轮胎抓地力的科学原理：从橡胶粘弹性到热胎的重要性

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@小白创作中心

轮胎抓地力的科学原理：从橡胶粘弹性到热胎的重要性

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轮胎的抓地力是汽车性能的关键指标之一，但其背后的科学原理却鲜为人知。从赛车的热熔胎到日常驾驶的普通轮胎，它们在接触地面时究竟发生了什么？本文将带你深入了解轮胎抓地力的奥秘，从橡胶的粘弹性特性到热胎的重要性，为你揭示这一看似简单却极其复杂的工程问题。

轮胎与路面接触时的物理过程

让我们将镜头推近，仔细观察轮胎与路面接触时的微观世界。当轮胎与路面接触时，会发生两个主要阶段：剪切阶段和滑移阶段。

剪切阶段： 刹车时，路面会使接触面的橡胶块倾斜，导致橡胶块底部与路面之间以及与带束层之间发生相对运动，这就是剪切作用（伪滑移）。这一过程主要发生在接触区的前端。
滑移阶段： 随着橡胶块接近接触区的尾端，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。在干燥路面上，乘用车的纯剪切与纯滑移比例大约为1:4。

抓地力的产生机理

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：

压坑效应： 由于橡胶具有弹性，可以很好地适应路面凸起，与路面紧密接触。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不能马上恢复到原来的高度。这种不对称运动产生了抵抗滑移的力，就像齿轮之间的啮合。
分子粘附作用： 橡胶分子与路面分子之间的相互作用，形成了一种分子层面的粘附力。这种作用在高频条件下尤为显著，是赛车轮胎产生强大抓地力的关键。

粘弹性的关键作用

橡胶的粘弹性特性是理解轮胎抓地力的关键。橡胶具有两种基本状态：玻璃态和橡胶态。当温度过低时，橡胶变得脆硬，类似于玻璃；而在温度较高时，橡胶变得柔软且有弹性。在两者之间存在一个转换区域，称为粘弹态。

温度影响： 橡胶的玻璃化转变温度（Tg）大约为-40摄氏度。随着温度升高，橡胶的迟滞效应增强，抓地力也随之增加。
应力频率： 高频应力会使橡胶变硬，偏向玻璃态；低频应力则使橡胶变软，偏向橡胶态。赛车轮胎的工作频率通常在10^3到10^9赫兹之间，这个频率范围内的迟滞效应最大，因此能够产生最大的抓地力。

胎面胶的工作状态

以赛车轮胎常用的胎面胶配方为例（聚融丁苯橡胶SSBR+超耐磨炭黑+适当比例的油），其最佳工作条件如下：

在没有任何应力频率时，对应的温度是Tg（橡胶的玻璃化转变温度），大约为-40摄氏度。
夏季赛场地面温度一般为40℃，对应的频率较低，两种抓地力来源都不明显。
胎面胶工作温度110℃对应的频率，恰好是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。

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时磨损最小。如果轮胎没有达到足够的温度就进行激烈操控，会导致严重的Schallamach磨损。

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，而是因为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。

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10^3-10^9，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。