橡胶碰到路的地方我们研究抓地力的科学

2020-07-28 11:13:49

车辆的动力和转弯力在轮胎的接触面产生。我们参加了在西班牙阿斯卡里赛车场举行的固特异鹰F1超级跑车发布会,以了解更多信息...

在轮胎行业,UHP代表“超高性能”。它准确地描述了在西班牙阿斯卡里赛车场(Ascari Racetrack)上驾驶的保时捷911 GT3 RS I上安装的固特异Eagle F1 SuperSport R轮胎产生的抓地力。

我努力刹车,转过身来,感觉到侧向力在顶点处逐渐增大。退出时,我慢慢打开了转向器,教练要求我提供动力。在这个阶段,我的脚已经平坦了……我知道有点顽皮。383千瓦通向那些棘手的325节后方胶球,蜥蜴绿GT3沿直线直线飞跃,而后端则没有尖叫声或摆动声。

那天早些时候,我不得不花时间与固特异的轮胎工程师一起学习抓地力的科学知识。

背景

为简化起见,轮胎与路面之间的接触斑处会产生抓地力,这是轮胎与路面之间的法向力(垂直于道路的重量),轮胎滑移率和橡胶之间的摩擦系数的函数和沥青。在行驶过程中,每个轮胎上的法向力(垂直于道路)会发生变化,因为车辆的重心会导致纵向和横向加速度期间的重量传递。简而言之,当车辆制动时,前轮胎上的法向力增大而后轮上的力减小。在加速过程中则相反。在转弯时,重量会转移到外轮上,而内轮则会减小法向力。在没有空气动力下压力或道路坡度的情况下,

工程理论表明,轮胎宽度在可能的抓地力中不起作用,因为基本抓地力计算中未使用接触面面积。轮胎狭窄会导致在较小的区域上承受相同的法向力。但是,在分子水平上,橡胶中的应力要高得多,接触斑较小,会导致橡胶键的断裂和剪切较早,因此抓地力较小。使用较大的接触片,应力可分散在更宽的区域,并且橡胶的使用时间更短,从而获得更高的最终抓地力水平。

其中Flateral是横向力(N),μ是摩擦系数,m是车辆质量(kg),g是重力加速度(m / s 2)。

动态建模

车辆模型用于计算车辆可以协商某个半径弯曲的理论最大速度。最基本的模型是承载整个车辆质量的单个车轮。尽管悬架设置,转向几何形状和重量传递被忽略,但这种简单的模型给出了一个正确的答案。稍微先进一点的型号是自行车,前轮带轮,后轮带轮。这一个考虑了纵向重量传递和转向角,但没有考虑横向重量传递和悬架的几何形状。现代计算机软件能够模拟整个车辆,包括悬架设置和轨道布局,以形成最准确的图像。固特异(Goodyear)使用这种类型的分析来评估轮胎的性能,远远早于原材料到达轮胎模具之前。

测试和缩放

在测试新轮胎(结构,混合料或胎面花纹)时,固特异采用的控制尺寸较小,例如235/35 R19。在测试条件下建立数据参数后,计算机模型可以将轮胎缩放到特定应用所需的尺寸,同时保持性能恒定。当轮胎要在多种车辆上使用时,这一点很重要。

根据固特异首席工程师Helmut Fehl所说,接触斑对轮胎的性能至关重要。固特异在其SuperSport轮胎中引入了几项技术,以改善接触面产生的抓地力。

接触面积

与道路接触的橡胶越多,性能就越高。这就是在赛车上使用浮油的原因。公路轮胎的问题在于,它们必须符合道路法规,且至少具有两个圆周槽(深度至少为1.6毫米)。如果槽的数量少,则湿性能会受到严重影响,因为无法排走死水,从而导致滑水的风险。从比较表中可以明显看出,胎面厚度为8 mm的Asymmetric 5轮胎最适合日常使用,而SuperSport RS轮胎几乎不符合街道法规,只能用于赛道。

复合

橡胶混合物决定了在干湿条件下的性能并影响轮胎的耐久性(通常是对比特性)。双复合轮胎在胎面的不同位置采用了两种复合材料,以减少折衷。在SuperSport轮胎中,中央胎面花纹块针对湿路性能进行了优化,而外部边缘则保留用于干式处理性能优异的复合材料。只有干燥的条件才能允许足够的重量转移,以使转弯时外边缘发挥作用。

该化合物确定了轮胎的最佳温度工作范围。更偏向道路的设备(例如,固特异的Asymmetric 5)可以在40摄氏度下产生峰值抓地力,而SuperSport RS版本需要至少80度才能产生预期的抓地力水平。这解释了为什么在使用超高压UHP冷轮胎驾驶高性能汽车时必须格外小心。

稳定性

对于可预测的处理,重要的是在极端动态事件期间保持接触补丁稳定。高性能轮胎的轮胎胎体和胎侧非常坚硬,可以防止变形(损害舒适性)。有趣的是,在固特异的SuperSport轮胎中,使用了PowerlineCover,它由周向纤维组成,以抵抗由于离心力作用而在高速下产生的轮胎鼓胀。如果没有该带,则轮胎的接触面积会随着速度的增加而变窄,这在驾驶超级跑车时并不理想。

胎面花纹

胎面分散了积水,但导致接触垫处道路上的橡胶减少。固特异在其UHP轮胎上采用了非对称设计,轮胎外部的凹槽更少。车辆的重量转移将轮胎的外部推入柏油中,从而增强了抓地力。可以将SuperSport RS轮胎看作是半光滑的,在轮胎的外边缘没有胎面凹槽。

另一个创新是跨过中央花纹沟连接外胎面块的桥接条。其想法是,它们通过抵抗胎面花纹块在极端转弯力下分离的趋势来保持接触稳定。桥接间隔位于轮胎周围的空间,以确保在接触贴片中始终存在至少一个,而不会影响潮湿天气性能,同时确保轮胎保持合法。

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