车轮附着力的重要性体现在哪些方面?如何改善低车轮附着力的问题?,

雪地行车如何才不会打滑?为什么冬季胎远比四驱重要?

对大部分车主来说,冰雪最好远观,就像这样,远远地俯瞰它。

一旦靠近,麻烦也就来了。

提到雪地行车,大家就会想到防滑链,或者雪地钉胎(不能合法上路)。

它们的原理都一样,减小车轮的接地面积,增大压强,让防滑链扎透雪层,轮胎摩擦力就增大了。

但防滑链也不是万能的。

更为简单直接的防滑方式,是轻踩油门和提前刹车。

但踩多少算轻,提前多少才够,能不能量化呢?

当然可以,只要估算出轮胎的附着力就行了。

接下来我们就用这个参数,算一算怎样开车才不会打滑。

附着力是轮胎的最大抓地力,它是一种摩擦力,可以套用静摩擦力公式获取近似值,把摩擦系数换成轮胎附着系数即可,汽车在平直公路行驶的时候,法向力大小等于车身重力。

轮胎附着力=路面作用于轮胎的法向力×附着系数

不少厂家为了宣传自家四驱系统或者轮胎,会把车开上厚厚的积雪,以证明产品的强悍。

事实上,厚雪的附着系数不算低,因为轮胎在行驶过程中,会将冰雪推到轮胎后侧堆积起来,这些雪堆会给轮胎提供反推力,只要冰雪没有在反复碾压或者车身重力下形成凹坑,或者在摩擦中融化成水,就问题不大,所以雪地行车最忌讳停下来,容易陷车。

最常见的危险路况,是零度附近气温时的薄层冰雪路面,冰雪不但容易塞满胎纹,在这样的气温下还极易融化,轮胎的附着力就很低。

由于桥洞的过风量比一般路面大,所以桥面上最容易形成这样的冰雪路面,关键的是,这样的冰面很难提前发现,即便路面看不见雪,低温下也可能存在薄冰,而让车辆失控,只需要很一小块”看不见“的薄冰。

接下来做计算:

首先这里有一辆四驱车,使用普通的夏季胎,冰雪路面附着系数是0.1

我们把车身看成一个理想刚体,把四个轮胎合为一个,假设车重1600公斤,重力加速度9.8 m/s2


要注意的是,同为冰雪路面,不同的天气、路况和轮胎,附着系数也不同,这里是把场景设置在较为极端的状况

此时轮胎附着力是多少呢?

附着力=1600×9.8×0.1=1568 牛

也就是说,轮上驱动力不超过1568牛,轮胎就不会打滑。

根据牛顿第二定律,作用力=质量×加速度

车身的加速度极限是0.98m/s2,也就是0.1G

如果动力充足,并且充分利用抓地力,那么这辆车01加速时间是28秒34

不过,行驶过程中轮胎形变会发生内部摩擦,胎面还会与路面、空气发生摩擦,这都会导致能量损耗,从而抑制轮胎的滚动,这就是滚动阻力。

所以,轮上驱动力极限是附着力与滚动阻力之和

驱动力极限=附着力+滚动阻力

滚动阻力=路面作用于轮胎的法向力×滚动阻力系数

除了沙地和泥地,滚动阻力受路面类型的影响较小,冰面系数在0.015-0.03之间,这里我们取值0.015,于是得出轮上驱动力极限:

轮上驱动力≤附着力+滚动阻力=1803 牛

然后利用这个公式就能算出轮上扭矩极限

轮上扭矩极限=轮上驱动力×轮胎半径

假设采用这样的规格(245/45 R18),轮胎半径为 0.34米

最终轮上扭矩极限是613牛米

假设引擎到车轮之间的传动比是这样:

1档齿比5:1(若为自动挡,则需要考虑变矩器的扭矩放大效应,本文为手动挡)

主减速比3:1

则传动系的总传动比为15:1

系统默认节气门开度一般为5%(油门深度),以这款引擎的扭矩图来看

起步扭矩为45牛米

所轮上扭矩=引擎扭矩×传动比=675牛米

超过了可承受的扭矩极限,轮胎开始打滑。

若升到5档,齿比小于1,则起步扭矩降为135牛米。

但此时轮速也升至266转,所以不如1档起步,再用刹车控制扭矩输出就可以了。

假设车速到了30kph,换到2档,总传动比12:1。

此时再加速,油门深度多少不会打滑?

刚才已经提到,加速度极限是0.1个G,所以每秒轮速增幅不能超过0.4588圈,也就是说,此时每秒引擎转速增幅不能超过6圈,否则就会打滑,所以。。。你不能踩油门。


很明显,这种路况极易失控,除了防滑链,最好的解决办法,是把夏季胎换成冬季胎。冬季胎的滚动阻力系数增幅不大,但附着系数升至0.3-06,驱动力极限可以增大数倍。

以最大值计算,冬季胎的加速度极限将达到5.88m/s2,01加速的理论极限是4.72秒。

不过,路面通常都有一定坡度。上坡时路面法向力就会改变,过程中还有风阻,综合这些因素,不考虑路面横向斜度的情况下,公式是这样:

轮上驱动力≤(平路附着力+平路滚动阻力)× cos 坡度

轮上驱动力=重力分力+空气阻力+滚动阻力+加速阻力

这里解释一下加速阻力,加速过程中需要克服惯性,所以会消耗能量。

汽车在加速过程中,需要克服两种惯性,一种是汽车质量整体平移的惯性,一种是诸如飞轮、半轴、车轮等转动件的惯性,后者所产生的惯性力矩影响相对较小,所以暂且忽略,只计算前者所克服的阻力

假设这辆车时速30kph冲上10度的陡坡,其他条件是这样

气温零下二十度,无风,空气密度取值1.396 kg/m3,迎风面积2.6m2(≈0.81x车宽x车高),车型风阻系数0.31

空气阻力=风阻系数×迎风面积×空气密度×车速²/2

现在问题出现了,汽车受到的风阻是506牛,重力沿坡面的分力为2723牛,如果使用普通夏季胎的话,这已经远远超过轮胎的附着力,此时不仅不能踩油门,连转向都会失控。就像这样:

所以即便是四驱车,使用夏季胎跑雪路,风险也很大,至少要加装防滑链。

那么四季胎呢?假设一套好的四季胎,冰雪路面的附着系数能达到0.2,情况会如何?

此时轮上附着力可以达到3136牛,大于重力分力,但小于重力分力与空气阻力之和,所以汽车会缓慢减速,直至达到力平衡。

如果是冬季胎呢?假设附着系数为0.3,那么轮上附着力有4633牛,上坡瞬间有1404牛的驱动力可供提速

这还是一辆四驱越野车,如果换成两驱,驱动力只能通过前轮或者后轮输出,能够用于驱动的附着力就会减少一半左右。

如果两驱车使用冬季胎呢?假设前后重量分布为50:50,那么即便只有前轮或者后轮驱动,它的轮上驱动力极限也能达到夏季胎四驱车的一到三倍。

最后,在冰雪路面上行驶,应该为自己留下多少余量?

假设在山路行驶,坡度为10度,前方有一个半径30米的弯道,车速降到多少才不至于飞下悬崖?

以四季胎为例,冰面附着系数假定0.2,如果匀速稳态过弯,所有抓地力都用于抵抗侧滑,最大向心加速度约为0.2G,也就是说,理论上你的弯速极限约为28kph。

向心加速度=车速的平方/弯道半径

由于要克服重力分力,实际你只有365牛驱动力可用于抵抗空气阻力。

加速足够久的话,你的极速可以超过90公里每小时,所以还是要小心,你是可以超过弯速极限的,虽然加速时间很漫长。

当前方出现红灯,你的车速40kph,使用夏季胎,假设在夏天的刹停距离约为9米,在冰雪路面上需要多远开始减速?

大约55米。

(附着力+滚动阻力)×刹车距离=质量×车速平方/2

当然以上都还不准确,因为加减速过程中车身涉及纵向和横向的重量转移,附着系数会变,附着力也就会变,轮胎,悬挂,车身在转向和加减速过程中的形变和位移对轮胎附着力也有影响。

不过通过以上计算,得出一个铁的事实,就是在严苛的雪地行车环境中,四驱的用处远远不如一套冬季胎,一旦打滑,四驱反而比两驱更难操控。

2024-09-18

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