《賽車工程》解析─輪胎：神秘黑魔法，上篇

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談到《賽車工程》無可避免的必須要從最重要的輪胎談起。無論是越野拉力、直線加速、場地繞圈等等任何形式的比賽，車輛的所有性能都作用在這四條黑色橡膠與道路的接觸面上。由於輪胎相當複雜，也因此被戲稱為賽車工程領域當中的黑魔法，我們必須將其拆解成許多面向來一一說明。過去多數人討論輪胎時多半限於非熱熔胎、半熱熔、熱熔胎等等街道用胎之間的分別，而這裡將會以「賽車輪胎」為主，就其相關作用力以及特性來說明。此外，輪胎設計 (輪胎規格、材質、編織層角度、編織層材質等等) 部分就交給輪胎製造商煩惱吧。

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垂直負載 (Vertical Load)：

即是單一輪胎所承受垂直於路面之力量的總和，通常以公斤為單位。也是在一個特定時間點之下，車重、下壓力對特定的輪胎所作用的力。垂直負載並不是一個恆定值，隨著車速(下壓力)以及重量轉移，垂直負載都不斷地在產生變化。

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摩擦係數 (Coefficient of Friction)：

輪胎之所以被稱之為黑魔法，除了因為其複雜的成分組成，還有一個原因是輪胎獨特的物理性。在牛頓的摩擦力定律當中，一個物體所產生的反作用力是不會超過這個物體的負載。然而一條輪胎卻能夠產生大於其負載的反作用力。這也是為什麼小小的四個輪胎接觸面能夠產生足以支撐整台車的摩擦力。

這邊用比較淺顯易懂的例子來解釋。假設一條輪胎受到250 KG的作用力，在理想的條件下可以產生400 KG的反作用力。這兩個作用力的比例即是輪胎的「摩擦係數」，上方例子的摩擦係數即是1.6。這個數字代表了「在理想且穩定的條件之下」，這條輪胎能夠承受多達1.6G的縱向或者橫向G值。

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除了專業的高階賽事之外，輪胎製造商通常不會透露輪胎的摩擦係數。但假使今天有一台車裝上了摩擦係數為1.5的輪胎，千萬不要以為它就可以用1.5G的速度過彎，這是因為要讓輪胎產生最大摩擦力牽涉了非常多條件包括車輛動態、路面狀況、輪胎角度等等。而輪胎的最大摩擦係數也會因為外在條件如車速、負載轉移、賽道狀況以及輪胎溫度與胎壓等等的影響不斷產生變化。通常，輪胎產生的縱向摩擦力被稱為「循跡能力 (Traction Capacity)」，側向摩擦力則是「過彎支撐力 (Cornering Power)」或者「側向力 (Lateral Force)」，接下來我們主要會以側向力來稱呼，基本上輪胎產生的側向力越大，車輛的過彎G值也越高。

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偏滑角度 (Slip Angle)：

這個名詞無論是中文或英文都相當容易讓人誤解，因此我建議大家還是記住英文原名。其實Slip Angle和偏滑並沒有關係，它是指「輪胎滾動時的方向與道路接觸面行進方向之間的夾角」。由於輪胎的可變形特性，造成輪胎轉向時，與道路接觸面會因為形變的關係和輪胎方向不一致。下圖可以看見輪胎接觸面 (Contact Patch)產生形變而與輪胎本身的方向不一致，兩者產生的夾角即是Slip Angle。

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要注意，只要輪胎有轉向的動作，就必定會產生Slip Angle。而由於過彎時的側向力可以視為Slip Angle的產物，因此賽車工程領域有一句話叫做「No slip, no grip. (沒偏滑就沒抓地力)」意思就是指如果輪胎Slip Angle為零，側向力也就會是零，也就代表輪胎並沒有產生過彎所需的摩擦力。

▼輪胎在高速過彎時會產生形變的狀況

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偏滑角度 (Slip Angle)與側向力 (Lateral Force)：

說了那麼多，到底Slip Angle對輪胎性能有什麼影響？這時候就要來看看Slip Angle與側向力之間的關係了。不同的Slip Angle會產生不同的側向力，兩者相互影響。增加Slip Angle能夠使側向力增加，不過一旦達到了輪胎能夠承受的最大側向力，更多的Slip Angle將會開始令側向力降低，也就會使輪胎的抓地力逐步減少。

簡單來說，就是當方向盤開始轉動時，車輛的過彎G值會隨著方向盤轉動幅度增加而變大，但是在同樣速度下，當輪胎轉向超過一個幅度抓地力就會開始下降，甚至是打滑。

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而賽車輪胎因為和一般市售輪胎用途不同，特性上也有不小落差。賽道用胎由於需要迅速以及良好的轉向反應，因此能夠在較小的Slip Angle產生很大的側向力，不過一旦達到側向力的極限，抓地力也會下滑的非常快速。這也是為什麼我們很容易看到賽車只要一超出過彎極限通常會導致嚴重打滑、Spin的現象。市售胎則因為需要和緩的轉向反應來獲得比較容易的控制，因此側向力極限較低，也需要比較大的Slip Angle才能達到最大的過彎極限。

▼此示意圖分別為市售胎 (綠)、F1賽車胎 (紅)以及一條假想賽車胎 (藍)的特性比較。

圖片來源：The Technical World of Formula 1 Explained

另外，垂直負載也會影響到輪胎能夠產生的最大側向力。下圖是同一條輪胎在不同的垂直負載之下，Slip Angle與側向力的關係。可以看出負載越大，輪胎能夠產生的側向力就越大，車輛也就擁有越高的過彎極限。這就是為什麼賽車會追求極大的下壓力來讓輪胎發揮全部的潛力。

圖片來源：RCVD-Milliken & Milliken