汽车起步时,为什么车屁股会陷下去?

2018-01-23 140 0

汽车在起步时车尾发生下沉可谓是生活中非常常见的现象,但是你知道为什么车尾会下沉吗?可绝不是“重心转移”这么简单哦。天气逐渐转冷,不如借机来踢车帮get一些冷姿势吧。

如果你看了这篇文章之后再去马路上仔细观察一下,你会发现前驱车往往在起步时屁股下沉程度比后驱车更大。或者你回忆一下,刚拿到驾照那会儿有没有忘了松开手刹就把车开上马路过,如果当时你不至于紧张到什么事情都想不起来的话,那么你一定会注意到,拉着手刹起步时车尾下沉幅度会比平时更加明显。

正在学牛顿第二定律的高中生都可以轻而易举地解释到,这种现象的发生是因为汽车重心在起步的时候产生反向惯性力(姿势水平更高的大学生会称之为达朗贝尔惯性力),以前轮胎与地面接触点为支点产生一个力矩,压迫后悬架,从而使车尾发生了下沉的现象。这个原理不难理解,所以不少人认为这就是造成车尾下沉的主要原因从而终结了这个问题。

左:达朗贝尔 右:牛顿

 但实际上,“重心转移”只是造成车尾下沉的原因之一。以前后轴质量比接近50:50的宝马320Li为例说明“重心转移”的效果:轴距L为2810毫米,重心高度h取450毫米,载一人满燃油情况下重量m取1600千克,起步加速度a取2米每秒方(若保持此加速度百公里加速约13秒)。

将起步瞬间简化为静态过程进行受力分析,对前轮胎与地面接触点取力矩,并忽略车轮的惯性阻力偶矩。由重心所受反向惯性力产生的力矩为T1=m*a*h=1600*2*0.45=1440牛,后悬架为克服此力矩需要多承担的垂直作用力为△Fr=T1/L=1440/2.81=512.4牛,相当于一个体重50公斤的女生站到了两侧后悬架正中之上。


动作有风险,模仿需谨慎

为什么我以320Li举例,当然因为它是后驱的,所以不会牵扯到我们即将讨论的第二个因素。刚刚前文中提到,前驱车往往在起步时屁股下沉程度比后驱车更大,这是因为除去“重心转移”之外,前驱车比后驱车的后悬架多承受了一个由悬架构造引起的作用力。

经常听夏东老师讲底盘的朋友肯定对悬架构造不会感到陌生(如果感到陌生,还不快去补课!)。后悬架类型有许多,但在前驱车型上最常见的还数扭力梁和多连杆这两种形式。无论是扭力梁还是多连杆,我们都能在轴承支架(俗称后羊角)前方找到一根与车体相连于点O的纵向控制臂,车轮连同轮毂连同后羊角可围绕点O做上下运动。

接下来我们分析车轮与地面之间的纵向受力情况。前驱车嘛,前轮是驱动轮,轮胎受到地面的作用力向前(驱动力);后轮是从动轮,轮胎受到的地面作用力向后(阻力)。既然后轮受到向后的作用力,而且簧下质量还会产生一个加速阻力,那么肯定就会产生两个围绕O点旋转的力矩,为了抵消这两个力矩,后悬架不得已被压缩。

假设有台车与320Li的参数完全一样,只不过后驱改为前驱,后悬架变成前驱车常见的多连杆式结构。首先要考虑后轮受到来自地面的阻力。准静态情况下,阻力等于垂向力乘滚阻系数。但滚阻系数难以确定,按照经验公式选取该系数为0.01,计算得每个后轮在起步时受到的滚动阻力为42.8牛。在计算过程中,可将车辆的后悬架简化成下图所示的力学简图。

单侧簧下质量取55kg,由于簧下质量在加速过程中产生的惯性反作用力,加之地面对后轮施加反向阻力,因此通过纵臂对后悬架多施加的作用力约为135.6牛米,相当于刚刚站在车顶的那个女孩多背了一个重达13公斤的书包。

大多数情况下,前驱车要比后驱车的后悬架在起步时多承受大概10~15公斤的重量,或者说会增加20%左右的下沉效果。如果忘记松开手刹,那么后轮受到的地面摩擦力将更大,导致车尾下沉更明显。但由于后驱车的后轮为驱动轮,受到来自地面的力向前,因此不会加剧后悬架的压缩。

多连杆结构的后悬架

当然,前驱车的后悬架形式也不尽相同。一般情况下来说,扭力梁后悬架的下沉效果最明显,多连杆次之,双横臂和双叉臂(前驱车罕见)的效果最弱。其中多连杆还要看纵臂的长度、安装点位置以及旋转方向。如上图所示的多连杆悬架,很明显它的纵臂长度较短,而且旋转方向的角度几乎和车身方向一致,所以这辆前驱车的在起步时的下沉幅度不会太明显。

最后指出一点,悬架中承受垂向力的结构主要是减振器和弹簧,当作用力足够快时(或作静态过程计算时),由于减振器无法及时介入工作,因此垂向力主要被弹簧承担。换句话说,起步瞬间车屁股下沉程度的大小还与后悬弹簧刚度有关。所以各位没必要纠结于本文例举的各种数值大小,道理get到就好啦。

最后给大家留一个小问题:如果一辆前驱车在倒车时猛拉手刹,车尾会发生什么现象呢?为什么呢?如果想到答案的话不妨在文章下留言哦。

声明:本文由行家作者撰写,观点仅代表个人,不代表太平洋汽车网。文中部分图片来自于网络,感谢原作者。

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