淺談輪胎表面花紋的作用

在人教版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(必修1)第62頁的“說一說”中，圖3.3-5有這樣一段話：輪胎表面都有花紋狀的溝槽。雨天，溝槽能把輪胎與地面的水排出，保持兩者的良好接觸以產(chǎn)生足夠的摩擦力。溝槽的深度小于2mm時(shí)輪胎就不應(yīng)再使用了。

輪胎上為什么要刻上花紋？難道是為了好看嗎？除了文中提到的摩擦力以外，還有哪些用處呢？為什么溝槽要有一定的深度呢？如果從更深層的角度去探索胎面花紋的奧秘時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己從前對車胎知識的積累竟然是那么的匱乏。輪胎上的花紋并不是為了好看才挖的，它的發(fā)明和發(fā)展也是輪胎向前發(fā)展的一部分。要了解花紋的作用，我們可以從以下三方面入手。

1 花紋的歷史

胎面花紋大致出現(xiàn)于1892年前后。最原始的胎面花紋其實(shí)很簡單，僅是一些直線的楞花。但在路面情況，車速、載重等各方面條件的不斷變化下，輪胎的花紋經(jīng)過一百多年的發(fā)展，也在不斷地改進(jìn)中變得越來越復(fù)雜多樣起來。

早期的充氣輪胎比較窄，容易被刺破，而且輪胎表面光滑，車輪容易打滑。當(dāng)汽車在潮濕的山地上行駛時(shí)，車輪更容易打滑。1845年取得第一條充氣輪胎專利的湯姆生，曾想出了在輪胎的表面上打入輪針，但因前面講過的原因而沒有實(shí)現(xiàn)。

1891年，自行車的輪胎首度出現(xiàn)了胎面溝紋，但因自行車的速度較慢，花紋的真正意義沒有得到完整的體現(xiàn)和發(fā)展，倒被一些商家用在了廣告上。

1895年，巴黎出現(xiàn)了一種廣告三輪車，在輪胎上一圈類似橡膠印的東西，在馬路上跑的時(shí)候，廣告文就會(huì)被印下來。自從美國首度出現(xiàn)了計(jì)程車，汽車在社會(huì)上的地位開始被認(rèn)同。汽車性能增加的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力、操縱力充分傳達(dá)到地面，光滑的輪胎，特別是在下雨天，便很容易肇事，因此，沿著輪胎的圓周面，便出現(xiàn)了橫的或直的溝紋。1908年，出現(xiàn)了正式圖樣，當(dāng)時(shí)被稱為“踩出圖樣”。

1922年，美國人塞普取得了把非常細(xì)小的紋路鑲進(jìn)輪胎表面的專利。

1932年，有位叫宗馬的人，首次在輪胎上刻了一些很細(xì)小的花紋，并發(fā)現(xiàn)這些花紋有吸取路面上水分的功能，所以獲得專利。他的這一發(fā)明，一直到現(xiàn)在仍被廠商采用，因此，宗馬成了研究胎紋的始祖。到了現(xiàn)在的輪胎，胎面寬、厚度薄，復(fù)雜的胎面構(gòu)造能將輪胎表面的水迅速排走。

2 花紋的分類

輪胎花紋可以分為三大類，即通用、高越野性和聯(lián)合式花紋。而它們的幾何形狀大體有以下五種：

2.1 橫溝花紋：橫溝花紋輪胎的牽引力、制動(dòng)力與自動(dòng)清潔能力都比較好，在惡劣路面上表現(xiàn)良好，但缺點(diǎn)是橫向阻力小，易側(cè)滑，而且噪聲較大。所以一般用于貨車、大型客車后輪或工程車與越野車等，是壞路上的專用輪胎。

2.2 直溝花紋：直溝花紋行駛阻力小，操控與穩(wěn)定性好，噪聲較小。但它不適宜在壞路上行駛，驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力較橫紋輪胎差。主要用于轎車，較小的客車與貨車上也有采用，適用于道路狀況較好的柏油、水泥馬路以及高速公路上。

2.3 直橫溝花紋：橫溝與直溝相互交錯(cuò)，不但適于在惡劣的路面上行駛，而且可以在普通公路上行駛。如今這類輪胎較多地用于貨車、客車以及SUV等車輛上。

2.4 塊狀花紋：輪胎的表面呈現(xiàn)凸出的塊狀，目的在于加強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力，一般被用于雪地與特別泥濘的道路行駛。它的缺點(diǎn)是耐磨性差，行駛時(shí)阻力大，噪聲也較高。

2.5 非對稱花紋：這是近年來推出的新式設(shè)計(jì)。輪胎外側(cè)溝紋較少、內(nèi)側(cè)溝紋較多，可以保證更平穩(wěn)地轉(zhuǎn)彎與雨天排水。 可見，不同的輪胎花紋反映出車輛的不同功能，所以換輪胎時(shí)一定要注意專業(yè)色彩濃厚的車胎絕對不能混合使用，應(yīng)該視不同情況調(diào)換不同型號的車胎。

3 花紋的作用

3.1 增加車胎的抓地力

簡單的說就是為了使車輪增加與地面的附著力，從而更好地前進(jìn)?！霸黾优c地面的附著力”，和我們一般意義上認(rèn)為的“增大與地面的摩擦”是不一樣的。從科學(xué)的角度說，在城市的瀝青路面上，花紋一般對摩擦力沒有影響，所說的附著力指的是在特殊情況下胎面花紋產(chǎn)生的效果。比如，剛下過雨，路面上有一層水；剛下過霜，路面上有一層塵士或細(xì)沙，這時(shí)路面的性質(zhì)條件改變了，增加了一層“潤滑劑”--水、冰、或砂礫。在這種情況下，剎車時(shí)，胎面花紋在地面上一蹭，就把水，砂等刮到花紋的槽里，甩到一邊，保持了路面與車輪間的良好接觸，使車輪與地面的摩擦不受影響，或者說，在這種條件下增大了車胎與地面的摩擦力。所以，當(dāng)輪胎的花紋里嵌入了石子和泥塊時(shí)，一定要及時(shí)清理的原因。

3.2 增加車胎的排水性

就象課本中所說的“雨天，溝槽能把輪胎與地面的水排出，保持兩者的良好接觸以產(chǎn)生足夠的摩擦力。夠槽的深度小于2mm時(shí)輪胎就不應(yīng)再使用了?！?/p>

其實(shí)胎紋的最大任務(wù)就是壓擠路面上的水，使橡膠與地面接觸而產(chǎn)生摩擦力，抓住地面。實(shí)驗(yàn)證明，在潮濕的路面上，無花紋輪胎的制動(dòng)距離是有花紋輪胎的2倍左右。不僅如此，在傾盆大雨的時(shí)候，因輪胎接觸地面的水不能排出，而產(chǎn)生制動(dòng)不靈、轉(zhuǎn)向盤難以控制的現(xiàn)象，那時(shí)，車子就象水上滑艇一樣。這種現(xiàn)象，常在花紋不深或無花紋輪胎時(shí)發(fā)生。那么，正?；y輪胎在深水路面上行駛，到底能發(fā)揮多大作用呢？下面我們做一計(jì)算。

假設(shè)目前下著大雨，降雨量達(dá)到5mm，汽車以80km／h的速度行駛，假設(shè)輪胎與地面接觸寬度是120mm。雖然輪胎花紋不同，輪胎與路面之間的排水量也不同，但可約略計(jì)算為：

排出的水量＝輪胎與地面接觸寬度×行走距離×水深

速度為80km/h的汽車，1s內(nèi)約行進(jìn)22m，這樣，1s內(nèi)一只輪胎排出的水量為：

1.2×22×0.5＝13.2(L)

那么，四只輪胎共排出13.2×4＝52.8(L)。也就是說，當(dāng)一輛車以80km/h的速度在水深5mm的路上行駛時(shí)，一秒鐘內(nèi)，四只輪胎大概要排出52.8L的水。多么不簡單！因此，有花紋的輪胎可以確保汽車在水路上也能安全地行駛，而花紋太淺，則完不成它的使命。輪胎的花紋太淺時(shí)，除了排水不好以外，胎冠的熱量也不能及時(shí)排出，使胎溫上升，緊急制動(dòng)時(shí)，容易將胎冠膠磋掉而導(dǎo)致爆胎；另外，花紋太淺，特別容易被尖硬物刺破胎面，引起事故。所以我們要及時(shí)地更換輪胎。

那么，花紋究竟磨到什么程度應(yīng)該換胎呢？一般情況下，每一條輪胎上每隔60°就在它的胎側(cè)上有一個(gè)小“A”符號，共有6個(gè)小“A”(米其林輪胎是它的小雪人標(biāo))，在小“A”符號所對著的胎冠部分，花紋下刻有花紋的磨損殘留深度極限。當(dāng)花紋磨損到這一殘留深度極限時(shí)，那么這條輪胎就應(yīng)該被換掉而不應(yīng)繼續(xù)使用。實(shí)驗(yàn)證明，輪胎的花紋殘留深度一般不能低于1.6mm，否則，不論是輪胎的驅(qū)動(dòng)力還是制動(dòng)性能都要大大降低，而遇到水路時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)前面講過的“水上滑行”現(xiàn)象。

3.3 減少噪聲

車輛行駛中產(chǎn)生的噪音來自多方面，比如

(1) 當(dāng)輪胎接觸地面時(shí)，胎或道路空腔里集中的空氣突然外流，而輪胎離開地面時(shí)，空氣又突然流入，形成\"泵氣效應(yīng)\"，從而產(chǎn)生噪聲。

(2) 當(dāng)輪胎經(jīng)不平路面或輪胎不均勻，不平衡胎面和胎受激振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

(3)高速空氣流過輪胎表面時(shí)，產(chǎn)生的空氣噪聲。 和輪胎有關(guān)的主要是胎面花紋產(chǎn)生的噪音。所以匹配中高檔轎車的舒適型輪胎都會(huì)在這方面非常注意，在設(shè)計(jì)花紋時(shí)都要考慮到靜音性。實(shí)驗(yàn)表明，縱向花紋比橫向花紋的噪聲小。車主們可以靠選擇不同的輪胎來減少噪聲。

由此可見，車胎表面花紋的功能和作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象，在胎面上，它不僅僅是裝飾效果，更是駕駛過程中安全的保障。輪胎上的花紋對整個(gè)駕駛生活起著十分重要的作用，設(shè)計(jì)合理的花紋不僅能在這個(gè)油價(jià)飛漲的時(shí)代幫您節(jié)油，還能減少汽車在駕駛中產(chǎn)生的噪音，同時(shí)又能增強(qiáng)汽車在雨季濕滑的路面的制動(dòng)性能，從而加大汽車駕駛的安全性。