4.5 利用悬架调整车体的倾斜度

之前我们已经了解了转向时所需的汽车的要素,接下来我想讲解一下转向时汽车车身的状态。众所周知,转向时汽车的车身倾斜,偏向转角的外侧,用专业术语表述就是车身在横滚。那么汽车为什么会横滚呢?

这是因为汽车在转向时,侧偏力(之前介绍过)作用于轮胎,影响也波及到了汽车的悬架(图4.8)。转向时离心力面向汽车外侧发挥作用,它能够产生使汽车的重心在中心徘徊的力(旋转力量),在其影响下悬架伸缩,车身向外侧横滚。

转向时车身倾斜

图4.8 转向时车身倾斜
※旋转力量发生作用,致使悬架伸缩

悬架位于轮胎和车身之间,能伸能缩。它能够缓和路面凹凸的影响,提高汽车的乘坐舒适度。suspension翻译成中文是悬架装置,其实这个名字反而不好理解。

稍微离点题,说一下没有悬架的汽车。没有安装悬架的汽车就像游乐园里的玩具汽车,是最简单、最原始的汽车。玩具汽车具备发动机、动力传动系、转向系统、作为骨骼的车架(相当于车身)、轮胎和制动器,也能行驶、转向和停车。没有悬架,汽车也能跑。

但正是因为没有悬架,因路面凹凸引起的振动会通过车架或车身直接传递到乘客身上。乘坐玩具汽车时,乘客甚至会感到连眼球都在上下振动。

普通的自行车一般不会配备悬架,但近年来一些高价的自行车上也安装了悬架。您会发现,比起普通的自行车,配备了悬架的山地自行车乘坐舒适度更高。

同样,汽车安装了悬架,就能缓和由道路引起的振动,提高乘坐舒适度。在接下来的第5章中我还会详细讲解汽车的舒适性,这里就先跳过了。接下來,我想集中讲一下悬架的结构和它在转向时的状态。

悬架由弹簧减震器稳定器悬架摆臂衬套组成(图4.9)。其中,弹簧、减震器和稳定器负责在转向时调整车身的倾斜程度。

悬架的结构
图4.9 悬架的结构

弹簧中除了有旋涡状的螺旋弹簧外,还有重叠了若干弹簧片的钢板弹簧。无论哪一种弹簧都有弹性,都能通过伸缩来缓和振动。由于日常生活中有很多如沙发坐垫等使用弹簧的物品,我们也就很容易理解弹簧的作用了。

弹簧虽能缓和振动,但要停止振动需要一定的时间。如果在这次振动停止前又施加第二次振动,振动就会变得不规则,或者成倍增加。这样一来,汽车就很难平稳的行驶。实际驾驶时您肯定也觉得汽车不振动时比较平稳,也能安心驾驶,汽车也不容易左摇右晃。

因此就需要用到边缓和来自路面的振动边迅速吸收振动的减震器(也叫缓冲器)。

在减震器内部,有加入油液的气缸和开有窄小的孔隙的活塞。弹簧的振动带动活塞上下运动,其中的油液会穿过活塞的孔隙。孔隙窄小,产生阻力,就能迅速缓和弹簧的振动(图4.10)。

减震器的结构

图4.10 减震器的结构
※活塞下压时油液会从小孔喷出

然而,平衡弹簧的硬度和减震器的振动吸收性(减震)是相当困难的。如果弹簧过硬,减震器的减震效果过强,就无法充分缓和道路凹凸的影响。相反地,如果弹簧过软,减震器的减震效果过弱,振动就会“经久不息”。

转向时这一平衡就更难实现了。转向时,弹簧和减震器也有抑制车身倾斜(横滚)的作用。为抑制横滚所做的功越多,弹簧和减震器的平衡就越复杂,调整起来也更加困难。这时就要用到稳定器

稳定器只有一个作用,就是在转向时抑制车身的倾斜。它仅由一根铁棒构成,两端连在左右悬架上(图4.11)。

稳定器的结构

图4.11 稳定器的结构
※当左右轮胎有上下差时,稳定器就会扭转,抑制车身的横滚。

当汽车直线行驶时,稳定器“保持沉默”。当左右轮胎越过路面的凹凸处时,稳定器只是随着左右悬架的运动上下运动。但当汽车开始转向、车身即将倾斜时,稳定器就登场了。在转弯处车身倾斜时,左右悬架上下反向运动。这是因为转弯处外侧的悬架在收缩,内侧的悬架在扩展。这样一来,稳定器这根铁棒就发生了扭转,借助其阻力抑制车身的横滚。

依靠稳定器,弹簧和减震器能够集中缓和因路面凹凸不平引起的振动。但实际上,弹簧、减震器和稳定器并没有明确的分工。汽车生产商们都试图实现它们的联合,使这三者共同发挥作用。

为了能够顺利转向,在转弯处调整好车身的倾斜程度是十分重要的。恰到好处的车身倾斜会增大轮胎的抓地力,使汽车易于转向。

车身在转角处倾斜,使得汽车的重量偏向里侧的轮胎。因为此时汽车的重量在向里偏移,所以我们称之为负重转移

与此相同,人在倾斜身体的时候体重也会向倾斜的方向偏移。对于此时的汽车来说,里侧的轮胎承受了更多的车身重量,抓地力也就增大了。也就是说,由于承受了更多的车身重量,里侧的轮胎更能够紧抓地面、支撑汽车。之前我讲过,与只把橡胶底的鞋单独放在斜坡上相比,人穿上鞋给鞋施加体重后更不容易打滑。两者同理。

虽说如此,但车身也不能过度倾斜。这是因为车身的过度倾斜可能会使外侧的轮胎悬起来。看到这里,可能您就会纳闷,如果会发生这样的情况,那汽车的其他轮子都有什么作用呢?为什么会有四个轮子呢?

外侧的轮胎会悬起,这是因为当车身过度倾斜时,里侧的轮胎会产生很大的变形。轮胎一变形,车身重量就仅仅集中在了轮胎触地面的外围,使得轮胎的触地面发生偏移,面积变小。触地面积越小,抓地力也就越小,即轮胎不再能够紧抓地面。人的脚也是一样,利用脚腕用整个脚掌支撑身体时,力量更强大。

您可以想象一下,车身在转角处横滚时,轮胎处于怎样的状态呢?您是不是觉得它们也在和车身一起倾斜呢?

转向时如果轮胎倾斜,其触地面也会发生偏移,使得轮胎与路面的接触面积变小。这样一来,抓地力减小,轮胎抵抗离心力、支撑汽车的力量也会减弱。而为了能够快速安全地转向,我们都不希望抓地力减小。因此最理想的状态就是,转向时仅汽车车身倾斜,而轮胎仍垂直于路面。尤其是希望里侧的轮胎保持垂直状态,因为在转弯处车身横滚时,里侧轮胎承受了很大的负担。

悬架摆臂就实现了我们的愿望。它由铁棒和铁柱组成,连接车身和轮胎。最近还出现了使用比铁轻的铝等材料制成的悬架摆臂。

悬架摆臂有多种配置方式,这里我就以由上下两根铁棒支撑的双叉式为例,介绍转向时轮胎仍能直立的原理。这是因为双叉式分工明确,易于理解悬架的原理。此外还有连杆支柱式和多连杆式。

在装有轮胎的轮毂(车轴)上,上下各有一个悬架摆臂(图4.12)。仔细观察双叉式就会发现,其上下摆臂的长度不同。当车身倾斜时,正是这对长度不同的上下摆臂使轮胎直立。

悬架摆臂与横滚的关系

图4.12 悬架摆臂与横滚的关系
※上下悬架摆臂的长度不同,使车身在横滚时轮胎仍能直立。

您可以以悬架的运动为中心,考虑一下汽车车身向里侧倾斜的状态。当车身倾斜时,里侧的轮胎靠近车身,而外侧的轮胎远离车身。如果换个视角从悬架看的话,就会发现里侧的轮胎向上移动,而外侧的轮胎向下移动。

轮胎的上下移动进一步加大了上下悬架摆臂的长度差。由于上下摆臂的转动轨迹不同,装有轮胎的轮毂角度也就不同。

让我们来看一下摆臂的轨迹是如何变化的(图4.13)。您可以把图中的两个大小不同的圆的半径分别看作上下悬架摆臂的长度。在转角处轮胎上下移动时,两个悬架摆臂也上下移动了相同的距离。但由于两个圆的半径不同,它们的横向移动量也就不同。这就使得连接悬架摆臂的线的角度发生了变化,即轮毂的角度发生了变化,轮胎就倾斜了。

上下悬架摆臂的轨迹

图4.13 上下悬架摆臂的轨迹
※上摆臂的轨迹是半径小的圆,下摆臂的轨迹是半径大的圆。上下移动距离相同,但横向移动距离不同,使得轮胎能够直立。

回看一下我们会发现,悬架摆臂处于倾斜状态。如果调整轮胎角度(从倾斜的悬架摆臂看)和路面的关系,我们从外界就能看到轮胎处于与地面垂直的状态。如何设定上下悬架摆臂的长度,以使在转弯处汽车车身倾斜时,里侧的轮胎仍与路面垂直,就是悬架设计者的工作。

您可以观察一下正在转向的汽车轮胎。如果里侧的轮胎与路面垂直,那么这辆汽车就能平稳地转向,也就是一辆具备了优秀操作系统、性能稳定的汽车。相反,如果您看到汽车在转向时轮胎与路面之间有斜角,那么就可以说这辆汽车在转向时缺乏稳定性。

之所以在转向时轮胎仍能垂直于路面,就是因为增加轮胎的触地面能够增大抓地力。但实际上,轮胎的变形会减小其触地面积。

在本章的开头我讲过,轮胎是由橡胶和纤维等易变形的材料制成的。轮胎的触地面会因变形而变得平坦。同样,转向时轮胎也会因离心力横向变形,使得轮胎触地面的形状和面积发生变化(图4.14)。

悬架摇臂与横滚的关系

图4.14 悬架摇臂与横滚的关系
※直行和转向时变形的方向不同,触地面的形状也会发生变化。

虽然轮胎多少有些差异,但汽车停止和直行时,轮胎触地面的形状大体上都是四边形。如果在实验中将路面的一部分换成玻璃,从玻璃下方观察轮胎在通过时的情形就很容易发现这一点。

转向时四边形的轮胎触地面会横向变形,形成三角形。仅看从四边形到三角形的变化,也能理解触地面积的减小。

触地面减小,相应地抓地力也会减小。因此在即将转向时就必须降低车速,防止离心力过大。转向时车身倾斜,由于负重转移,车身重量会集中在里侧轮胎上,增大抓地力。但当触地面积减小时,抓地力的界限也会相应地变小。

转向时如果整个轮胎都倾斜,其触地面的变形程度就会增大,轮胎的触地状态就会变差,从而导致抓地力大幅减小。

如果转向时车身过度倾斜,轮胎触地面的形状就会从四边形变成三角形,这会导致抓地力减小。因此在赛车比赛中,车身在转向时几乎不倾斜。

在小型汽车领域,汽车生产商们也在进行技术开发,旨在防止轮胎触地面的形状发生太大的变化。其中之一是将轮胎设计成左右不对称的形状。我们都知道,轮胎左右形状对称早已约定俗成。但最近出现的轮胎里侧和外侧的变形方式不同,呈现左右不对称的形状。这就使得汽车在转向时即使车身倾斜,触地面也很难发生变化。这样一来,转向时轮胎抓地力的减小幅度就不会很大,汽车就能以更快的速度平稳转向。

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