这篇翻到一半才发现是车辆动力学的东西...所以还满硬的 有兴趣的看看吧 发现翻错麻烦跟我说一下了 谢谢 原文：http://www.tonyfoale.com/Articles/Tyres/TYRES.htm Fig.1~5请参考原文网页 ============================================================================== 在先前的文章(没翻，网路上没有)中我们已经介绍了单轨迹车辆能平衡与稳定的基本 条件，接着下面我们将会讨论关於车辆与大地唯一的连结。也就是轮胎与地面介面。 【自然定律】 当牛顿对世界发表了他的力学理论时，毫无疑问的在他脑海里想的绝对不是机车轮胎 与路面间的交互作用，然而他的推想却是可以适用於这个情况。其中有一个叙述“所有的 力都存在相等且方向相反的力来抵抗他。”换一种精简的方式来说“作用力与反作用力大 小相等且方向相反。”把这个关系套用在轮胎的作用力上就表示，当轮胎在推路面时，路 面也回推轮胎大小相等的力。这个套用是完全适用的不用管有没有考虑到轮胎承受的车重 或是阻力、转向力、煞车或驱动力。牛顿这个定律虽然并没有解释是否有不成对的力而且 这个定律对很多分析也不是特别重要，但是如果把他当成帮你领略一些物理系统的向导还 是非常值得去了解。而这些存在於地面与轮胎间的作用力虽然深深的影响着我们的机械装 置，却常常被视为理所当然而因此没有深入的了解。 【煞车】 当煞车作用时便会同时产生一个力矩从轮胎传到接地面，传到接地面後可以看成水平 直线力。因此路面对轮胎推前进反方向的力，轮胎对地面推前进方向的力。可以说是跟驱 动完全相反方向、相反情况。这两个是最明显也是最好了解的轮胎地面交互作用力。 【转向】 但是当我们想了解与分析转向力或是他们是如何产生时事情就变得有点复杂了。首先 我们画出一条曲线，一条车子转向将会走过的曲线，接着因为车子会有像前进方向也就是 曲线切线方向行走的惯性产生了离心力。为了抵抗这个外抛的惯性力，路面需要对轮胎施 一个指向曲线中心(精确定义是曲率圆圆心)的向心力。现在，很明显，路面绝对不知道我 们是要转大弯转小弯，所以看来是轮胎决定--从骑士给他的命令决定，这就是整个过程的 起点。然而实际关於转向如何发生上力学的详细情况却不是乍看之下这麽简单。而有些开 车跟骑车技术一样好的人可能会想问，为什麽在一个弯道以同样时速过弯，四轮的前轮转 向就是硬生生大了一些。其中最根本的一个差别就是两轮在转弯时需要倾斜车身才能保持 平衡，而四轮车身大体上是持正的。从轮胎的角度来看，在四轮上大致是保持直立的，接 着看Fig1，车虽然跟着曲线走，但是其实曲线上每一点轮胎的方向都是指向切线方向。因 此轮胎会有沿着切线方向直直走的趋势，而且同时也不会产生必要的转向力。 显然，为了要能够说服轮胎/地面介面中间乖乖产生转向必要的离心/向心力还有些工 作要完成才行。而在汽车或是其他自平衡车辆(例：赛格威)上靠的就是把轮胎再向弯内转 超过转向曲线的切线方向，这种轮胎前进方向与轮胎实际指向间的角度我们称为"侧滑角" (slip angle)。参考Fig2可以帮助你了解这中间是如何运作的。 从现在起，轮胎不再是朝他实际指的方向前进了，所以我们可以把速度分成两个方向 的分速度，分别为轮胎方向与垂直轮胎方向。这就表示在转弯时，轮胎胎面的速度会略低 於实际车速，但是却多了一个侧向速度，也就是说胎在侧滑。因为这个侧向位移也就产生 了一个垂直轮胎方向的力。这个力的大小取决於侧滑角的大小，通常能够随着侧滑角大到 15°，但是侧滑角再大下去这个力就会快速减少，不再随着侧滑角增大而变大，这也表示 驾驶失去车辆控制。接着，改分离这个轮胎侧向力为垂直行进方向的转向力跟另一个与行 进方向相反的阻力，而这个阻力就是造成在固定马力之下猛烈硬转一个弯而车速减慢的原 因。所以，现在我们知道是什麽在弯中产生与控制力让汽车得以转向，也知道了为什麽轮 胎不能只是指向曲线的切线方向，而要指向更向弯中的原因。Fig3画出倾斜机车的後视图 和倾斜车轮如何被视为一个圆锥截面。 因为车轮有宽度，所以在固定车轮转速下，较弯内的车轮所走的曲率半径会比外侧的 还小，因此内侧车轮速度就势必会比外侧车轮还要低一点，这种情形会发生在当轮胎绕着 通过假想躺在地上圆锥顶点且垂直地面的轴旋转时。用个更简单明了的例子，就像你推了 躺在地上的圆锥一把，圆锥会开始绕着圆锥顶点原地转圈圈，圆锥顶点这时的速度是零， 而靠近底面的速度会最大。但是，如果就依这个想法直接套用在倾斜超过45°的通常机车 上时你会发现，他的转向半径大概只会有1.5 feet约等於45公分，完全不可能的急弯。不 过如果你企图试着这样过弯，会产生把机车外抛且非常大的离心力，因而产生比预期还大 的回转半径。这是机车弯中产生转向力的主要因素，这也是常被认为和误认为"侧倾推力" (Camber Thrust)。 再重申一次，当车轮倾斜或侧倾(camber)时，他会相当於一个躺着的 圆锥，想要转过一个非常急的弯，但是这样的弯会产生很大的离心力强行把曲线拉直因此 产生骑士心中的所画出的曲线。 >Camber Thrust：侧倾推力，通常指的是车轮因倾斜而产生，垂直於车轮前进方向的力。 因此不同於汽车，在没有侧滑角的情况下也能顺利产生转向力。 但是，机车的侧倾角是以在固定弯道与弯速下能够让车身平衡来决定，不可能在所有 情况下都有确切的侧倾角。也就是说因为轮胎的尺寸与材质的影响，在特定倾角下也有可 能会有不同大小的转向力。因此，为了能够在过弯时能有匹配的转向力，通常会利用机车 手把介入产生一点小的侧滑角。如果侧倾推力不够完全担负转向力，那麽我们便会把车手 把转向弯中一点点，换句话说就是造成正的侧滑角。在一些抓地力良好的极端情况下，甚 至能够负侧滑角来过弯，也就是逆操舵把车手把转向弯外。所以，下次你如果看到一些赛 车好手的追焦照上照出他的前轮反打，不要马上就认为他是在动力滑胎，有可能是他轮胎 的抓地力太强以至於产生太大的侧向推力，大过实际需要的转向力，所以需要用上负侧滑 角来协调。车手把的"角度"是依你所需的侧滑角来决定，但是转到这个角度所需的"扭力" 却是由许多因素决定，如胎径、胎宽、前倾角、拖曳距等等都是期中的决定因素。在一些 车上，甚至需要施跟转向角反向的力(向弯外)才能维持固定的正侧滑角(向弯中)，这样的 车辆几何设计下如果你不对车手把施力他还会把你自动带向更紧绷更急的弯线，骑乘时会 让你有驾驭野马或是与车辆在对抗的感觉，当然也很容易让你雷残。然而另一种设计就是 你需要对龙头施加正的扭力(向弯中)来产生正侧滑角(向弯中)骑乘的感觉则是比较像在压 制他。接下来一些实际的数据可能会让你比较了解，不同车速、不同回转半径对倾角与有 效圆锥半径(躺在地上的圆锥接地线长度，或是顶点沿着斜面量到底面的长度)、侧向推力 的影响。当你以70mph 倾角45°过一个弯时，曲率半径为327ft 而当速度降到一半35 mph 後，曲率半径只剩四分之一82ft，但是先前圆锥部分讨论出的只有1.5ft而已。 上面可以看出实际上回转半径与有效圆锥半径间的巨大差别。现在，如果我们把车速 慢下来到7mph 然後过同一个弯，我们的倾角只需要2.5°，有效圆锥半径变为25ft还是远 小於82ft。而327ft那个弯只需要0.57°的倾角，有效圆锥半径为100ft。从上面几个情况 看出有效圆锥半径比上一段最後的几个情形大多了，约可以到三分之一曲率半径，侧向推 力也因此小多了。 如果你过去几年有在关心赛车骑乘技术上的发展，一定会发现骑乘风格上的改变，现 在车手过弯後轮会有很明显的侧滑，Fig4画出的是在赛场上，後轮滑胎的极限情况。 讲了那麽多还没完，让你得以顺利转弯的转向力有两个来源： 1.前面所提的侧向推力与侧滑角。 2.引擎驱动力所产生指向弯中的分力。引擎驱动力跟後轮指向是相同的，因此当他跟後轮 前进方向间的夹角够大时，可以分成後轮前进方向与垂直後轮前进方向的两个分力。平 行後轮前进方向那个力提供你保持过弯速度的驱动力，而垂直後轮前进方向也就是指向 弯中的那个则把车往弯中推，也就是说额外提供了一些转向力。 前轮因为不是驱动轮所以他分担转向力的方式会比较普通。车轮在有滑动情况下能更 直立，因为侧滑角能负担一些转向力，因此侧向推力需要负责的转向力就变小了，但是车 轮需要更指向弯中，而另外後轮如果也是无滑动的话前轮的负担也会更大。当大部分的转 向力是从後轮驱动力来的话，毫无疑问的，你油门的控制就非常重要了，对你弯中的路线 影响非常大。在赛道上也示范过很多次，如果在弯中引擎故障或是一位没经验的菜鸟突然 关闭油门或切断引擎动力，会马上让他跟围栏产生亲密接触。因为如果引擎动力突然切断 也就表示转向力的来源也被切断了，车子因此就屈服於离心惯性而亲上围栏了。车身需要 的倾角也受到後轮的滑动(这边作者用的字是sliding，所以应该是slip angle过大而产生 的滑胎吧?)不同而影响，原因可以看Fig5，让车身往弯外翻的力是由离心力分力造成。 因此滑动角(一样是 sliding)越大，需要靠倾斜车身来抵抗外翻的力就越小，不过他 的影响通常被言过其实，再来几个数字让你了解一下。假设一位公路赛骑士以侧向加速度 1G过弯，然後後轮滑胎滑离开前轮的线1ft ，此车轴距为57寸，那麽他的滑动角是12°。 如果後轮没有滑动，那麽人车整合质心需要的倾角大约要45°但是如果有12°的滑动角的 话，他需要的倾角则变成44.4°，几乎没有差别。假设个更极端的情况，在越野车赛场上 如果滑动角是50°，一样是1G过弯，他需要的倾角减少到33°。可以看出来，如果你要靠 滑胎来减少车身倾角，那你侧滑的程度要非常厉害。那麽滑胎的好处到底在哪?---所有的 直线加速赛车手都知道，轮胎能提供最大拖曳力是在稍微有点空转的情况下。而轮胎厂商 也告诉我们在柏油路上滑动最理想约是10~20%。所以，如果你摩托车的马力够大到让轮胎 能够有这些微的空转，就能够再把轮胎地面介面的摩擦力再提升一点，而这一点摩擦力就 能再让你的转向力大一些，弯速也能更高。 不过赛场上极端的甩尾则是有一些另外的原因。因为泥、沙、土这些松散的路面没办 法靠侧向推力跟侧滑角提供越野赛车足够的转向力，但是这个力可以靠滑胎让引擎驱动力 产生指向弯心的分力来提供。除了摩擦力的原因，还有其他的额外的效果，如果後轮跟地 面产生相对滑动的话，可以产生向後喷的页岩船尾急流(就是向後喷的砂砾而已)，但是从 牛顿定律可以知道你对砂砾施力，砂砾就会对你施反作用力，因此可以另外产生推进力， 有点类似火箭的原理。 【结论】 汽车的转向力是由侧滑角提供，这就是说驾驶需要把车轮转更朝向弯内。而两轮则是 靠侧向推力来达到这个目标，结果就是在弯中倾斜车身。因此车轮就可以像圆锥的底面转 过一个比实际上弯线还急的弯，但是离心力会有把车外抛拉直这条路线的惯性，因此才变 成骑士想要的路线，而相对来说影响较小的侧滑角主要是用来弥补各种误差。上述情况适 用在普通的车速下，而在非常低速情况下车身倾角会小很多，但是龙头转向角度会较大。 两轮和四轮间转向的力学有些相似处。两者都在设定上都必要使车有个转入更急、更 紧绷的弯的趋势，中间只是达成的方式稍有差别而已。而滑胎或甩尾是一种有效利用过剩 引擎动力的方式，能把过剩的引擎动力再用在转向上，使你能够更快速过弯。但是在柏油 路上利用这种方式减少倾角不太常见。也因为现代引擎动力充沛过头，让赛场上能更常见 到这些技巧。 现在你还觉得物理很无趣吗?? --

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