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在日常的车辆使用中,轮胎是最需要经常关注的部件之一。正好这两天我自己的车子出现了轻微右跑偏,我也趁机亲自实践了轮胎对于整个车辆的真正意义,让我们从基础开始,一点点开始说起。

轮胎的物理概念

轮胎(包括轮毂)——这其实是车子中除了发动机、变速箱、底盘外最为重要的汽车零件了。我们整个车子跟地面直接接触的只有轮胎,自然轮胎的表现就直接关乎车辆的整体表现。

那么,轮胎本身的物理特性是什么呢?我们通过简单的高中物理来解释一下:

车子之所以能依靠轮胎前进,就是因为车辆依靠着轮胎和地面的摩擦力来维持前进的动作——也就是汽车发动机运转的机械动力,通过轴承转换成轮胎的旋转动力。此时,地面和轮胎直接产生了一个跟轮胎旋转的反作用力:静摩擦力。车辆二力平衡,轮胎旋转,车辆前进。根据高中物理的基本知识:静摩擦力F=μN,其中N对于汽车来说是车子的重量带来的下压力(假设车辆是没有空气下压力的理想模型);而μ则代表的摩擦系数,是一个特定的数学参数。

看到这里,有的同学估计会转过味儿来——根据公式,静摩擦力只跟重力有关,跟轮胎应该无关啊?为何我们还要用更好的轮胎来加强轮胎抓地力呢?这其实是跟摩擦系数有关——不同的轮胎材料、构造决定了不同的摩擦系数。所以我们挑选轮胎的行为,就是为了通过调整摩擦系数,达到我们需要的静摩擦力水平(多数是越大越好,也会有相反的情况:比如漂移赛),从而让车辆能够在路面按照既定的轨迹行驶的过程。

同时,由于车辆还需要进行相关的转向工作(谁的车都不会只走直线,是吧),所以转向时,车辆的侧向力量也需要轮胎来进行吸收。最明显的表现就是轮胎的侧向位移——当车辆转向时,轮胎的中心位置其实是跟轮毂的中心位置不在一条线上,也就是侧向位移。而轮胎能承受多少侧向位移的能力,成为了一辆汽车转向能力的一个关键因素。

轮胎的车辆特性

对于汽车工程来讲,轮胎还代表着什么呢?抛去上述的物理特征,轮胎对于汽车来说则是“第二组避震系统”。这是因为汽车的橡胶就跟弹簧一样具有拉伸和压缩的特性,而轮胎中的空气则具有避震筒的震动抑制阻尼的特性。所以轮胎除了处理路面的静摩擦力外,还有抑制整车的震动的物理功能。

有震动就有共振现象,这个应该很好理解。对于大多数承载式车身(也就是我们目前大多数民用车辆)来说,我们将整个车壳以及车壳内的全部物品的重量叫作“簧上质量”,将减震系统、车轮等部分的重量叫作“簧下质量”。比喻来说的话,簧上质量相当于我们人的质量;簧下质量相当于我们穿的鞋子的质量。正如鞋子越轻跑步速度越快一般,车辆簧下质量越轻,整车的运动性能将会表现的越好。但无论如何,汽车的簧上质量和簧下质量会不同,所以当路面的震动频率不同时,就会产生不同的共振,第一次为簧上共振、第二次为簧下共振。而轮胎,就是用来抑制第二次共振所采取的机械部件。

综上所述,轮胎主要有以下四个需求——支撑车辆重量;与地面有足够的静摩擦力来完成驱动和制动;在直线和转向中维持线路;抑制路面的震动和共振。

我们接下来,将会就这几个方面来进行说明。

有关轮胎的静摩擦力的调整

首先是静摩擦力。跟上次一样,我们先讨论理想模型——假设路面的摩擦系数接近于无限大,并且是平直的直路。在这种情况下,轮胎的静摩擦力系数主要跟材料以及轮胎的接触面积有关。材料的问题我们暂且不讨论(其实这个就是各个轮胎型号的不同的原因,橡胶配方不同导致的摩擦系数不同),假设各个轮胎类型的材料相同。

那么在其它参数完全一致的情况下,什么轮胎抓地力最大呢?

答案是光头胎,也就是没有任何花纹的轮胎。

因为在这种路面下,光头胎的单位时间内接触地面面积最大,最能够有效的增加轮胎静摩擦系数。所以F1比赛中如果在地面湿度非常低、降水概率低的赛道比赛时,光头胎则是每辆赛车的标配。

但这是在理想模型的前提下,对于实际的民用的情况中,雨雪、砂石等路面状况一定是影响轮胎工作因素的重要组成部分。所以民用轮胎就不会使用光头胎,而是使用带有花纹(甚至其他东西)的轮胎来加强摩擦系数。

我们从雨地说起——因为这最为常见。由于雨水极大的减小轮胎接触面的静摩擦系数(回家拿块胶皮放在湿了的桌面上试一下估计就能明白,或者说去看看冰面上的轮胎雪橇?)所以轮胎一定要想尽办法来减少跟水的直接接触面积。最为简单的方案就是——在轮胎上加入深沟。这就跟我们大地上的河流一个道理:在地面上的水往低处流,如果你想把地面上的水排干净,挖个水沟就可以解决问题了。所以当轮胎压在有水的路面上时,水就会占据轮胎沟壑的空间,自然就把路面上的水都排干净了。

这点在雪地、沙地等低摩擦阻力的地面上则表现的更为极端——通常公路雨胎为了加强摩擦力,会有大量的纵沟来吸水,然后通过周边的大量浅横沟来甩出雨水;同时,为了加强摩擦力,雨季胎通常使用宽胎来加强轮胎触地面积。而雪胎则正相反——由于雪花是不具备流动性的,所以雪地胎要尽量的窄,并且上面加入很多胎钉——就跟楔子一样打在雪地中以加强抓地力。

另外,轮胎的胎压也决定了其静摩擦力的大小。有一个基本定义可以当定理来记住:胎压越高,胎温越高。高胎压的轮胎能够有更高的胎身刚性,对于转向的扭力就会加强,能够以更快的速度过弯;但高胎压也决定了轮胎损耗的加剧(高胎温的问题)。同时,对于民用车来讲,高胎压也会带来轮胎对于地面形状的敏感程度加强,使得胎噪加大;甚至,过高的胎压会导致悬架系统的支撑不足,导致车辆悬架早早进入极限,车辆翻滚量加大的同时降低了车辆操控性。

有关轮胎的震动和共振的调整

轮胎的震动与共振——这和轮胎的静摩擦力是个在部分情况下矛盾的存在。比如,轮胎在不超过极限的情况下,接触地面面积越大越能加强抓地力(当然不是完全越大越好,过低的胎压也会导致抓地力不足)。但轮胎接触面积的加大也会造成一个问题:轮胎的胎噪也会加大。这就如同军队在广场阅兵的步伐一样:当士兵集体正步走的时候,地面的震动和传来的脚步声是巨大的;而当大家集体便步走的时候,由于步伐不完全一致以及力量的减小,整体的噪音和震动就小了很多。所以,静音胎的胎压一般都会要求低一些,以起到抑制噪音的效果。

另外,轮胎上面的胎纹也是也是很麻烦的一件事:轮胎上的纵向胎纹就跟我们在高速公路上见到的隧道一样,当空气从车轮下流过的时候,空气迅速的进入一个既长又窄的空间,产生了“空腔效应”,自然就表现为轮胎出现了胎噪。如果轮胎还有横纹,那么轮胎和横纹在路面上就形成了一个可以被拨动的立体空间,这个空间不断的被挤压和放松,形成了‘泵浦噪音’以及‘空气柱共鸣’(具体大家可以查一下汽车工程学的相关论文),这些都是造成轮胎噪音的主要原因。

基于上面的原理,如果你车上安装的是一套静音省油胎(多数家用车主机厂目前都是以此轮胎来配置车辆,少量会使用一些旱地或者全季节运动胎),那么气轮胎通常都是花纹多但较浅,同时建议胎压通常不会太高的样子。这种轮胎的极限抓地性能都不会很好,面对车辆的极限动态表现中,轮胎也通常是这辆车整体表现的最大短板。根据上面说的原理,这种胎在面对雨雪天气时也不会有太好的效果,如果你生活的地方多雨雪,建议最好能将此轮胎更换掉。同时,也请不要迷信于所谓的‘静音省油’——这种结构的轮胎通常对于路面情况有十分严格的要求,也就是非常‘挑路面’。如果你长期处于路面状况不好的道路上行驶,那么,与其追求静音品质,不如反而牺牲一点点胎噪来换取更好的抓地性,让整体车辆达到平衡的状态。

怎么选择轮胎?

我知道,要想理解上面所有的东西有些困难,所以对于一般车辆的使用者来说,我们没必要记得这么多,接下来我说一些个人的小贴士供各位参考:

轮胎选择首先是要决定其使用的作用:上面说过,抓地力和震动在多数情况下是个矛盾的存在,所以在选择轮胎时,首先要考虑的就是要以运动性能为优先,还是以改善NVH的表现为目标。

目前各个轮胎厂都有根据各方面轮胎需求来定制的不同轮胎,但整体上生产轮胎的几个大厂有如下的整体特性:倍耐力有着较强的旱地抓地性;米其林通常在静音表现突出,其它也不差;普利司通整体平均,耐磨性突出;邓禄普在省油上面有独特表现,但抓地力较差;固特异整体都在较高水平,尤其是抗转向扭力上面有特点;马牌则是两级分化,国产的较为一般,进口版本则有着强劲的运动性能;横滨轮胎较为省油,静音上面比较挑路面;韩泰则整体较差,但其制造使用成本很低。

轮胎通常有着一系列数字,格式为XXX/XX/RXX XXX,比如我自己车子的轮胎,标号为235/45/R18 94W。从前往后每一个部分代表轮宽、扁平比、轮圈尺寸、重量等级、速度等级。这些怎么解释我就不展开了,网上很多文章讲的非常多。我要说的是不要迷信于所谓的这些标号——这些数据就跟咱们的鞋子是多少码的意思是相同的,只代表跟你的车子合不合适,不代表性能好不好,安全不安全。像网络上一些“CR-V跟面包车用同一种轮胎,所以CR-V不安全”的说法,完全是无稽之谈。

轮胎一般没有造假一说,因为橡胶目前没有任何方法可以通过低成本材料来伪造。但轮胎有以旧充新的情况:通常轮胎侧面有一个椭圆形的区域,上面有XXXX的四位数字,这个代表着轮胎的生成日期:比如3516代表着2016年第35周生产的轮胎。部分奸商会将旧轮胎的生产日期打磨掉然后重新烫一个新日期来以旧充新。这个很简单,只要你看到这个日期,然后检周围的橡胶是否平整一致即可,凡是这里有着明显痕迹的,都是假轮胎。

民用轮胎的排水沟中通常有一个凸点,那个东西叫做磨损检测块,用来定义轮胎磨损状况的。如果一个轮胎在其它正常的情况下,凸点距离排水沟只有5mm左右的距离,那么这个轮胎就已经到寿命了,需要尽快换掉。但哪怕你的轮胎没有到达这个磨损的情况,但使用超过了4-5年,也请尽快更换轮胎,橡胶是有使用时间寿命的。

有人喜欢买完车后更换更好的轮胎,这个没有问题,只要轮胎型号与原厂型号一致即可。部分汽车玩家喜欢更换更大的轮毂来让车子看上去更帅气一点:这个行为在赛车中叫做inch up。inch up后需要根据新的轮毂尺寸来重新调整轮胎扁平比,以到达整车速度表设定的标准周长(否则速度表会不准)。但极端的inch up会因簧下质量增大过多导致车辆动力损失,请务必要小心调整。

轮胎在车辆运动中整体应该是平稳的。如果有以下情况,就说明轮胎有问题:一个是轮胎的纵向震动幅度跟原来比变弱甚至没有了,这就代表着某个轮胎有可能进入胎压不足(亏气)的情况,需要检查轮胎是否漏气(当然现在很多车子都有了胎压监测,但说实话,经验老道的司机会比胎压监测更能察觉左右胎压的问题);另一个就是你会发现车子的方向盘发抖,这个通常是某一个轮子的动平衡失衡导致的,请去维修厂调整轮子的动平衡。请注意,车子如果跑偏,通常不是轮胎问题,是车子悬吊系统的束角问题,需要调整悬架而不是轮胎。

轮胎是易损件,属于消耗品,所以请在整个行车中尽量避免走自己轮胎不适合的路以加速磨损。尤其是买了城市四驱SUV的同学,万不可以为自己有了四驱系统就可以尽情的在野地里豁车——我们世售的大多数SUV装配的都是城市公路用胎,一般烂路没问题,但在野地就会有过度损耗甚至爆胎的风险;如果需要玩越野,最起码请将轮胎调整为全地形AT胎,以保障自身行车的安全。

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