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抓地力與車輛動態關係
  • 發布年度:2012
  • 主要類別:其他
  • 次要類別:電子報
  • 車輛研究測試中心 試車場部 實車測試課 龍景森

    汽車的四個輪胎與地面接觸的面積大約四張明信片的大小,卻要承受汽車本身約1~2噸的重量,更對汽車行駛時所發生的加速、煞車、轉彎等動態性能有著決定性的影響。下面我們將用比較淺顯易懂的理論探討基本的輪胎抓地力與車輛動態關係。

    摩擦力是兩個物體接觸時的作用力,車輛能在道路上行駛靠的也是摩擦力,就是輪胎與地面相互的作用力,也稱輪胎抓地力。抓地力越好,汽車的加速、煞車、轉彎的動態性能相對越好。我們再從物理常識來看,輪胎與地面的摩擦力(F),取決於輪胎-地面間的摩擦係數(μ)與輪胎的荷重(N),都是成正比關係:F=μN。

    先來看摩擦係數,這影響因素固然很多,但最主要的還是在地面狀況,例如柏油路面乾燥時約0.9、潮濕時約0.6,未鋪裝或髒污路面變化則又更大。

    再來是輪胎的荷重,雖然汽車行駛時總重量幾乎不變,但因為各種操控動作使得重心不斷在改變,各輪胎荷重也不斷在變化,加速時重心往後移,前輪的荷重減少;煞車時重心往前移,後輪的荷重減少;轉彎時重心往外側移,內側輪的荷重減少。因為各輪的荷重變化,造成各輪的抓地力也在變化,抓地力不一樣,就會讓汽車的極限操控性產生微妙的變化。例如直行緊急煞車時,重心前移,後輪抓地力相對降低,可能造成後輪鎖死,一旦鎖死,會喪失循跡性,造成失控甩尾。又例如行駛在彎道中,若車輪的抓地力已接近極限,這時踩煞車,重心前移,後輪可能會突然失去抓地力而失控甩向外側。

    什麼時候摩擦力最大呢?這也是基本的物理現象,如圖1所示,從靜止到滑動的過程中,最大摩擦力會出現在開始滑動之前,稱為”最大靜摩擦力”,開始滑動後摩擦力會略降低並維持不變,稱為”動摩擦力”。所以在極限操控中,都是儘可能去趨近並且不超越最大靜摩擦力範圍,以獲得最大的抓地力,而且使車輪不滑動更易於掌控。

    圖1 最大靜摩擦力

    接下來我們再來探討「抓地力圓」。汽車行駛時所需的抓地力方向可以簡單區分為前後方向及左右方向。前後方向就是車輪滾動方向,為縱向力,有驅動力跟煞車力;左右方向是橫向力,也就是轉向力。我們可以用抓地力圓來表示兩者之間的關係,如圖2所示,縱向力與橫向力之合為該輪之抓地力,圓周線為抓地力極限,當縱向力大時,橫向力就變小;橫向力大時,縱向力就變小,超過抓地力圓界線,車輪就會打滑。假設在轉彎中煞車,若兩者合力仍在抓地力圓範圍內,則車輪尚不會打滑。但如在過彎中,縱向橫向合力已逼近抓地力圓界限,此時再有突然的加速或減速動作,則必然發生車輪打滑現象。

    2 抓地力圓

    我們都知道,更換較大尺寸的輪胎,增加輪胎與地面接觸面積,可以相對提昇抓地力,可是前面所說的F=μN,何以與接觸面積不相關?從表面上來看,摩擦力僅與正向力、物體間的摩擦係數相關。但輪胎是彈性體,我們用放大鏡來看輪胎與地面的接觸面,輪胎表面的橡膠會隨著荷重的增加而包覆在路面凹凸不平的表面上。包覆的情況就有如用鉛筆插入橡皮擦內越深(荷重越高),橡皮擦就會包覆鉛筆(包覆表面積越多)一樣道理。貼地面積越大,橡膠與路面間實質的接觸面積越多,輪胎的摩擦阻抗就隨之增加。橡膠材質越軟,包覆路面坑洞越多者,摩擦力也會增加。因此,在競賽所使用的輪胎,都是盡量搭配使用較寬、貼地面積較大、且橡膠材質較軟的輪胎來競賽。

    平時用車保持正確的胎壓,是確保車輛維持理想抓地力的最簡單,也是最有效的方法(原廠標準胎壓通常都會標示在駕駛側B柱下緣內側,車門打開即可看見)。保持正確的胎壓會使胎面紋路與地面以最大面積完全接觸,有助於優化輪胎性能、耐用性和燃油經濟性,並且避免胎壁彎曲,降低滾動阻力。保持正確的胎壓,輪胎的排水性及抓地力最佳,引擎動力得以完全發揮,所以最省油。正確的胎壓也穩定了輪胎的結構,維持車身的牽引力,胎壓也隨著溫度變化會產生影響,而使用惰性氣體-氮氣,可以減少胎壓的變化幅度。

    胎壓過高所造成的危險:
    胎面中間會從平面膨脹成弧面,減少與地面的接觸面積,雖然對引擎負荷較輕,卻會因為輪胎內部壓力過高,而在胎溫升高後產生爆胎的危險。
    胎壓過低所造成的危險:
    1.會造成胎壁彎曲,並減少輪胎接地面,因而降低車輛入彎時的轉向精準度。
    2.行進阻力變大,對於引擎產生負荷,因此耗油量增加。
    3.與地面接觸面會偏向外側,會使輪胎表面溫度不平均,使輪胎的耐久性和胎紋壽命變差。
    4.胎面及胎壁變形量大,長時間高速行駛會使輪胎溫度過高,易造成爆胎。
    5.過低的胎壓,會導致輪胎受到側向力拉扯時,輕易從輪圈上脫落。


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