高阶补脑 如何理解轮胎产生的力?

  最近又有网友提问了,作为一个轮胎人,如何理解轮胎的产生的力?

  对于这样一个烧脑的问题,小编略微整理了一下,就不知道以下这些是不是你的答案了。

  【转弯力】

  物体滑动或扭转形变的力,称为“剪应力”(应力的一种);

  而物体对剪应力产生抵抗的特性,则称为“剪弹力”。

  若剪应力针对轮胎朝横向作用,轮胎就会朝横向变形,如下图——

 

 

  不过,此时的轮胎也会产生对抗剪应力的力,并尝试恢复原状。事实上,轮胎就是用抗拒力让自身形变来产生车子加速、减速、转向的的作用力。

 

 

  接下来,我们用转弯中的轮胎模式图说明,从图中可以了解,轮胎的旋转面与车主的前进方向之间是有差异性的。换句话而言,轮胎的力是通过一边旋转、一边横向变形而产生。此时,旋转面与前进方向形成角度,称为滑移角;而与行进方向垂直产生的力,则称为转弯力车子之所以可以转向,就是因为轮胎可以产生如上述的转弯力。

 

 

  一般而言,剪弹性较大,即使滑移角相同,也会产生较大的转弯力。不过,当剪弹力过大时,少许的滑移角就可能导致摩擦饱和,使路感与车手的感觉不合,相反的,如果剪弹性太弱,则会过度形变,而使车手感到不安。

 

 

  【转弯力与滑移角的关系】

  如图,在滑移角较小的范围内,转弯力会呈直线增加,而当滑移角大到一定程度时,转弯力则会达到饱和。这种转弯力的变化比率,称为转向功率,只需要一点点的滑移角变化,便可以产生较大转弯力的轮胎,其转向功率也较大。

 

 

  【胎压与转向功率】

  一般而言,胎压较低的范围内,胎压增加时,轮胎的剪弹力会提升,转向功率也会变大。不过,胎压的增加也会导致与路面的接地面积减少。换言之,接地面积与剪弹力,是针对胎压产生的相反效果,当垂直载重较小时,胎压增加造成接地面积减少的效果,会比剪弹性增加的影响更大。因此,转向功率会降低,相较于此,当垂直载重较大时,胎压增加带动剪弹性变大的效果,会有较大的影响力,因此,转向功率也会增加,为了将转向功率提升到极限,最重要的是考量轮胎的特性与车重,在各项要素之间取得平衡。

 

 

  【随驱动与制动的轮胎横向力】

  从上方观察车辆时,与轮胎旋转面方向垂直产生的抓地力,成为横向力,理解这一横向力在驱动或制动时会产生何种变化,是非常重要的一点。踩下制动踏板或者油门踏板时,轮胎的抓地力会被用于制动力或驱动力,所以,即使在相同的滑移角下,横向力仍会减少。例如下图:实际上,由于轮胎前后方向与横向的摩擦力不同,所以形状是椭圆形。赛车会随着车手的操控,而频繁进行驱动与制动,因此,斜向的摩擦力容易影响单圈时间(Lap time)。

 

 

  轮胎的力学是汽车运动性能的重要一环,或许我们平民根本不用了解“何谓剪应力、剪弹力”专业术语,不过,往往是这些复杂的理论带出了简单的道理,起码在最后,你知道滑动摩擦对圈速的影响了吧?

(来源:牛车网)
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