常年奔波于高速路上的司機們對于汽車有著自己的一套評測標準,其中之一便是“不能發(fā)飄”,那為何汽車會發(fā)飄呢?這又涉及非常多的方面,牽扯到不少物理學和流體力學的知識,簡單歸類來說,主要體現(xiàn)在這幾個方面:汽車懸掛調校、輪胎的性能、空氣動力學、汽車整體重心位置。
而很多老司機所謂的“車越重越穩(wěn)”其實是不準確的,這里的“穩(wěn)”并不是我們現(xiàn)在所談的穩(wěn)定,而是因為一些豪華品牌的“重車”將路面的顛簸過濾得很柔順,從而給你一種主觀上的安穩(wěn)感罷了。
舉個簡單的例子,同是2013款的上汽大眾帕薩特和廣汽本田雅閣,公平起見我們都選擇了主流排量中的最高配車型,2014款2.0TSI DSG至尊版帕薩特整備質量為1550 KG,同時代的第九代本田雅閣2014款2.4L EXN 豪華導航版整備質量為1555 KG。
一直被吐槽皮薄有三脆的雅閣要比德國良心的大眾帕薩特還要重上5公斤,但實際高速體驗下來,帕薩特給人的穩(wěn)定感要明顯好于雅閣,自然而然人們就以為帕薩特要比雅閣重很多,而事實卻恰恰相反,可見重量更重的未必就一定更穩(wěn),這是一個常見的誤區(qū)。
我們將汽車穩(wěn)定性的影響因素從嚴重到輕微依次排列,首當其沖的就是汽車懸掛的調教特性。
它是對汽車穩(wěn)定性影響最大的因素,大部分你感覺高速開起來不穩(wěn)的汽車都是拜它所賜,底盤懸掛部件的材質剛性和幾何結構設計各占一部分因素,我們這里著重講一下后者。
不可小覷的幾何結構
汽車轉向的時候為了保證四個輪子都在純滾動而不打滑就需要保證內外側兩個輪子的軸心線相交于轉向面方向上的一個點,如下圖:
圖中黃點就是內外側兩個車輪的軸心線相交位置,這是理論上最完美的轉向,四個人輪子不發(fā)生任何打滑,而為了讓兩條軸心能相交,就必須保證內外側兩個輪子的偏轉角度不相同!試想一下如果內外側的輪子偏轉同樣的角度,那么兩條軸心線就會平行永遠不會相交,此時可以轉彎嗎?也是可以的,只是內側車輪會不停地產生打滑,磨損輪胎,這樣你的車轉不了幾個彎就得先換輪胎了。
那么如何讓內外側車輪按照一定比例轉不同角度呢?于是汽車工程師發(fā)明了“梯形轉向系統(tǒng)(Ackermann steering geometry)”它是由汽車的前橋、左轉向節(jié)臂、右轉向節(jié)臂以及轉向橫拉桿組成,由于橫向拉桿設計得比前橋要短一些,所以看起來就像一個梯形結構,顧得此名?;氐缴蠌垐D紅圈位置就是該結構。
因為此時車輛在左轉,“梯形轉向系統(tǒng)”發(fā)生了形變,產生的效果便是讓內側車輪的偏轉角度大于外側的車輪,使得汽車過彎能夠更加順滑穩(wěn)當。
當然這一切都是理論層面的東西,要真能實現(xiàn),輪胎就不會磨損了,也不會存在漂移這種耍帥動作了。不得不面對的現(xiàn)實就是目前所有的梯形轉向結構都無法保證在所有角度下內外側車輪的軸心線都能重合。
而且即使技術上讓梯形機構無限接近完美,在現(xiàn)實中車輛轉向時還會產生一股側力,這股力會打破梯形轉向系統(tǒng)完美的結構,這股側力還會使得內外側車輪的外傾角發(fā)生變化。
如果大家對外傾角比較陌生,這里給大家簡單介紹下,外傾角是指車輪在安裝后,輪轂面的向外傾斜,也就是車輪所處的平面和垂直平面間形成的夾角,我們在汽車姿態(tài)改裝中??吹剿追Q的“外八字”就是負外傾角的體現(xiàn),那么反過來內八字就是正外傾角的體現(xiàn)了。
回到轉向上來,車輛轉向時會對內外側車輪施加一股側向力,此時內外側車輪的外傾角變化肯定就不同了,這種時候車輛姿態(tài)會發(fā)生兩種情況——轉向不足(俗稱推頭)或者轉向過度(甩尾),這是可以人為進行調教展現(xiàn)出不同特性的。
汽車轉向的速度越快或是車身越重那么這股側向的力也就越大,內外側車輪的外傾角變化情況就越嚴重,車就越容易產生推頭或是甩尾,反應到人的感受上就越不穩(wěn)。
第一接觸面的重要性
影響汽車“飄不飄”的第二大因素就是輪胎的性能,輪胎作為汽車和地面唯一的接觸面,所有的路面信息都是通過輪胎傳遞到車身、座椅上的屁股乃至方向盤上的雙手,一輛車開起來發(fā)飄與否和輪胎的抓地力有很大關系,為什么一些汽車你開起來會由衷地贊嘆有種咬著地面的錯覺呢?這就是輪胎強大抓地力的體現(xiàn)。
輪胎的抓地力強弱其實就是摩擦力的強弱,摩擦力=壓力X摩擦系數(shù),輪胎上的壓力來自于汽車上的荷載,也就是車本身自重加上我們乘坐人員的總重量,摩擦系數(shù)則是雙向考慮的,輪胎本身的抓地力系數(shù)以及路面的質地所共同來決定。
先說路面因素,國內的大部分高速公路都從早期的混凝土路面重新鋪設為瀝青路面,這是因為瀝青具有良好的彈性和塑形能力,輪胎在瀝青上面滾動能更好地附著,自然摩擦力就更大。再者混凝土路面并不耐用,容易被超載的貨車壓變形也更容易吸附灰塵,一方面清潔麻煩,另一方面塵土堆積后也會讓輪胎降低抓地力,引發(fā)危險。
輪胎方面影響因素也很多,首先就是材料配方,柔軟的輪胎更易變形貼合路面,自然摩擦力會更大,其次是胎寬,輪胎越寬接地面就越大,同理摩擦力也就更大。
另外花紋也對于摩擦力有影響,原則上沒有花紋即賽事中常見的“光頭胎”的摩擦力是最大的,但是一旦淌水,由于缺乏花紋導水槽,胎面將直接浮于水面瞬間失去抓地力,這點大家很容易想象得到,所以要想自己的車高速行駛時更加平穩(wěn),更換一套更軟,尺寸更寬的輪胎會有一定幫助。
下壓力的秘密
第三點影響因素就是汽車的空氣動力學,由于我們討論的汽車發(fā)飄現(xiàn)象是僅針對于家用車和普通人的,所以我將流體力學的因素放在第三位,如果是賽車乃至一級方程式范疇的話,這個因素完全可以上升到第一位,如今的F1賽車如何玩轉好下壓力是能否奪冠的重要因素之一,甚至比壓榨發(fā)動機極限更優(yōu)先。
民用車方面也會運用到空氣動力學,但因為交規(guī)限速的存在車速不會很高,空氣動力學的運用更多是為了降低風阻,減小撞風面,從而最終降低油耗。摩擦力公式中的系數(shù)我們可以通過升級輪胎來提升,而壓力的提升就需要依靠空氣動力學設計了(雖然也可以通過滿頭大漢和男上加男來增重,但不利于過彎稍后會提到)。
汽車本身的造型是上表面凸出而下表面平整的,這點和飛機的機翼非常像,屬于典型的升力造型,這對于需要四輪著地高速行駛的汽車而言非常不利,此時需要做的是如何阻止升力和創(chuàng)造下壓力。
根據(jù)空氣動力學基礎定理之一的伯努利定理:“流體在通過時截面變小則流速增大,靜壓減??;反之流速減小,靜壓將增大。”針對空氣簡單來說流速越大的地方,其壓強越小,反過來流速慢的地方則壓強大。飛機機翼就是利用了伯努利定理的典型例子:
汽車的造型和機翼非常相像,所以也會產生一定的上升力,此時我們就需要在車體上增加一些倒置機翼的東西來抵消這部分上升力,最常見的便是賽事以及街道改裝車上的大尾翼,它就是一個經典的倒置機翼配置。
賽車上還會在前唇和尾部設置一些俗稱“風刀”的改裝件,目的一樣都是為了增加汽車的下壓力。
一些性能車的尾部還設置有名為“擴散器”的東西,這里提個有趣的現(xiàn)象,一些車迷甚至是媒體人在聊到擴散器的時候喜歡說是為了讓底盤更平整讓空氣流通的更順暢,這完全是錯誤的認知。
還記得機翼的形狀嗎?底部平滑會讓空氣流速更慢,壓強更大,產生更大的升力!有機會找輛裝有擴散器的車在尾部蹲下來瞧一下你會發(fā)現(xiàn)擴散下面不僅不是平整的,還會有一道道的凸起,一直延伸至后保險杠形成一個格格的管道形狀,這是依照伯努利定理,讓空氣流通的截面變小,讓流速變快壓強變小,在F1上的擴散器吹出空氣甚至能精準的掃到尾翼下端,我們知道尾翼下端的空氣流速快于上端,這樣一合并讓下端流速更加快,提高尾翼的下壓效率。
但這些都是針對前面撞風時考慮的裝置,如果是橫向側風的話,意義就不是很大了,車輛高速行駛時遇到橫向側風時切記放慢速度,此時車輛極易發(fā)飄,所以在空曠地帶例如跨海大橋上都會設置較低的限速以及注意側風的警示牌,另外由于SUV的側面迎風面積要比轎車更大,遇到橫向側風時發(fā)飄的感覺更明顯,盲目追求的車重在強風面前其實沒什么用,該飄還是會飄。
下盤夠穩(wěn)過彎夠快
汽車重心的位置也影響著車輛高速的穩(wěn)定性,這點比較好理解,車輛重心越低在迎面撞風和遭遇側向橫風的時候能更好地保持穩(wěn)定一些。另外從深層次來討論重心低的好處,還主要體現(xiàn)在車輛轉彎時的荷載轉移迅捷。
平路直線行駛時重心位置越低越穩(wěn),這就好比形容一個人下盤穩(wěn)一樣,頭重腳輕總給人一種隨時會倒的錯覺,重心不僅要低還需要在車輛中間位置最好,很多品牌喜歡形容自家偏重性能的車型擁有前后50:50的配比重,就是想突出這點。
當汽車過彎時原本平均(可能根據(jù)驅動形式分布,這里以理論的理想化作比喻)分布于四個輪子的荷載逐漸轉移向外側車輪,如果彎前還使用剎車了的話,大量荷載會轉移到外側前輪之上,如果車輛的重心位置越高,那么轉移到外側車輪的荷載量就越多,最直觀的感受便是你會發(fā)覺車輛很笨重轉個彎很慢,玩車的朋友會解釋為:“重心轉移慢,車輛反應不夠靈活”,所以重心越低,轉移到外側車輪的荷載量就越少,轉彎的反應就更迅捷,感受到的側傾就越少,車輛也就更平穩(wěn)了。
這里也舉個簡單的例子,豐田的86/斯巴魯?shù)腂RZ為什么會被評為最據(jù)駕駛樂趣的跑車之一就是因為這臺水平對置的引擎由于可以臥著放,重心很低,所以轉彎時的荷載轉移量小,反應可以非常迅速,讓你更快去攻彎。
缺乏嚴謹易誤導
從四個影響車輛“發(fā)飄”的因素上深入淺出的說了那么多,回到汽車發(fā)飄這個話題,重新再申明下“汽車越重越穩(wěn)”不能說全錯,但肯定是不準確的,主要還是看這輛車在“懸架幾何結構、輪胎選擇、空氣動力學以及車輛重心”等上的表現(xiàn),但有一點是明確的:車越重,過彎就越差!
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