谢中用

什么叫做抓地力？为什么赛车会使用热熔胎？为什么胎温不够会对赛车造成负面影响？

很多车迷对这些名词比较熟悉，可以向小白们侃侃而谈。但真要讲到轮胎接触地面的一刹那究竟发生了什么，轮胎在使用过程中为什么会出现不同的状况，就不容易解释清楚了。

所以在今天的文章里，********谢中用，结合长期以来对轮胎的研究，和大家聊聊：

“当我们在说轮胎滑移时，我们在说什么？”

谢中用 | 佳通轮胎研发中心赛事轮胎工程师

主要研究赛车动力学及底盘调校研究、轮胎动力学及生产工艺改进并推行传统行业各部门之间的矩阵式项目管理。在洲高级别赛事F3 Asia前期开发主要负责人。协调各部门配合开发工作,完成轮胎性能需求调研分析，进行轮胎方案设计并快速迭代升级。

说起轮胎，总是那几个问题，今天我们挑几个深入的讲一下。行文枯燥，能看下去的大佬都是真爱！

为什么要暖胎热胎？

胎温不够时为什么会出现轮胎异常磨损？

「例如Schallamach磨损」

赛车轮胎为什么又叫热熔胎？

你是否知道，橡胶的粘弹性既是产生抓地力的原因，也是产生滚动阻力的罪魁祸首！

在各大赛场的时候，每时每刻都能听到这些字眼，各位同学在向小白们吹嘘暖胎圈、热熔胎、抓地力的时候，会不会有一丝丝的心虚：说的这些都是从别人那里听到的，到底有没有科学依据。

甚至有时候自己说出来的话前后矛盾，无法自圆其说，那一刻是否渴望真正了解那一圈黑乎乎的东西，在接触地面的刹那，到底发生着什么。

带着这些问题，我们进入今天的小课堂。

  • 当轮胎与路面接触的瞬间发生了什么？

如下图，轮胎与地面接触的瞬间会挤压胎体变形 ，前部由“圆弧”变成“线段”，后部由“线段”变成圆弧，这部分变形就是滚动阻力的主要来源，我们后面会讲。

我们把镜头向前推，看一下局部细节，接触区域内发生着什么

。请仔细看一下这张图，后面发生的一切都会围绕着这张图进行。

剪切阶段:

刹车时路面将接触面橡胶块倾斜，导致橡胶块底部和路面之间以及和带束层之间都发生了相对运动，这就是剪切作用（伪滑移），这都发生在接触区的前端。

滑移阶段:

由于橡胶块更加接近接地区的尾端，应力增加，橡胶块在保持剪切状态的同时与路面之间发生真实的滑移。

在干燥的路面上，乘用车纯剪切与纯滑移的比例大概为1：4。

  • 抓地力的产生

抓地能力越强，纯滑移所占比例越低。这个很明显，抓地力那么强到无极限的时候，根本轮不到滑移。

抓地力的产生并非单一作用，而是由以下两种机理共同产生的。

第一个机理称为压坑效应。因为橡胶具有弹性，使它可以很好地适应路面凸起，与路面之间紧密接触。

因为橡胶又具有粘性，当轮胎滚过路面时胎面橡胶压向路面的作用可以比喻成流动作用，橡胶块击打路面粗糙点并变形，但由于滞后特性，橡胶块在凸起另一侧又不能马上恢复到原来的高度。

橡胶块在凸起上的不对称运动产生了抵抗滑移的力。

这种效果就像齿轮之间的啮合。

下图为同一温度下，两种摩擦机理作用在不同作用频率上的分布。

以上就是轮胎摩擦力的两个产生来源，可以看出产生抓地力的两个机理中，都是因为迟滞效应，这种效应越明显，产生的抓地力越高！

  • 粘弹性的那些事

不知大家玩过医用注射器没，快速抽压注射器的时候感觉注射器的反应总是慢半拍，有点类似于粘弹性的感觉。

有两把刷子的老铁知道滚动阻力就是因为粘弹性材料迟滞作用产生的，然而抓地力也是因为橡胶的这个特性而出现。

橡胶的两种状态：玻璃态和橡胶态。

当温度过低时，橡胶脆且硬，表现的像玻璃一样。在温度较低时，橡胶软且弹，这时处于橡胶态。

而他们之间有一个转换的过程，称为粘弹态。如下图。其中Tg被称为玻璃化转变温度，是橡胶的特定属性。

不仅是温度，应力频率也会对其有类似的影响，应力频率越高，则橡胶越硬，偏向玻璃态。

反之，则偏向橡胶态。

之前我们说，产生抓地力的两个机理中，都是工作频率和温度下的迟滞效应越显著，则抓地力越大。

显然我们要让我们的胎面胶在工作状态下拥有最大的迟滞效应，每一种胎面胶都是在这样的知道思路下进行设计的。

4.胎面胶的工作状态

下面以赛车轮胎常用的胎面胶配方（这个专利网上都有，聚融丁苯橡胶SSBR+超耐磨炭黑+适当比例的油）的最佳工作条件为例进行解读：

在没有任何应力频率的时候，对应的温度就是Tg（橡胶的玻璃化转变温度），大概为-40摄氏度；

夏季赛场地面温度一般为40℃，对应的频率为 次，可是两种抓地力来源的主要频率都不在这边；

胎面胶工作温度110℃对应的频率为 ，恰好为分子粘附作用的主要频率，这时压坑作用并不明显，但分子粘附作用才是产生抓地力的最大因素。

赛车的热熔胎就是工作在这样的条件下面，以分子粘附作用将轮胎仅仅粘在路面上产生强大的抓地能力。

下面回答上文提出的问题

  • 为什么需要暖胎？

如果没有足够的胎温，高频应力会使得轮胎胎面变硬，迟滞效应减弱。这时不仅抓地力不够，还会产生轮胎的超量磨损。轮胎磨损在最大迟滞线对应的条件的时候磨损最小。

我之前提到Schallamach磨损产生的原因中，重要的一条就是轮胎没有达到足够的温度就激烈操控，导致磨损严重。

赛车胎之所以被称为热熔胎，并非因为高温下其胎面胶融化了，只是赛车胎胎面胶被设计为在这样的温度和频率下，使分子粘附效应占主导。

当分子与地面绑定、断开的时候，会将部分材料留在地面上，看上去好像轮胎融化了一样。但其实如果进一步增加轮胎表面温度，超过一定限度，这时的胎面胶更软，但并没有带来更大的抓地力，这也说明了并非“融化”带来的高抓地力。

那是否轮胎温度越高越好，当然也不是。正如我们所说，超过最佳工作区域之后，温度过高使得轮胎太软，迟滞效应也会下降，过高的胎温还会造成胎面橡胶剥落等现象。

  • 如何解决高迟滞带来的高滚动阻力？

表面上看高迟滞使抓地力变大的同时，也催生了更大的滚动阻力，但迟滞效应需要在一定温度和频率的作用下才有意义。

上文提到轮胎滚动阻力最大的来源是接地前后轮胎橡胶的变形，也就是每一圈发生一次，以乘用车的120km高速行驶的速度为例，这个频率也不过20Hz。

而产生抓地力的频率范围是103-109，所以两者的频率范围根本不同。

米其林公司上个世纪就发明了在橡胶中加入白炭黑，使低频的迟滞效应减小而不影响高频性能。

如下图所示：

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