輪胎抓地力與車輛動態的關系

■文/楊維平

汽車的四個輪胎與地面接觸的面積大約4張明信片的大小，卻要承受汽車本身約一兩噸的重量，更對汽車行駛時所發生的加速、剎車、轉彎等動態性能有著決定性的影響。下面我們用比較淺顯易懂的理論，探討輪胎抓地力與車輛動態關系。

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，即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、剎車、轉彎的動態性能相對越好。從物理常識來看，輪胎與地面的摩擦力（F），取決于輪胎—地面間的動摩擦因素（μ）與輪胎的荷重（N），并成正比關系：f=μN。

先來看摩擦系數。影響摩擦系數的因素很多，但主要在于地面狀況，例如：柏油路面干燥時約0.9，潮濕時約0.6，未鋪裝或臟污路面變化則更大。

再者是輪胎的荷重。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，加速時重心往后移，前輪的荷重減少；剎車時重心往前移，后輪的荷重減少；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，造成各輪胎的抓地力也在變化，抓地力不一樣，就會讓汽車的極限操控性產生微妙的變化。例如直行緊急剎車時，重心前移，后輪抓地力相對降低，可能造成后輪鎖死，一旦鎖死，會喪失循跡性，造成車輛失控甩尾。又如行駛在彎道中，若車輪的抓地力已接近極限，這時踩剎車，重心前移，后輪可能會突然失去抓地力而失控甩向外側。

什么時候摩擦力最大呢?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”，開始滑動后摩擦力會略降低并維持不變，稱為“動摩擦力”。所以在極限操控中，都是盡可能去趨近并且不超越最大靜摩擦力范圍，以獲得最大的抓地力，而且使車輪不滑動更易于掌控。

汽車行駛時所需的抓地力方向可以簡單區分為前后方向及左右方向。前后方向就是車輪滾動方向，為縱向力，有驅動力和剎車力；左右方向是橫向力，也就是轉向力。我們可以用抓地力圓界線來表示兩者之間的關系，縱向力與橫向力之合為該輪胎抓地力，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。假設在轉彎中剎車，若兩者合力仍在抓地力圓范圍內，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。

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，可以相對提升抓地力，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、物體間的摩擦系數相關。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（包復表面積越多）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，輪胎的摩擦阻力就隨之增加。橡膠材質越軟，包覆路面坑洞越多，則摩擦力也會增加。因此，賽車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。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，有助于優化輪胎性能、耐用性和燃油經濟性，并且避免胎壁彎曲，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而變化，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，雖然引擎的負荷較輕，卻會因為輪胎內部壓力過高，而在胎溫升高后產生爆胎的危險。

胎壓過低所造成的危險：（1）造成胎壁彎曲，并增加輪胎接地面，因而降低車輛入彎時的轉向精準度；（2）行進阻力變大，對于引擎產生負荷，因此耗油量增加；（3）與地面接觸面會偏向外側，造成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）會導致輪胎受到側向力拉扯時，輕易從輪圈上脫落。