轮胎抓地力与车辆动态的关系

■文/杨维平

汽车的四个轮胎与地面接触的面积大约4张明信片的大小，却要承受汽车本身约一两吨的重量，更对汽车行驶时所发生的加速、刹车、转弯等动态性能有着决定性的影响。下面我们用比较浅显易懂的理论，探讨轮胎抓地力与车辆动态关系。

摩擦力是两个物体接触时的作用力，车辆能在道路上行驶靠的也是摩擦力，即轮胎与地面相互的作用力，也称轮胎抓地力。抓地力越好，汽车的加速、刹车、转弯的动态性能相对越好。从物理常识来看，轮胎与地面的摩擦力（F），取决于轮胎—地面间的动摩擦因素（μ）与轮胎的荷重（N），并成正比关系：f=μN。

先来看摩擦系数。影响摩擦系数的因素很多，但主要在于地面状况，例如：柏油路面干燥时约0.9，潮湿时约0.6，未铺装或脏污路面变化则更大。

再者是轮胎的荷重。虽然汽车行驶时总重量几乎不变，但因为各种操控动作使得重心不断在改变，各轮胎荷重也不断在变化，加速时重心往后移，前轮的荷重减少；刹车时重心往前移，后轮的荷重减少；转弯时重心往外侧移，内侧轮的荷重减少。因为各轮的荷重变化，造成各轮胎的抓地力也在变化，抓地力不一样，就会让汽车的极限操控性产生微妙的变化。例如直行紧急刹车时，重心前移，后轮抓地力相对降低，可能造成后轮锁死，一旦锁死，会丧失循迹性，造成车辆失控甩尾。又如行驶在弯道中，若车轮的抓地力已接近极限，这时踩刹车，重心前移，后轮可能会突然失去抓地力而失控甩向外侧。

什么时候摩擦力最大呢?从静止到滑动的过程中，最大摩擦力会出现在开始滑动之前，称为“最大静摩擦力”，开始滑动后摩擦力会略降低并维持不变，称为“动摩擦力”。所以在极限操控中，都是尽可能去趋近并且不超越最大静摩擦力范围，以获得最大的抓地力，而且使车轮不滑动更易于掌控。

汽车行驶时所需的抓地力方向可以简单区分为前后方向及左右方向。前后方向就是车轮滚动方向，为纵向力，有驱动力和刹车力；左右方向是横向力，也就是转向力。我们可以用抓地力圆界线来表示两者之间的关系，纵向力与横向力之合为该轮胎抓地力，圆周线为抓地力极限，当纵向力大时，横向力就变小；横向力大时，纵向力就变小，超过抓地力圆界线，车轮就会打滑。假设在转弯中刹车，若两者合力仍在抓地力圆范围内，则车轮尚不会打滑。但如在过弯中，纵向横向合力已逼近抓地力圆界限，此时再有突然的加速或减速动作，则必然发生车轮打滑现象。

我们都知道，更换较大尺寸的轮胎，增加轮胎与地面接触面积，可以相对提升抓地力，可是前面所说的f=μN，何以与接触面积不相关?从表面上来看，摩擦力仅与正向力、物体间的摩擦系数相关。但轮胎是弹性体，我们用放大镜来看轮胎与地面的接触面，轮胎表面的橡胶会随着荷重的增加而包覆在路面凹凸不平的表面上。包覆的情况就有如用铅笔插入橡皮擦内越深（荷重越高），橡皮擦就会包覆铅笔（包复表面积越多）一样道理。贴地面积越大，橡胶与路面间实质的接触面积越多，轮胎的摩擦阻力就随之增加。橡胶材质越软，包覆路面坑洞越多，则摩擦力也会增加。因此，赛车都是尽量搭配使用较宽、贴地面积较大、且橡胶材质较软的轮胎来竞赛。

平时用车保持正确的胎压，是确保车辆维持理想抓地力的最简单，也是最有效的方法。保持正确的胎压会使胎面纹路与地面以最大面积完全接触，有助于优化轮胎性能、耐用性和燃油经济性，并且避免胎壁弯曲，降低滚动阻力。保持正确的胎压，轮胎的排水性及抓地力最佳，引擎动力得以完全发挥，所以最省油。正确的胎压也稳定了轮胎的结构，维持车身的牵引力，胎压也随着温度变化而变化，而使用惰性气体——氮气，可以减少胎压的变化幅度。

胎压过高所造成的危险：胎面中间会从平面膨胀成弧面，减少与地面的接触面积，虽然引擎的负荷较轻，却会因为轮胎内部压力过高，而在胎温升高后产生爆胎的危险。

胎压过低所造成的危险：（1）造成胎壁弯曲，并增加轮胎接地面，因而降低车辆入弯时的转向精准度；（2）行进阻力变大，对于引擎产生负荷，因此耗油量增加；（3）与地面接触面会偏向外侧，造成轮胎表面温度不平均，使轮胎的耐久性和胎纹寿命变差；（4）胎面及胎壁变形量大，长时间高速行驶会使轮胎温度过高，易造成爆胎；（5）会导致轮胎受到侧向力拉扯时，轻易从轮圈上脱落。