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你真的了解汽车轮胎吗?数据告诉你这弯道利器的特性

   2024-04-24 202
导读

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

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:http://4.chaohudiming.cn/

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。

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。

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(文/小编)
 
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