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转向时驾驶员转动方向盘以改变前轮方向,此时轮胎就会向着前轮的朝向改变路线。同时,之前一直在推动汽车直线行驶的力仍在发挥作用。轮胎受到直行的力和转向的力的相互作用,会向两者的中间方向移动。
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实际上,此时的轮胎是在直行方向和转向方向之间产生了“弯曲”。之所以会弯曲,是因为轮胎的触地面因橡胶的抓地力紧贴着路面,就像把手掌压在桌子上一样。轮胎弯曲时会产生试图恢复原状的弹力,这种弹力进而成为侧偏力以抵抗离心力。
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速度越慢轮胎的弯曲程度越轻。当汽车缓慢行驶时离心力就不会发生作用了,这时只需改变轮胎方向就能实现汽车的转向。当汽车稍稍加快速度在时速30~40km的情况下转向时,弯曲程度也很轻,但也需要超过离心力的侧偏力,利用弯曲产生侧偏力支撑汽车。
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随着速度的加快,离心力也越来越大。直行的力和转向的力越大,轮胎的弯曲程度也就越重,从而能够产生更大的侧偏力抵抗离心力。
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正是因为轮胎的变形,触地面上的弯曲才能产生侧偏力。并且,轮胎能够变形和弯曲,也是因为轮胎是由橡胶和纤维制成且内部充满了空气。
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汽车是怎样跑起来的 4.3 轮胎的抓地力支撑汽车
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4.3.1 没有抓地力就无法转向
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在上一节中我讲到,汽车即使提速到时速100km也能转向,是因为轮胎的触地面弯曲,产生了侧偏力。汽车在高速公路等曲率半径(弯道半径)大的转弯处(即缓弯)能够安全转向,这没什么问题。但在山路等曲率半径小的转弯处(即急弯)也能在时速100km下转向就有些不现实了。汽车可能会因无法彻底转向而跌落悬崖。那这是为什么呢?
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转弯越急,速度越快,离心力越大,因此在转向时就需要足够大的侧偏力来抵抗离心力。之前我讲过,侧偏力是因弯曲而产生的,但如果轮胎不紧抓路面,轮胎也就无法弯曲。我们把轮胎紧抓路面的力称为抓地力。抓地力越小,轮胎的弯曲程度就越小,也就意味着侧偏力越小。也就是说,为了产生抵抗离心力的侧偏力,必须加大抓地力。
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然而抓地力也有界限。当离心力超过在抓地力限度内产生的侧偏力时,汽车就无法顺利转向。因此,除了转弯的急缓程度之外,汽车能否顺利转向也与轮胎的抓地力有关。
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4.3.2 揭开抓地力的神秘面纱
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之前为了介绍汽车转向的过程,我先讲解了转向系统、轮胎的结构以及因“变形”和“弯曲”产生的侧偏力。贸然提出轮胎的抓地力会影响这一过程的讲解,所以我就没有提及。
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然而,汽车“行驶”、“转向”、“停车”的根本在于轮胎的抓地力,这些都是以轮胎紧抓路面为前提的。正是因为抓地力的存在,汽车才能依靠紧抓路面“作用力”的“反作用力”前进、转向、减速并停车。换句话说,如果没有抓地力,汽车就无法行驶、转向和停车。这是因为轮胎是汽车与路面的唯一触点,只有轮胎紧抓路面汽车才能行驶,并且汽车转向时轮胎的作用尤为重要。下面我就开始讲解轮胎的抓地力。
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首先,什么是抓地力?之前我讲过,抓地力是轮胎紧抓路面的力。说得更具体一点,就是轮胎的橡胶牢牢抓住道路表面的力。抓地力产生于“橡胶的摩擦”、“轮胎的变形”和“橡胶的损耗”。
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先从橡胶的“摩擦”说起吧。与铁制车轮或木制车轮不同,触摸轮胎的表面时,您会觉得有些黏。橡胶表面的黏性会和路面产生摩擦,生成紧抓路面的力。
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抓地力也来自于因轮胎的弹力产生的“变形”。之前我讲过,轮胎的触地面会变形压瘪。轮胎正是借助这种变形紧抓路面并向后“驱赶”路面的。
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气温越高,橡胶的黏性和弹力就越大,抓地力也随之增大。相反,气温越低,橡胶越硬,黏性和弹力也就越差,抓地力也越小。
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抓地力还与轮胎的磨损有关。掰橡皮时橡皮会产生防止断裂的阻力。同样,轮胎的磨损就是紧贴路面的橡胶的损耗,此时发挥阻力就是抓地力。当然,轮胎橡胶的损耗是微乎其微的,因此在路上往往看不到散落的橡胶碎片。
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如上所述,“摩擦”、“变形”和“损耗”三股力量综合起来才产生了抓地力。汽车转向时轮胎因抓地力而弯曲,从而产生侧偏力。且抓地力越大,与离心力相抵抗的侧偏力就越大,急转弯时也能快速转向。但是当离心力超出抓地力的界限时,汽车就会开始打滑,导致无法彻底转向。因此为了行驶安全,必须在考虑到汽车速度和转弯的急缓程度的同时,保证汽车在抓地力的界限内行驶。
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4.3.3 轮胎的抓地力随路面状况发生变化
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我们说轮胎的抓地力时,一般是以汽车在干燥的路面上行驶为前提的。但汽车并非只在干燥路面上行驶,路面状况改变时抓地力也会发生变化。
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