4.2 借助轮胎的变形和弯曲转向

汽车通过改变前轮的方向开始转向。此时为了使汽车顺畅、平稳地转向,还要做些努力。差速器和悬架也发挥了重要作用,但在介绍这些装置之前,我想先讲解一下轮胎。

轮胎由橡胶和纤维等具有柔软性的材料制成,而柔软性在转向时意义重大。借助转向系统改变方向的前轮轮胎,由于其柔软性会有些许的变形。这种“变形”就是汽车转向时的“点睛之笔”。

轮胎由橡胶和纤维制成,中空(照片4.1)。中空部分充满了高压空气,以小型汽车的轮胎为例,其中空部分空气的压力可以达到我们所生活的地面气压的2~2.5倍。轮胎的表面膨胀起来,用手指按压时也会觉得相当坚硬。但另一方面,轮胎也有柔软性。承载着1吨多重的汽车的轮胎,也会因负重而变形。这种变形就体现了轮胎的柔软性。正是因为具备了柔软性,轮胎才能在转向时改变形状。

轮胎的剖面图

照片4.1 轮胎的剖面图
※中空。照片由普利司通轮胎公司提供。

没有轮胎的变形和弯曲,汽车就不能自由转向。让我们来回想一下19世纪汽车刚刚诞生时的景象。当时的汽车使用的车轮并不是现在这样的轮胎,而是保留着马车车轮的特点,在木质圆环外包裹上薄铁皮的车轮。虽然只要提高发动机的性能,使用这种车轮也能加速,但想要停车时却迟迟无法减速。大家都知道,如果不减速,汽车就无法顺利转向。因此当时的汽车时速至多只有几十km,与马车的速度相差无几。直到19世纪末诞生了充满空气的轮胎,汽车的速度才有所提升。因此,在轮胎出现之前,汽车都无法安全地急刹车,也不能快速转向。

让我们来详细了解一下轮胎的“变形”和“弯曲”,看看它们是怎么帮助汽车顺利转向的。首先看一下轮胎的变形。

仔细观察一下处于静止状态的汽车轮胎就会发现,与地面接触的部分变形而且有些压瘪了(图4.2)。即使在汽车发动时,变形也依然存在。

汽车的轮胎和火车的车轮

图4.2 汽车的轮胎和火车的车轮
※轮胎的触地面变形形成面,而火车的车轮与铁轨的接触部分是点。

轮胎与道路的触地面因变形而接近于四边形。实际上轮胎生产商们也做过实验,他们将路面的一部分换成玻璃,以便能从玻璃下方观察到轮胎碾过时的情况,结果确实发现轮胎的触地面呈四边形。

小型汽车轮胎触地面上的四边形大致相当于明信片或手掌大小(图4.3)。由橡胶和纤维等柔软材料制成的轮胎,因其柔软性在车体的重量压迫下变形,从而在轮胎和路面之间形成手掌大小的触地面。

轮胎的触地面面积相当于手掌或明信片的大小
图4.3 轮胎的触地面面积相当于手掌或明信片的大小

火车的车轮是铁制的,因此在与铁轨的接触点上不会变形*1。车轮与铁轨的接触部分横看是点,但从下往上看时就会发现是一条线。因此,从与路面的接触部分来看,轮胎呈现四边形,而铁制车轮则呈一条线,这就是两者的不同之处。

*1 极少数的火车也会使用轮胎,例如札幌市营地铁就使用橡胶制成的轮胎。与铁制车轮相比,它的加减速更加容易,爬坡能力强,还能节省养护成本,没有噪音,乘坐舒适度也很高。但由于火车比汽车重得多,甚至能达到几十吨,轮胎的橡胶很容易磨损,这是其很明显的缺点。之后,东京的“红嘴鸥”等新型城市的交通中也使用了轮胎,但因车体上下振动,其乘坐舒适度未必很高。

与火车车轮与铁轨相接形成的“线”相比,轮胎的“面”更能保证汽车高速行驶、安全转向、顺利停车。

轮胎能够根据实际情况在很多方面充分利用触地面。例如当汽车直线行驶时,轮胎从触地面的前方与地面接触,向触地面的后方“驱赶”路面,从而使汽车前进。同时,为了不让汽车横向偏离,轮胎借助触地面的两边紧抓路面。当汽车转向时,轮胎借助触地面的外侧紧抓路面。这样看来,轮胎并不总是同时利用四边形触地面的全部,而是会通过利用某一个或某几个面,帮助汽车自由行驶。

如果以人们如何使用脚掌内侧为例解释这一状态,或许就更好理解了。无论是走路还是站立,都无需使用整个脚掌内侧,而是靠脚掌内侧的一部分站立或者走路。走路时也好,跑步时也好,都是通过脚后跟着地、用脚尖“驱赶”路面来前进。不经过长期训练是无法像芭蕾舞演员一样只用脚尖站立并能自由行走的。

火车的车轮与地面接触的部分不是面而是线,但因其是沿着轨道行驶,也就能够安全地前进、转向和停车。然而火车车轮一旦脱轨,其行驶就无法得到有效控制,将直接导致事故的发生。

接下来我将解释轮胎的“弯曲”。大家或许会觉得,转动方向盘时会改变前轮的方向,汽车自然就会转向。当然,情况也确实如此。

但当汽车的速度达到时速100km时,驾驶员就无法仅靠改变前轮方向来实现汽车向既定方向的转向。如果不能抵抗离心力支撑不住汽车,就无法彻底转向,甚至会飞离路面。火车是由铁轨承担支撑作用的,而汽车没有铁轨,只能依靠轮胎的“弯曲”发挥支撑作用。

轮胎的弯曲发生在由于轮胎变形形成的四边形触地面上。举个常见的例子,当您把手掌压在桌子上,弯曲手腕改变手的方向时,会觉得手掌有扭歪感。这就类似于轮胎在触地面上产生的“弯曲”。

这种弯曲会在汽车转向时产生很大的力量,我们将这种力称为侧偏力(图4.4)。

轮胎的弯曲产生侧偏力

图4.4 轮胎的弯曲产生侧偏力
※轮胎在转向方向和直行方向之间产生弯曲,这种弯曲生成了侧偏力。

汽车转向时,侧偏力用于抵抗离心力。当侧偏力小于离心力时,汽车就无法彻底转向。

转向时驾驶员转动方向盘以改变前轮方向,此时轮胎就会向着前轮的朝向改变路线。同时,之前一直在推动汽车直线行驶的力仍在发挥作用。轮胎受到直行的力和转向的力的相互作用,会向两者的中间方向移动。

实际上,此时的轮胎是在直行方向和转向方向之间产生了“弯曲”。之所以会弯曲,是因为轮胎的触地面因橡胶的抓地力紧贴着路面,就像把手掌压在桌子上一样。轮胎弯曲时会产生试图恢复原状的弹力,这种弹力进而成为侧偏力以抵抗离心力。

速度越慢轮胎的弯曲程度越轻。当汽车缓慢行驶时离心力就不会发生作用了,这时只需改变轮胎方向就能实现汽车的转向。当汽车稍稍加快速度在时速30~40km的情况下转向时,弯曲程度也很轻,但也需要超过离心力的侧偏力,利用弯曲产生侧偏力支撑汽车。

随着速度的加快,离心力也越来越大。直行的力和转向的力越大,轮胎的弯曲程度也就越重,从而能够产生更大的侧偏力抵抗离心力。

正是因为轮胎的变形,触地面上的弯曲才能产生侧偏力。并且,轮胎能够变形和弯曲,也是因为轮胎是由橡胶和纤维制成且内部充满了空气。

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