干燥路面上的附着系数在1到1.3之间,如果下雨,则在0.5-0.9之间,如果路面粗糙度较低,则雨天抓地力会变得更差 。
不论任何天气,抓地力都是必需的,以保持车辆在其路线上 。即使汽车是直行的并且速度恒定, 也必须不断抵抗可能将车辆推离道路或减速的自然力 。这些力的起源可能是风,路面弯曲,倾斜,表面不平或滚动阻力 。当车辆受到这些力时,接触面自然地成为微滑动的中心。然而,抓地力在下面两种情况显得格外重要:当车辆的速度发生改变(加速-减速)和汽车们改变其方向(转弯)时 。
抓地力的两个组成部分:纵向抓地力和横向抓地力 。由于制动和加速相关的机制具有可比性,我们在此主要制动,这对车辆安全至关重要 。
纵向抓地力
无论是纵向还是横向,抓地力都是由轮胎胎面花纹块在路面上的摩擦产生的 。
我们首先要看一下会发生什么 。首先轮胎的接触面几乎与路面不动,接着橡胶块相对于路面有微滑动,然后像履带一样移动 。因此,在每次车轮转动时,与路面接触的胎面花纹块并不是在表面上纯滚动 。
轮胎的工作类似一个固定在地面上的橡胶块,我们用手去按压它的同时,再施加一个往前推动的力 。可以看到该橡胶块被垂直于地面的力Z发生压缩变形,施加在侧面的力F,其平行于地面并逐渐增大 。开始时,橡胶块变形而不会在表面上滑动 。发生剪切变形 。这时,在橡胶 - 表面接触产生的一个与力F大小相等且方向相反的阻力,该阻力称为摩擦力X 。
这个阶段也被称为“伪滑点”,因为一切都发生在橡胶块相对于路面滑动时 。因为幅度太小而橡胶块相对于地面并未明显地移动 。橡胶的变形能力将决定这种伪滑移的程度 。
如果力F继续增加,则橡胶块将开始在表面上滑动,同时保持其最大剪切力 。在橡胶 - 地面处发生“真正的”滑动 。类似下图:
滑动的来源
假设以一定速度沿直线行驶的车辆 。当驾驶员踩下制动踏板时,制动力矩通过制动回路施加到车辆的四个车轮 。此时,车轮的角速度减小并且轮胎的滚动速度下降到车速以下 。为了弥补这种差异,轮胎开始以一定滑动率在道路上滑动 。在滑动期间,橡胶分子粘附和滞后引起摩擦力,其抵抗滑动,并且车辆减速 。
这台车的抓地力X如何,取决于车辆在路面上的载荷Z,以及路面和胎面胶料的类型 。
定义为:X =μ·Z 其中:X单位为N,Z是道路上车辆的载荷,单位N,μ代表路面的附着系数 。因此,纵向附着系数μ被定义为:μ= X/Z 。具体说明如前所述 。
横向抓地力
“过弯”实际上就是一个对抗离心力的过程,转弯半径越小,质量越大,速度越快则越难转向,反之则越容易 。具体关系如下:
M为质量,V是速度,R为半径 。如果Fc=Y,则车辆会按照既定的轨迹圆行驶 。
在弯道中,驾驶员通过转向系统设定车辆两个前轮的转向角度 。实际上,他并没有沿着车辆的路径转向车轮,而是将车轮指向弯道内侧 。这会在车辆运动方向和车轮旋转平面之间产生差异 。角度差称为侧偏角 。符号为 [公式] ,它引起轮胎和路面之间的摩擦,产生横向向心力Y 。在非常低的速度下,离心力非常低,(MV2 /R≈0),侧偏角为零,车辆的路径由前轮转向角决定 。随着速度的增加,离心力也随之增加 。因此,为抵消该力并使车辆保持在其所需路径上所需的侧偏角也增加 。由于转向系传动比的存在,通常来讲,方向盘角度为20°,实际前轮转向角度约为1°左右 。
因此,车辆转弯的最大速度取决于橡胶 - 道路接触面的附着系数,也取决于弯道的半径,因此在窄弯处的最大转弯速度小于在宽弯道中的转弯速度 。这也是为什么我们在赛道中过弯需要走外内外线路,尽可能增大转弯半径,用尽赛道的每一寸地面 。
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