轮胎的抓地力（三）----滑移率和花纹块刚性的影响

按照从微观到宏观的顺序，第一篇从微观上分析摩擦力和橡胶能量损失的联系和机理，第二篇基于上述机理分析干湿地导致不同摩擦系数的原因，本篇主要讲述滑移率和轮胎花纹块刚性对轮胎摩擦力的影响。

轮胎跟与地面间的摩擦力跟滑移率相关，滑移率的大小简单说就是车辆刹车的减速度或加速时候的加速度。通常情况下，简单理解就是刹车踩的越紧→滑移率越大→摩擦力越大，那么车辆减速的越快。举个例子来解释滑移率的概念，如果车身运动速度是10m/s，如果轮胎减速过程中的滑移率是10%的话，那么轮胎只滚动了9米，还有1米的距离差是橡胶块跟路面的滑动摩擦。

物理上摩擦力f=u*F。因此滑移率导致摩擦力的变化，其本质上影响的是摩擦系数u。微观上，这种影响可以通过振动频率的变化来解释。如果路面微观粗糙度是1um，那么1m/s的滑移率对应的橡胶振动频率是1/1um=10^6Hz, 
10m/s的滑移率对应的振动频率是10/1um=10^7Hz。频率的不同导致橡胶的损耗因子不同（对应DMA曲线上温度扫描曲线理解，如之前分享所提到的高频对应低温）。

那么，随着滑移率增加，摩擦系数u会一直增大吗？答案是否定的，因为滑移率增加到一定程度，摩擦生热对摩擦系数也有影响。如下图，通常摩擦系数u在滑移率约5%~15%范围内达到最大值。由于摩擦生热的高效性，滑移率跟摩擦系数间的响应时间在0.5秒以内，因此轿车制动时ABS的介入不仅有利于调整方向，同时有利于保持最大摩擦系数来减速。

高中物理学过，缓慢增加外力去桌面上的木块，静摩擦力会逐渐增加以达到推动木块所需要克服的最大摩擦力（动摩擦力）。由于木块是刚性的，这个过程中没有考虑木块的变形，但是橡胶的弹性体性质会发生变形。如下图，在推动橡胶块的过程中橡胶块首先发生剪切变形然后再发生滑移。那么轮胎在刹车过程中，速度和滑移率同样的情况下，以轮胎花纹块同一个位点所对应的径向刚性位点（如带束层处或轮毂处）为参考，该位点在路面行驶的距离是相同的。但是该位点所对应的花纹块会怎么走过该段距离呢？如下图所示，是花纹块剪切距离和滑移距离的相加。因此，如果希望刹车或加速效率更高，肯定希望剪切变形所分配到的距离越短，滑移分配到的占比越高。那么使得切剪距离变短的方式是什么呢？答案很简单，增加花纹块的刚性，即橡胶块的硬度和饱和度。

以上结论在赛车胎，sport轮胎及雪地胎上都有很好的体系。比如赛车轮胎，胎面花纹饱和度高、胎面薄、胎面配方硬度高，使得胎面的整体刚性高，在2-3%的滑移率下即达到最大摩擦系数，有利于操控。雪地胎希望跟路面增大接触面积，但是却不能大幅度损失花纹块刚性，因此互锁的刀槽结构被发明。