为什么顶尖赛车汽车用宽轮胎比用窄轮胎好?

事实上,在一辆如艺术品般完美的F1赛车上,轮胎大概是最容易被观众忽视的部件。尽管轮胎性能、空气动力学和引擎马力并称决定F1赛车速度的三大要素,但轮胎经常比其它所有因素加在一起的作用更大。改进轮胎是提高赛车表现的最快的方法,只有轮胎能让赛季大局在瞬间改变。而与F1赛车的科技水平相比,轮胎工艺的发展速度更快,每个赛季,甚 至每场比赛,轮胎制造商都会根据从测试数据和赛道特点研发出新一代产品。   轮胎设计=化合物成分+结构   对轮胎做基本评估时,工作重点集中在结构或者化合物成分上。   F1赛车轮胎与普通汽车轮胎一样由橡胶化合物制成,称之为化合物,是因为橡胶中添加了油(软化)、炭素(补强)、亚铅、硫磺、防老化剂等物质,改变这些混成物的比例,轮胎性能将发生很大的变化。   F1轮胎的另一个主要变量是结构设计,当FIA试图让F1赛车的速度慢下来时,他们总是先拿轮胎的结构开刀。1998年,老式的宽大后轮胎被禁止了,并且规定所有干地轮胎的表面都必须开沟槽——这样可以减少轮胎与地面的接触面积,使抓地力减弱。   如果研究结构,轮胎的化合物成分应保持不变,这样才能做比较,反之亦然。轮胎的工作方式完全取决于轮胎设计对轮胎某些性质的影响,主要是在压力的分配以及轮胎表面的压力和温度方面,必须寻找最佳结合点,与某种结构配合得很好的化合物,与另一种结构可能就不太合适。   轮胎性能=抓地力×耐磨性   F1轮胎要求具备良好的抓地性和耐磨性,这是两种互相制约的性能。   抓地力是指利用柔软的化合物使轮胎咬住地面的能力,轮胎通过与地面的摩擦产生热量,能够使橡胶逐渐变软,柔软的化合物容易在短时间内达到适宜的温度,但是轮胎磨损也非常快。今年在比赛中不允许换轮胎,必须采用更硬的化合物确保轮胎的耐磨性,所以抓力地大大降低了,FIA就是用这个办法来减慢赛车的速度。   比赛中,轮胎获得最佳抓地力的理想温度为80度至100度,如果轮胎温度超过了正常使用的温度,轮胎表面会出现起泡现象,严重影响轮胎的性能。轮胎是否气泡主要取决于轮胎中心的温度,如果内部温度低于表面温度很容易导致起泡。比赛过程中,轮胎表面的温度经常迅速上升,比如驾驶失误导致轮胎锁死,或者赛车调较出现问题,造成轮胎过热等。橡胶是高度绝缘体,轮胎表面的高温不可能很快传递到中心,所以要让轮胎在高温下有上佳表现,只能等到轮胎内部温度也达到相当高的水平。   另外一个影响轮胎表现的主要因素是胎压。轮胎的充气量在F1是一个关键因素,必须寻找完美的平衡。胎压是根据赛道的特点调整的,一般来说,在摩纳哥那样的低速赛道上,胎压要比银石、巴塞罗纳那样有很多高速弯道的赛道上低。   轮胎类型={干胎(硬胎,软胎)、雨胎}   F1轮胎分为干地和雨地两种类型,表面有四条沟槽的干地轮胎直径660毫米,雨地轮胎直径670毫米,前轮胎宽度限制在305毫米到355毫米之间,后轮胎宽度是365毫米到380毫米。雨地轮胎要确保在湿滑的路面上有足够的抓地力,必须迅速排出进入胎纹与地面间的雨水,使轮胎表面更有效地接触地面,所以雨地轮胎的设计重点是能够充分适应湿滑路面的高性能复合排水纹路。   每个比赛周末,车队会准备两种化合物成分不同的干胎——它们的区别主要在软硬度上,然后根据温度和天气情况决定使用哪一种,如果天气很冷,软胎也许有较好的表现,但是如果天气非常热,硬胎是更好的选择。 轮 胎在比赛中肩负着两个艰 巨的任务:首先是有效传递输出的动力,其次是允许车手以尽可能高的速度转弯。为完成这两个任务,轮胎需要足够的“抓地力”。轮胎接触地面的时候,垂直方向的作用力(由赛车和车手的自重以及空气动力学部件产生的下压力产生)使轮胎产生变形,轮胎的一部分接触不光滑的赛道表面,由此产生了摩擦力——也就是俗称的抓地力。 轮胎与抓地力 对于F1赛车来说,为了有效输出巨大的动力,对轮胎的抓地力提出了很高的要求。你可以看到在比赛前工作人员会将轮胎用电热毯包裹着,这是为了让轮胎维持在工作温度(一般在80-100摄氏度左右),这个温度下轮胎表面的橡胶会微微熔解,提供额外的上佳抓地力(轮胎甚至会把赛道上的沙砾和杂物吸附在表面)。当然,赛道的表面材质也很重要,这就是为什么F1赛道大多用柏油铺就的原因——试试让F1赛车在冰面开动一下? 我们都学过中学物理,知道相对运动的物体之间存在两种摩擦力——滑动摩擦和滚动摩擦。当赛车匀速行驶时,轮胎和地面之间的摩擦力是滚动摩擦。而当赛车加速/减速或者转弯的时候,就产生了滑动摩擦。 稍微分析就知道这两个力之间的作用是相互制约的:如果赛车加速/减速过快,滑动摩擦力的作用将把滚动摩擦力完全抵消,赛车将“失去抓地力”,部分的轮胎表面将相对赛道表面静止,产生巨大的磨损,造成整个轮胎表面不再是规则的圆形,给赛车的行驶带来震动,使操控更加困难。 为了防止这种情况,牵引力控制系统(控制加速)和防抱死刹车系统(控制减速)应运而生。而如果转弯过快,失去抓地力的结果便是赛车失控打滑——赛车会向正在转向的方向打滑。对于好的车手来说,这并不是不可控制的,只要车手在足够短的时间内反向扭方向盘,赛车便会恢复抓地力。试想将一个长方形的橡皮紧紧按在桌面,然后从上方往一个方向扭动,看看会发生什么——橡皮会产生变形,而轮胎也是一样。轮胎内部的应力会通过轮胎表面传递到赛道上,而如果应力来不及释放便会失去抓地力。这时候就需要反向给轮胎一个作用力,让轮胎回复正常状态。 决定轮胎性能的因素 轮胎的尺寸、轮胎和地面的接触面大小以及表面花纹、材质决定了轮胎的性能。轮胎和地面的接触面的长宽之比是轮胎的截面比,通常截面比越小的轮胎抓地力越大,这意味着赛车轮胎尺寸要尽可能的大,同时宽度尽可能宽。然而,尺寸越大的轮胎,阻力也越大,这就需要工程师计算合理的平衡点。另一方面,低截面比的轮胎比高截面比的轮胎更不容易变形,从而减少了轮胎的内部发热(部分变形应力转化为热量),使轮胎在极端情况下依然能维持上佳表现。 轮胎表面的花纹是根据赛道表面的情况来决定的。当赛道表面是干燥的时候,完全平面的轮胎(俗称“光头胎”)能创造最好的抓地力。当赛道表面有水的时候,轮胎表面就必须有坑纹,让轮胎和地面之间的水通过这些坑纹排出,这也是为什么民用车的轮胎表面都有坑纹的原因——天总不可能一直不下雨吧! 目前,轮胎厂商提供的每一只湿地轮胎都足够让高速行驶的F1赛车在行进中每秒排出数十升的水。但是当雨太大,赛道表面积水太深以至于湿地轮胎都无法排尽积水时,赛车也会失去抓地力,像漂在水面上的小船一样失去控制。 坑纹轮胎对干燥赛道表面毫无作用,减少抓地力(接触面更小)的同时会产生高热(轮胎和赛道摩擦产生的热量积聚在坑纹中),降低轮胎寿命。但是,F1赛会从1998年起强制性规定,即使是干地轮胎也需要有坑纹,主要目的是减少轮胎的抓地力,强制降低车速。然而,轮胎厂商的工程师是一群疯子,他们和车队工程师一起努力,在不到两年内就通过其他手段将坑纹对车速产生的负面作用消除得干干净净,以至于目前的赛车速度比1997年前还要快得多。 我们都听过“软胎”和“硬胎”之说,这里的软/硬指的是轮胎表面的材质。自从一百多年前美国人固特异发现向橡胶中加入硫磺能极大地改善其耐磨性,从而创造了真正意义上的轮胎以来,工程师们就不断地往橡胶中加入其他材质使轮胎达到不同要求,赛车轮胎也不例外。 相比硬性轮胎,软性轮胎更容易进入工作温度,能让赛车在短时间内维持优秀的抓地力,但是磨损也更快;相反,硬性轮胎的抓地力表现相对较差,但工作寿命较长,减少赛车进站换胎的次数,省下宝贵的时间。这也是车手面对不同赛道和不同天气情况必须衡量并做出选择的因素。 常常听见这样评论:“某某车手错误地选择了车胎(过早消耗了车胎),从而输掉了比赛。”在这方面,经验丰富的车手拥有较多的优势,我们往往不会看见舒马赫这样优秀的车手在比赛的末段由于轮胎寿命已经告罄而圈速不得不变慢,从而眼睁睁看着对手超越自己,失掉比赛的情况——这一般是经验不足的车手犯的错误。 轮胎的表面温度是非常敏感的一个参数,它在决定轮胎抓地力大小的同时也影响着轮胎的压力,直接反映了轮胎的工作状态。如果温度过高,高于正常工作温度,胎压会相应增高,轮胎的磨损就会加剧;如果温度过低,提供的抓地力不足以承受赛车的动力,也会造成赛车操控困难以至打滑。 在2003赛季以前的比赛中,F1赛车的轮胎温度可以通过传感器量得,再通过无线传输至维修站由工程师们监督,一旦有异常则告知车手。但是随着2003赛季,无线数据传输被禁止后,车手就不得不凭借自己的操控感和经验来估计轮胎的工作状态,而有时潜在的异常情况很可能不为车手所察,以至于增加了车手的危险性:一旦轮胎在高速行驶中突然出现问题,造成的后果可能是非常严重的。 赛车的其他部件也存在着同样的情况:试想你正驾车高速进入一个弯道,突然发现刹车或者转向失灵,又或者悬挂系统出了毛病——这时候,一身冷汗之余,你唯一能做的就是闭上双眼祈祷了。 与赛车其他部分相比,绰号:黑色甜甜圈的比赛轮胎容易被忽视.尤其在2002年以前,大家只能用普利斯通.事实上,不论你的赛车状况多好,空气动力学套件性能多么优异,与地面接触产生摩擦力的只有轮胎.轮胎的抓地力也十分影响赛车过弯.这次土耳其站冲出赛道的车手大多都是受轮胎抓地力不足影响.雨胎还能提高赛车雨中速度,防止打滑,保护车手安全. 回

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