贴合力,也就意味着抓地力增大了。

在前轮驱动车中,汽车前端的发动机周围聚集了加速器和差速器等动力传动装置,这就给前轮轮胎施加了很大的重量。前轮轮胎的抓地力因此增大,即使增加了控制方向和驱动汽车的负担,也能够安全转向。

然而正如我在第2章介绍飞轮时讲过的那样,重物一旦开始运动就很难停止。这一基本原则也适用于轮胎的抓地力。

在前轮驱动车中,当承受着巨大重量的前轮轮胎超过了抓地力的极限开始打滑时,往往无法停止。因此前轮驱动车很容易因速度过快而无法正常行驶。所以,注意轮胎的抓地力极限,保证汽车在安全的速度内行驶是至关重要的。

那么4轮驱动车又是怎样的呢?在4轮驱动车中,发动机的旋转力被平均分配到前后轮。前轮驱动车的前轮承受着巨大负担,但在4轮驱动车中前轮的负担减轻了。由于4轮驱动车是同时借助前后轮胎保证汽车平稳前进的,因此也就能均衡分配轮胎的抓地力。

4轮驱动车之所以在易打滑的未经铺砌的道路上威力十足,就是因为驱动汽车的力不是作用在前轮或后轮的任意一方,而是能够利用四个轮子全部的轮胎抓地力。

目前的市售车中,绝大部分仍是前轮驱动车。这是因为将功能集中于前轮的汽车更容易生产,且易于提高汽车的便利性(如增大驾驶室空间等)。然而,前轮驱动车将功能集中于前轮,致使装置变得复杂,结构难以理解。本书旨在帮助您理解汽车的基础知识,因此是以将功能分散至前轮和后轮的后轮驱动车(FR)为例的。

轮胎的抓地力越大,越能安全快速地行驶和转向。那么,怎样才能增大轮胎的抓地力呢?

实际上很简单,只要使用黏性强、摩擦大、弹力大、易变性强的橡胶与路面接触就可以了。简单说来,就是使用柔软的、发黏的橡胶。摩擦大、黏性强的橡胶抵抗损耗的力也很大,因此能够增大抓地力。

并且,通过增大轮胎的触地面,相应地也能够增大产生抓地力的面积。比赛用的轮胎都很宽,就是为了增加触地面积。增大触地面,就能增大抵抗离心力的抓地力,也就能使汽车在速度快的情况下安全转向。触地面的面积横向扩展,相应地就能在转向时支撑住汽车。

卡车和公共汽车的轮胎没有那么宽,但直径很大。这是因为轮胎长长的触地面能够在前进方向上将驱动力稳定地传递到路面,它们才能在载满重物和人的情况下依然安全地前进和加速。

但所有的事物都利弊兼具。即使用很小的力也很容易伸展的柔软的橡胶,在达到伸展极限后就很容易磨损,从而缩短轮胎的寿命。

而且,宽度大和直径大的轮胎较重,很容易在凹凸不平的路面上上下颠簸,也就降低了乘坐的舒适度。在第2章介绍飞轮时我讲过,重物很难开始运动,但一旦开始就很难停止。较重的轮胎受凹凸路面的影响开始强烈颠簸后,其振动就很难停止了。

比赛用的宽轮胎由高价材料制成,质地轻薄。但它比市售轮胎贵几倍,且损耗很快,在比赛中用过一次就没法再用了。对于普通的小型汽车来说,轮胎生产商的任务就是不断研究轮胎的材料和结构,设计出软硬适度、尺寸不大但能产生强大抓地力的轮胎。

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