防溅水车轮套

防溅水车轮套
摘要：
车辆在积水路段行驶，车轮会将路面的积水向四周排除，以增强车轮与路面的摩擦力，但溅起的水花会落到两侧行人的身上，车速越快，水溅出的距离就越远。

我们想设计一种安装在车轮上的防水套，减小水溅出的距离和高度。

经过反复研究，我们成功研制出一种车轮防溅水套，它结构简单、轻便、安装拆卸方便，能够有效减少车轮驶过积水路面溅起的水，适用于各种车辆。

研究动机：
随着社会的发展，车越来越多进入百姓家庭成为代步工具，道路对各种车辆行驶区域进行了划分，中间是机动车道，两边是非机动车道，最外边是人行道。

正常情况下，机动车、非机动车和行人相互并不发生干扰，但在下雨后，路面有了积水，情况就发生了变化，机动车行驶速度最快，车轮溅起的水花会落到非机动车道上，如果这是恰好有非机动车经过，水将会溅到骑车人身上；同样，非机动车驶过积水路段，如果速度较快，车轮溅起的水花也会落到行人身上。

我们对这个问题非常感兴趣，想研制一种装置来解决上述问题。

图1 汽车车轮溅起的水花
图2 电动摩托车车轮溅起的水花
调查过程：
为什么车轮必须向外排水呢？带着这个问题我们开始调查。

经过认真观察，我们发现车轮是通过轮胎上的花纹向外排水，轮胎花纹的主要作用就是增加胎面与路面间的磨擦力，以防止车轮打滑，这与鞋底花纹的作用如出一辙。

轮胎花纹提高了胎面接地弹性，在胎面和路面间切向力(如驱动力、制动力和横向力)的作用下，花纹块能产生较大的切向弹性变形。

切向力增加，切向变形随之增大，接触面的“磨擦作用”也就随之增强，进而抑制了胎面与路面打滑或打滑趋势。

这在很大程度上消除了无花纹(光胎面)轮胎易打滑的弊病，使得与轮胎和路面间磨擦性能有关的汽车性能——动力性、制动性、转向操纵性和行驶安全性的正常发挥有了可靠的保障。

有研究表明，产生胎面和路面间磨擦力的因素还包括有这两面间的粘着作用，分子引力作用以及路面小尺雨微凸体对胎面貌一新微切削作用
等，但是，起主要作用的仍是花纹块的弹性变形。

图3 轮胎花纹排水示意图
图3所示，车轮在高速行驶过程中，将车轮前部的水挤压到车轮的花纹槽内，花纹槽的末端向车轮外侧延伸，受到挤压的水自然向车轮两侧喷溅出去，而且车轮的行驶速度越快，水就会喷溅得越高、越远。

分析过程：
轮胎既然是通过花纹来排水，如果把花纹去掉，是不是就能够解决这个问题了呢？
图4 在一级方程式赛车上使用的光头胎和雨胎
在一级方程式赛车上使用的光头胎在干的路面上抓地较好，可是一旦下起雨来，光头胎无法排水，轮胎与路面会形成一道水膜，使轮胎无法与路面接触，非常容易打滑而无法控制车辆；换上雨胎后，车轮能够较好地排水，轮胎能够有效地和路面接触，从而能够控制车辆。

这样看来，车轮必须有效地排水才能提高在积水路面行驶的安全性，轮胎的排水花纹不能减少或去掉。

我们观察到一个现象，车轮越过积水较浅的路面时，水花会飞溅到较远的地方，而车轮越过积水较深的路面时，水会在车轮两边形成漩涡，并不会飞溅出来。

经过分析，原来是因为在积水较深的路面，车轮排出的水飞溅到车轮两边的水中，能量被水吸收，形成漩涡；而在积水较浅的路面，车轮排出的水直接飞溅到空气中，由于空气的阻力远远小于水的阻力，因此会落到较远的地方。

图5 车辆越过深水时形成的漩涡
基本思路：
通过上面的分析我们知道，车轮排水是必须的，能不能让车轮排除的水改变运动的方向，或者说减少喷射水的能量呢？
我们做了一个实验，用不同的结构挡在水管的前方，检验哪种结构能有效地降低水流的速度，却又不会影响通过的水量。

通过实验我们发现网状结构和条纹
状结构的效果较好，高速水流通过网状结构和条纹状结构后，都会在该装置的后部形成螺旋状水流，水的动能降低了。

具体结构：
我们采用了条纹状结构，因为网状结构和路面接触容易磨损。

这个装置是一个和车轮直径相同的圆环状结构，圆环的外边缘采用了条纹状结构，材料可以是橡胶或者较柔软的塑料，圆环通过卡接方式安装在车轮外侧。

根据车轮大小，可配置各种规格的防溅水套，在干的路面行驶不会对车轮造成影响。

图6 车轮防溅水套外观及安装示意图
经过测试，我们研制的这种车轮防溅水套能够有效减少车轮驶过积水路面溅起的水，这种轮套耐磨损，无论是晴天还是雨天都不会影响车辆正常行驶，安装和拆卸都非常容易，适用于各种车辆（轮套的直径要和轮胎的直径相同）。