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轮胎改装全方面接触

2016-01-11极速汽车

  极度的驾驶乐趣来自绝佳的操控表现,而车辆循迹性的改善是提高操控性的基本方向。增加循迹性目的无非是为了提高过弯的速度(Conering Speed)、减少刹车距离、减少加速时的打滑现象。车子和路面接触的地方唯有轮胎,所有的性能都是经由轮胎来发挥和达成,为了提高操控性能和驾驶乐趣,我们针对底盘悬吊系统所作的种种改良和设定,无非是要增加轮胎的接地面积(Tire Contact Patch),提高车子的循迹表现。

  如何增加轮胎的循迹性(抓地力)

  增加轮胎的循迹性有几种方法:

  一、增加轮胎和地面的摩擦力

  要增加轮胎和地面的摩擦力有两种方法可达成这个目的。第一是增加路面的摩擦系的,所谓『摩擦系数』是路面所能提供对轮胎的抓附能力,摩擦系数越大抓附力越大。柏油路面、水泥路面、砂石路面各有不同的摩擦系数。所能提供对轮胎抓附力也各有不同。 其次是增加轮胎本身的摩擦系数,这可由选择较软的轮胎来达成。较软的轮胎可提供较强的抓地力,但是相对的磨耗也较快。这里所谓『软的轮胎』指的是轮胎胎面的橡胶材质较软,如果和高扁平比轮胎和胎压不足所造成行路性较软、较舒适联想在一起那就大错特错!

  二、增加轮胎接地面积

  要增加轮胎和路面接触的面积,最简单的方法就是换上较宽的轮胎,再来就是选用胎纹较少的轮胎,如此可增加轮胎与地面实际的接触面积,但是却也会影响在湿滑路面抓地表现。最後也是最重要的就是在既定的接地面积下,经由正确的轮胎胎压及悬吊的精确调校把轮胎的潜力完全发挥。轮胎的接地面积即使是行驶在平坦的直路都会小於静止时,行经不平路面或是过弯时更会因为上下的跳动或是侧向的受力,而造成接地面积的大幅减少,甚至悬空。悬吊的改良最终的目的就是随时把轮胎尽可能的保持与地面接触,尤其是在过弯或是行经不平路面时。

  三、增加轮胎的垂直荷重

  轮胎的垂直荷重是车辆本身施予轮胎的重量加上空气动力学效应所产生的下压力的总和。轮胎的橡皮会因为垂直荷重的增加而与地面更紧密的接触,轮胎的抓地性能也得以更充分的发挥。 有别於大家所认知的,增加轮胎的垂直荷重并不会增加轮胎的接地面积,至少在现代的高性能胎和赛车用轮胎几乎都是如此,增加垂直荷重所提高的是轮胎接地面积内,每一单位面积内橡胶分子和地面的附着力。在接地面积不变的情况下,轮胎循迹性的增加是由於对橡胶分子所施的压力增加。我们可以做个小实验:在一个光滑平面上移动橡皮擦,在橡皮擦上方没有施加压力的情况下我们可以很轻易的自由移动橡皮擦,当我们压着橡皮擦时,要移动它就变得比较不容易,压的力量越大橡皮所产生的附着力就越强,也就是循迹性越好。 轮胎的垂直荷重似乎可由增加车重来达成,虽然这可增加轮胎的循迹性,但是由於轮胎承受来自车重的负荷也增加,所以过弯速度、刹车距离、加速表现都不会有所改善。事实上整体的性能表现反而会因为车重的增加而变坏。要在不破坏整体性能表现的情况下提高轮胎的垂直荷重,唯一的途径就是经由车身空气动学的设计来达成。

  空气动力学所的下压力(Aerodynamic Downforce)

  空气动力学对车身所产生的下压力(Downforce)也会增加轮胎接地面积的垂直负荷。对一般的道路用车来说并不需要很在意空气动力学所产生的下压力,但是对於任何比赛车种而言这却是必须去仔细考虑的问题。空力下压力的好处是只会增加轮胎接地面积的垂直负荷却不会增加车重。由於车重不变轮胎不用负担额外的惯性和离心力,加上轮胎循迹性的提高,所以过弯速度得以提高。同时刹车和加速时的循迹性也会获得提升。这也是为什麽这二十几年来赛车工程师对於尾翼、车身空力组件和地面效应持续不断的进行研究、发展与改进。空力效应包含了车身下压力、车身扬升力和行进阻力,这三个力量是伴随发生的,而且所产生的力量是和车速成平方正比,也就是速度提高为2倍时空力效应会增为4倍。这也说明了为什麽空力效应只有在高速时才会变得明显。 对一部针对比赛而生产的厂车来说,改善操控性的重要关键除了底盘悬吊的改良调校以外,其次就是就是空力特性的改良。要改良车身的空力特性,最重要的就是要减少高速流动的空气对车身产生的扬升力,因为扬力会减少轮胎的垂直荷重,破坏循迹性。目前的ITC、BTCC、JTCC等房车赛叁赛车种车尾都有扰流尾翼的设计,最主要的的作用就是在减少车身的扬力并产生些许的下压力。此外前扰流和车侧裙角也可减少进入车底的气流,减少车底气流对车尾产生的扬力。由於产生下压力和改变气流的同时都会伴随产生行车阻力,所以改善车身空力特性的另一个重要课题就是要在伴随发生的压力、扬力、阻力三种力量间取的协调、均衡与折冲。

  胎压对循迹性的影响

  胎压对循迹性的影响可能远超乎你的想像,胎压并不会直接影响橡胶分子和地面的附着力,但却会影响轮胎接地面内有多少橡胶分子实际与地面接触。对一部有既定轮胎、车重的车来说正确的胎压只有一种。事实上这个正确的胎压是被局限在一个很小的范围,大概只有+-1.5psi。假如胎压超出这个范围,轮胎的接地面会变形,以致无法完全紧贴路面。也就是说轮胎接地面内的实际接地的橡胶分子数目会比较少。如果胎压太高,会造成轮胎边缘两侧无法完全贴地,接地面积自然跟着变小,接地面较小的情况下却有同样的负荷,当然性能表现要打折扣。假如胎压不足,表面上看来轮胎接地面积似乎并没有减少,甚至有人认为是增加了,实际上虽然轮胎两侧依然紧密的贴地,但由於胎压的不足使得胎面中间的橡胶分子无法紧贴路面,造成的结果就和胎压过高一样。这也可说明有人的轮胎使用了一段时间以後,出现中间或两侧磨耗比较严重的情况,就是长期胎压过高或不足所造成的。至於如何找出正确的胎压,请叁照『车狂宝典』专栏。

  扁平比对循迹性的影响

  轮胎的扁平比就是胎壁高度与轮胎宽度的比例。扁平比对循迹性的直接影响并不大,但是对轮胎的滑移角(Slip Angle)有影响《滑移角我们留待下期再谈》,扁平比较低的轮胎在相同的负荷情况下会有较小的滑移角,在轮胎宽度不改变的情况下,只改变前两轮或後两轮的扁平比,会因为前後轮滑移角的不同使操控的平衡产生变化。

  轮圈尺寸和轮胎的循迹性

  轮圈的直径大小和轮胎的循迹性并无直接的关系,但是如果配合轮胎扁平比的降低而加大轮圈的直径却可增加轮胎的接地面积,同时也影响了行路舒适性和轮胎的转向反应。对一条轮胎来说,太宽的轮圈会让胎唇无法与轮圈紧密的结合,同理用了太窄的轮圈也会有同样的结果。轮胎制造商都会为每一条胎设定一个所适用轮圈宽度的范围,超出了这个范围将会对行车安全造成莫大的威胁。 轮圈的宽度会对轮胎接地面的轮廓会有直接的影响,如果轮圈太窄,轮胎就会变得『鼓鼓的』,会减少轮胎边缘的贴地性。反之如果轮圈太宽,则轮胎中间部份的贴地性就会减低。从实际的测试结果告诉我们,采用轮胎公司所建议宽度上限的轮圈,可让轮胎的性能充分的发挥。 假如你是因为预算、比赛规则或是其他原因的限制限制了轮圈的宽度,那麽我们建议你使用这个轮圈宽度所能使用的最小尺寸的轮胎,如此所获得的实际轮胎接地面积会是最大。不但可增加过弯速度、减少轮胎的磨耗,更可容许采用对整体性能表现更佳的悬吊设定。虽然有很多市售胎由於采用较硬的胎壁设计,所以丧失了对於不适用轮圈的敏感度,但是对於高性能的轮胎来说,对轮圈宽度的敏感性依然存在。

  轮胎的材质和循迹性

  轮胎所使用的橡胶材质对轮胎的循迹性有着决定性的影响。胶质软的摩擦系数就高,橡胶分子也对地面有更佳的附着力,整体的循迹性将会提升。但这只有在轮胎还没有过热时才成立,因为不同的轮胎都有不同的工作温度范围,和最佳的工作温度。软质的轮胎虽有较佳的循迹性但是磨耗也比较快,因此在赛车场上轮胎材质的选用真可说是一门艺术,不但要考虑抓地力还要考虑轮胎的过热临界点,更要考虑磨耗。对越野赛来说,在泥沙路面使用越软的材质通常可得到最快的速度,但是在柏油、水泥这种硬质路面来说,磨耗又是个令人头痛的问题。材质的选择必须考虑轮胎的荷重、工作温度以及磨耗。对一般道路用胎来说,通常会选用较硬的材质是必须的,一方面是为了高速公路上的需要一方面是为了轮胎寿命的考量。

  轮胎与行路性的关系

  轮胎对行路性有着重要的影响。他和弹簧的任务有许多相同之处,轮胎扮演着吸收小振动的角色。太高的胎压或是较硬的胎壁设计都会使行路舒适性变得粗糙。要改善低扁平比轮胎舒适性不佳的唯一方法就是降低胎压,在一般街道和路面较差的道路将胎压降到适当胎压的下限,要上高速公路时再把胎压提高,虽然效果有限但也是没有办法中的办法。

  轮胎的保养

  高性能轮胎对操控性和安全性来说都是一项很值得投资的项目,如果能够好好照顾你的轮胎将会使轮胎的性能得以持续维持在最佳状态,并且增加轮胎的寿命。因此特别提出几点有关轮胎保养的注意事项:

  一、在胎压不足的情况下不要开车上路或长时间泊车,必须立刻处置,因为这会造成胎壁和胎面的损伤、变形,尤其这些损伤与变形有时肉眼并不易察觉,但会造成安全上严重的潜在危机,如果只发生在某一轮或某一边还会破坏操控的平衡。即使是轻微的胎压不足都至少会造成轮胎磨耗的增加,因此笔者和车狂都一再重申一支准确的胎压计是开车的基本配备。

  二、胎压过高会使轮胎的接地面积减少,造成行路性粗糙、胎面变形和循迹性的降低,并且会造成胎面中间的磨损大於两边的不正常状态。所以即使在一般的道路行车都要时常检查你的胎压,更别说在赛车场上。

  三、过大的外倾角(Camber)和束角(Toe-in或Toe-out)设定,在一般道路上跑会增加胎面的磨耗并会造成行驶上的不安定性,所以定位角度务必要『因地制宜』,更不要只为了美观而把其他一切置之不理。

  四、轮胎的平衡也是另一个重要的问题,平衡不良的轮胎会造成行驶时的抖动,这抖动会经由方向盘传至驾驶人的手上,不但降低行车稳定性,并会把胎面变得凹凸不平。所以当你突然感觉到来自轮胎的新的抖动,应该马上检查轮胎的平衡,很可能是轮胎的平衡配重铅块脱落了,务必在伤害造成之前即时补救。

  五、定期的检查轮胎的磨耗情况。除了胎纹的厚度更要留意轮胎的中央和两侧是否有不正常的磨损出现。如果中间胎纹的磨耗大於两侧,那麽是胎压过高所造成的;若是两侧磨损大於中间那肯定是胎压不足。如果圆周出现凹凸不平的情况那麽是轮胎本身的平衡度不佳。如果胎壁出现凸起的现象,那可能是胎压严重不足又持续行驶或长时间泊车所导致胎壁钢丝变形、受损所造成的。如果出现外侧或内侧单边的不正常磨损,那麽你的四轮定位角度肯定有问题。细心的观察才能防微杜渐。

  六、轮胎的性能会因为胎质的变硬而退化,而胎质的变硬最主要的因素是时间。紫外线和新鲜空气都会加速橡胶的老化,所以如果你要收藏堪用或备用的轮胎(尤其是高性能的赛车胎),那麽建议你先用不透明的塑胶袋把它包起来,如此一来可隔绝紫外线和新鲜空气,有效的延长轮胎的寿命。

  七、高性能胎在剧烈操驾後会产生热,胎质越软的胎越容易蓄热,造成胎面的高温,所以如果轮胎的材质软到行驶後会产生胎面的热溶现象我们就称为热溶胎。热溶的胎面会黏起路面的小砂石,在剧烈操驾或是比赛结束後必须将胎面的异物清除乾净,否则日後会有戳破胎面的危险。

  八、抓地力和耐磨性就如同操控性和舒适性间的相互冲突,轮胎的磨耗系数(Tread Wear)越低表示胎质越软,轮胎的胎抓地力也越强,但也表示磨损越快。这是选购高性能轮胎之前应有的认识。有人用『厂胎』在一万公里磨合後把轮胎对调,但如果你用热溶胎而且常在无人的路上探索驾驶的乐趣,那麽一万公里後可能已经变成光头胎了。

  悬吊系统存在的意义有二:隔离路面的不平使行驶更舒适;行经不平路面时保持轮胎与路面接触。而改良悬吊对『车狂人』来说只有一个目的就是改善操控性。

  滑移角(Tire Slip Angle)

  充气轮胎实在是一项不可思议的发明。它扮演着传递汽车动力性能的角色。 任何有关操控的讨论都要先从轮胎开始谈起,轮胎胎印上的橡胶分子是车子和地面唯一的接触点,他们的表现决定了车子的操控。一个底盘的专家必须去了解轮胎发生了什麽事并且要在必要时改变设定。 轮胎是个弹性体,任何方向的受力都会使它产生变形,它的特性之一就是转弯时会造成轮胎本身的扭曲,当转动方向盘时,转向拉杆先转动轮圈,轮圈再扭曲轮胎,被扭曲的轮胎由於橡皮的弹性会有恢复原来形状的趋势,这个趋势会驱驶胎面转向,但是胎面和轮圈所转的角度并不会完全相同,而是会有一个小角度的差异。所谓滑移角是机械学名词,用来表示车子行进方向和轮圈所指的方向两者间所成的这个角度。也就是这个角度可使驾驶人感觉到车子过弯时的反应。一部车若没有滑移角而要高速过弯几乎是不可能的,因为驾驶人将感受不到滑胎的任何警告。 鸡和鸡蛋的问题也出现在滑移角和转向力的问题上,转向力会导致滑移角,滑移角导致转向力。基本上滑移角是轮胎的抓地力用来抵抗轮圈对轮胎所施的侧向力,由於轮胎具有弹性所以当它抓附在地面时若施给它一个侧向的力它会产生一个力量来使轮胎恢复原来的形状,转向力由於轮胎的扭曲而存在於路面和胎面之间,这个力量和转向力是大小相等方向相反的。 转向力是用来衡量轮胎的抗侧滑能力,但是在没有轮胎扭曲和滑移角的情况下,转向力是不存在的。滑移角和转向力会随着弯道半径的缩小而增加,但是当增加到一个限度时轮胎会产生打滑,这就时就叫最大滑移角。由於滑移角只被定义在轮胎未打滑之前的情况,所以当车子行驶在滑溜的路面时滑移角是没有意义的。轮胎打滑後车轮的方向和车身行进的方向并不会有直接的关系,除非减速或是回方向盘加大行进的半径,让轮胎重新获得抓地力,试着想像在冰上开车时就算你任意转动方向盘也不易对行进方向产生影响。

  滑移角和转向力(Cornering Force)

  当驾驶人转动方向盘时,首先转动的是轮圈。接着转向力会传送到前轮的胎壁,转向例会使胎壁产生扭曲,接着改变胎印的方向使车辆转向。当转向力传到轮圈时胎壁立刻跟着扭曲。转向力小滑移角就小,转向力增加时滑移角就会跟着增加。最大的转向力(轮胎的极限),会产生一个最大的滑移角。超过这个值转向力会减小,轮胎会产生打滑。

  转向不足和转向过度

  假如有某一个轮胎比其他三个轮胎提早出现了滑胎的情况那就表示这部车的操控平衡上出现了分配不良的问题。一般来说前轮和後轮的滑移角并不一样,它们会各自循着不同的路径轨迹在路面上行进,当前轮的滑移角大於後轮时会呈现转向不足,当後轮的滑移角大於前轮时就变成了转向过度,如果前後轮的滑移角相同时,那麽转向就成了中性,也就是达到了操控平衡的最佳境界。换句话说,当一不车转向不足时那麽前轮橡胶分子所画出的轨迹半径会大於後轮,转向过度则情况相反。一部转向过度的车,在达到轮胎附着力的极限後,後轮会先滑出;而一部转向不足的车则会有抵抗转向的趋势。

  滑移率

  最大的循迹性表示所能承受最大的刹车力和加速力,而滑移比例是指轮胎直进时刹车或加速时轮胎胎印和路面间所产生的滑移。0滑移就表示车子行进的距离和轮胎胎面所转过的距离相等。100%滑移就表示任何轮胎的转动并部会造成车身的移动,当然也可说是车身的行进不须靠轮胎的转动(这种情形出现在行进中的车辆四伦锁死时)。要达到零滑移几乎是不可能,即使在循迹性最佳的状况都会有5~10%的滑移率,也就是轮胎转了100m时车子只移动了90~95m,如果滑移率超过了10%,那就表示循迹性不佳且加速和刹车表现都会恶化。

  操控马力(Handling Horsepower)

  操控马力指的是轮胎所能负荷。大家都知道越多的马力表示车子的性能越好,当引擎的马力越大时,加速也就越快。轮胎的操控马力也是如此,对操控性来说,增大轮胎的胎印就像增加引擎的马力,使用胶质较软的轮胎就像换了高角度凸轮轴,空气力学所产生的下压力就像加了涡轮增压器或机械增压器。 对轮胎上的橡胶分子来说一定的垂直负荷下所能承受的负荷是一定的,当一部车以它所能最快的速度过弯时,轮胎胎印的橡胶分子也达到了负荷的极限,这个极限我们就称为操控马力。如果还想增加过弯速度,可以减轻车身的重量以减少车身的惯性力和轮胎的侧向负荷,或是加大轮胎的尺寸,选用胎质较软的胎,并改善空力特性。

  前後胎印比

  假如一部车有完美的50-50的前後配重,那麽在稳定的过弯(过弯速度不变)时,前後轮所承受的离心力负荷应该是一样的。在减速或刹车的情况下,因为部份车身重量会由後往前移所以前轮的负荷是比较重的。反之在直线加速时前轮的部份重量也会转移到後轮。如果驱动轮在後轮那麽加速时的抓地表现会比较好,滑移率会比较低。所以对一部马力不大且配重比为50-50的後驱车来说,前後轮的整体负荷(过弯、加速、减速)是几乎相等的。假如你因此推测这不车所需的前後轮胎印是相同的,那麽你就答对了。前後车轮所需的胎印比例和前後轮所受的负荷比例是相同的,也就是说对一部前後轮负荷比例为60-40的车来说,它所需的前後轮胎印比例亦为60-40。 你或许会问:目前的车几乎都是配置四轮尺寸相等的轮胎(胎印相同),但为何车身配重大多不是50-50?事实上大部分的车都是前轮配重较重。此外前驱的的前轮荷重较重为何不见采用较大的前轮设计。这有两个原因,第一是便利性,一方面是为了制造厂一方面是为了使用者的缘故。毕竟准备两种尺寸的备胎任谁都会觉得不方便。第二个原因是使用了比所需要的更大的後轮会有转向不足的倾向,对大多数驾驶人来说可改善行车的稳定性和安全性。再从技术的角度来看,前轮荷重较重过弯时的负荷也会比较大,再相同的过弯速度下会有比较大的滑移角,也就是前轮的滑移角会大过後轮的,转向不足的情况就会发生。

  外倾角和循迹性

  悬吊的设定中最重要的大概就是外倾角,外倾角决定了车子静态时的轮胎贴地性。0度时轮胎胎印的橡胶分子的贴地性最平均也最佳,当刹车时我们希望四个轮子的胎印是平贴地面,加速时我们希望驱动轮是平贴路面,而过弯时我们也希望轮胎能平贴於地面,尤其是两个弯外轮。 在刹车和加速时最佳的外倾角是0度,在过弯时负0.125~0.25度的外倾角可增加转向力。在直线和弯道上所需的外倾角设定是完全不同的,事实上还需要配合悬调整体的设定并考虑车身滚动的问题,才能得到正确的设定角度。

  轮胎和轮圈的选择

  什麽是选择最适用轮胎和轮圈最重要的因素?尤其在众多品牌和型式中选择尤其困难,在这里提供一些方法供你叁考。 首先,考虑你的车的用途,严格来说就是考虑你轮胎的用途,假如这不车式你每天的代步车,那麽轮胎的耐磨性可能式你最重要的考量,高性能轮胎有很好的抓地力,但磨耗也是一流。同时由於胎纹也会尽量的减少所以湿地上的表现也不理想,更别提泥地或是雪地上的表现了。(在一般道路上用D98J的朋友一定有这样的感觉)如果住在多雨潮湿的地区,那麽一套以湿地抓地表现见长的雨胎可能是不错的选择。在湿地上以正常的方式行车,胎温提升不易,也就不容易达到高性能胎的最佳工作温度,会有英雄无用武之地之叹。 其次要考虑宽度和扁平比,随着引擎技术的进步,单位容积输出的马力不断的提升,配合整体性能的提升,轮胎也不可避免的加大尺寸,扁平比也有持续降低的趋势,以1600c.c.的车来说10年前的马力基准是90匹,而现在的标准订在125匹应该是比较合理,以前配175/70-13的胎,一般车主通常升级到185/60-14,发烧级的则是用195/50-15,这已是上限。目前的趋势则是搭配185/65-14,而195/55-15,205/45-16则是升级的目标。轮胎宽度的升级要配合马力做适当的搭配,除了美观之外其他机件的负荷也是要一并考虑的。若马力和悬吊没有做大幅度的提升,那麽比原厂设定高一级的轮胎尺寸就已足够。 

来源:极速汽车打 印关 闭

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