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图4.5 轮胎的摩擦圆※表示轮胎的摩擦极限。路面状况的变化会引起摩擦圆大小的变化。
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当汽车直线行驶时,抓地力用于加速或减速,其大小程度可以直至纵轴与摩擦圆的上下交点。当汽车在即将达到极限向右转向时,可以将力增加到横轴与圆的右交点。但此时横轴上上下方向的速度变成了0,汽车就走不动了。这当然是不现实的,因此在实际行驶中是不能把抓地力全都分配给抵抗离心力的力(侧偏力)的。
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那么,既不在摩擦圆的横轴上也不在纵轴上是什么意思呢?我们假设圆周上45度倾斜处的黑点表示可以将抓地力同时用于行驶和转向的界限,它是指汽车在边转向边行驶时,抓地力分别用于速度和抵抗转向离心力的界限。通过决定靠近上半部分还是靠近左右部分,在行驶速度优先和抵抗转向离心力优先之间进行选择,以调整抓地力的分配。
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高速行驶时,当靠近摩擦圆上半部分倾斜一些的位置时,抓地力优先用于速度,抵抗离心力较大部分的就所剩无几了。因此,此时只能在离心力较小的缓弯处顺利转向。
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当靠近圆的横方向时,抓地力优先用于抵抗离心力,此时汽车即使在离心力很大的急转弯处也能顺利转向。但由于分配给速度的力很小,因此汽车只能缓慢行驶。
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但如果轮胎超出了摩擦圆,就很容易打滑,汽车就可能飞离路面。以上都是汽车在即将达到极限时利用抓地力的情况,而平时汽车都是在远离极限的圆内侧行驶的,因此轮胎打滑造成交通事故的情况少之又少。
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但当路面状况发生变化时,轮胎就会容易打滑。如在下过雨的道路、未经铺砌的沙土路和冬天的冰雪路上行驶时,抓地力的极限就会变小,如图4.5中右侧的摩擦圆。如果此时汽车的行驶速度还与在干燥路面上的行驶速度相同,就会超出摩擦圆所示的抓地力的限度。因此在容易打滑的路面上,无论是加速还是转向都要慎重。
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4.3.5 抓地力的作用方法在前轮和后轮上有所不同
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之前讲解抓地力时,我并没有区分前轮和后轮。但实际上,抓地力在前轮和后轮上的作用方法是不同的。
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为了使您容易理解汽车的基础知识,本书是以只将驱动力传递到后轮的后轮驱动车(FR)为例进行讲解的。在后轮驱动的汽车中,发动机的旋转被传递至后轮,驱动力也只在后轮轮胎上发挥作用。与前轮相比,后轮在摩擦圆上下方向上耗费的力更大。例如当汽车以接近抓地力极限的高速行驶时,如果驾驶员突然踩下加速踏板,将更大的驱动力传递至轮胎,后轮承受的力就会超出摩擦圆。在急加速等情况下轮胎的空转就是这种状态。
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当然了,后轮驱动车的前轮也会在摩擦圆的上下方向上耗费一定的力。这是因为前轮虽然只是在旋转,但它会因后轮的驱动力与车身一起向前移动。正是因为向前的驱动力发挥作用,前轮才会在摩擦圆的上下方向上耗费力。
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汽车加速时,后轮耗费了很大的驱动力,此时前轮上还残留着一部分抓地力,但后轮上的抓地力已经基本没有了。虽然速度不是很快,但由于加速时要耗费很大的驱动力,抓地力也就所剩无几了。
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因此,当驾驶员在转向时突然大幅踩下加速踏板,会瞬间增大后轮的驱动力,导致后轮轮胎超出抓地力的极限横向打滑。此时汽车会因后轮的横向打滑像陀螺一样开始旋转,虽然不像无法彻底转向时那样会飞离路面,但最终也会导致汽车偏离道路。
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4.3.6 前轮驱动和后轮驱动利用抓地力的方法
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前轮驱动车(FF)和4轮驱动车(4WD)两种车型是给前轮追加驱动力,因此如何在摩擦圆中分配使用抓地力就变得更加复杂。
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大部分人驾驶的汽车都是前轮驱动车。发动机的旋转力传递至前轮,由前轮接受驱动力驱动汽车前进。并且驾驶员能够通过操作方向盘改变前轮的方向,实现汽车的转向,后轮只跟随汽车行驶。
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前轮在前轮驱动车中的作用要大于其在后轮驱动车中的作用。前轮驱动车中的前轮身兼数职,例如支撑汽车的重量,转向时改变方向,利用轮胎触地面的弯曲产生侧偏力,以及借助驱动力驱动汽车等。
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读到这里您大概会担心:轮胎的抓地力是有限的,前轮驱动车的前轮能够承担这么多角色吗?它比起后轮驱动车会更快地超出抓地力极限,不就会打滑了吗?
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在寻找答案之前,您可以先回想一下橡胶的特性。把橡胶底的鞋单独放在倾斜的木板上时,鞋会从某处滑下,而出乎意料的是当人穿着鞋站在同一块倾斜的木板上时就不会往下滑。这是因为给橡胶加重时会增加橡胶的贴合力,也就意味着抓地力增大了。
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在前轮驱动车中,汽车前端的发动机周围聚集了加速器和差速器等动力传动装置,这就给前轮轮胎施加了很大的重量。前轮轮胎的抓地力因此增大,即使增加了控制方向和驱动汽车的负担,也能够安全转向。
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然而正如我在第2章介绍飞轮时讲过的那样,重物一旦开始运动就很难停止。这一基本原则也适用于轮胎的抓地力。
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在前轮驱动车中,当承受着巨大重量的前轮轮胎超过了抓地力的极限开始打滑时,往往无法停止。因此前轮驱动车很容易因速度过快而无法正常行驶。所以,注意轮胎的抓地力极限,保证汽车在安全的速度内行驶是至关重要的。
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那么4轮驱动车又是怎样的呢?在4轮驱动车中,发动机的旋转力被平均分配到前后轮。前轮驱动车的前轮承受着巨大负担,但在4轮驱动车中前轮的负担减轻了。由于4轮驱动车是同时借助前后轮胎保证汽车平稳前进的,因此也就能均衡分配轮胎的抓地力。
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4轮驱动车之所以在易打滑的未经铺砌的道路上威力十足,就是因为驱动汽车的力不是作用在前轮或后轮的任意一方,而是能够利用四个轮子全部的轮胎抓地力。
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