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重量转移与负荷转移

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一辆雪佛兰科迈罗在比赛中加速产生前轮离地。
一名摩托车手利用重量转移表演特技。
一辆丰田 MR2在转弯时向外倾斜。

负荷转移(英语:Load transfer)一般用来描述当汽车加速时,负荷施加于各轮上的状况。[1]汽车行业(三或四轮以上)也会使用“重量转移”来描述这个概念[2],因此某程度上,两词是通用的。“负荷转移”也是摩托车行业上经常使用的词汇。[3][4]

重量转移(英语:Weight transfer )则用来描述,因车上的悬挂或负荷移动产生的重心转移。这效应对摩托车的影响较大,对三或四轮以上的汽车影响则较小。

两者主要的分别在于,“负荷转移”是由于施加于汽车的力不均衡所致;“重量转移”则是源于汽车的重心移动。(由于地球上的汽车皆受接近的重力影响,因此这里“重心”及“质心”皆通用。)

负荷转移

对于所有有轮的车辆而言,负荷转移用来描述载具在加速时(包括纵向及横向加速),汽车负荷施加于各轮上的状况。[5]这里的加速也指负加速(即减速或制动的过程)[6]。由于负荷转移可发生于没有悬挂系统的车辆上,所以车轮间的质心转移与否,并不是重要的因素。负荷转移是了解车辆动力学的重要概念,摩托车动力学亦然(只涉及纵向运动)。

负荷转移对牵引力的影响

每当汽车加速、刹车或过弯时,负荷转移会改变四轮的牵引力。随着一边轮胎的工作量(负荷)越来越高,它们整体的牵引力便会下降,这现象与轮胎的负荷灵敏度有关。要缓解轮胎负荷过高的情况,驱动轮胎的分布显得相当重要。例如,动力输出强劲的汽车一般不会采用前轮驱动的配置。因为当汽车急加速时,前轮驱动的汽车难以将负荷传移到后轮,所以使前轮因负荷过大导致整体牵引力下降。后轮驱动及四轮驱动(在一般情况下,四轮驱动的动力多倾于后轮。)的汽车会将前轮的负荷转移到后轮,因此后轮获得额外的牵引力,前轮的负荷因此减少,这适合作为高性能汽车的配置。

重量转移及质心(或重心)对汽车造成的影响

车辆加速时会有多个力施加于轮胎与地面的接触面上,这些力不会直接施加在车辆的质心上。车辆质心位移会产生一股惯性力,其力臂从质心延伸至轮胎(支点),加上轮胎牵引力产生的力矩,种种力矩令车辆上的重量分配产生变化。即使对于一辆没有悬挂系统,不会倾侧及翻转的汽车来说,它仍然会发生重量转移的现象。由于车体的质心水平位移及轮胎变形(车辆的倾侧及翻转所导致)影响,车辆会有额外的重量转移产生。

降低重量转移的方法是降低质心的高度(即质心与地面的距离)。这会导致纵向及横向的重量转移都会降低。另一个降低重量转移的方法就是增加轮子之间的距离。增加轴距会降低纵向的负荷转移;增加轮距会降低横向的负荷转移。大部分高性能的汽车都设计成低质心,而且其轴距及轮距也有增加。

要计算负载转移,可透过“重量转移方程式”(英语:weight transfer equation)(由于上述提到“重量转移”及“负载转移”在某些情况是互通的):

或者

是指前轮的负荷改变, 是纵向加速, 重力加速度是质心高度, 是轴距, 是车辆总质量,是车辆总重量。[7][8]

另外,重量转移亦包括所有因悬挂系统作用所导致的车盘位移,或车上的运载物或液体的位移。[5]这些因素都会导致各轮的负荷重新分配。在驾驶的过程,重心的位移会导致重量的转移。车辆的前后重量转移视乎轴距之间重心的水平位置而定;侧向的重量转移视乎轮距之间重心的横向位置而定。各种液体例如燃油也会导致车辆的质心转移。在燃油消耗的过程中,质心的位置除了会改变之外,车辆的整体重量也会下降。

举例来说,当一车辆加速时,它的重心会向车的后方移动,因此,它的重量也会向后转移。车外的观察者会看到车辆有向后倾斜的现象(车身呈现前高后低)。相反,当汽车刹车时,它的重心会向车的后前移动,因此它的重量会向前转移。尤其车辆在猛烈的制动下,车内的观察者甚至可以留意到车头有向前下沉的现象。同样,当车辆过弯时,重量会移向远离弯心的一侧。

重量转移对汽车(三或四轮以上)的影响远不及负荷转移大。以一辆轮距1650mm及质心高度550mm的汽车为例,当它以0.9个标准重力(G力)过弯时,会出现30%的负载转移,也就是说,离弯心较远的两个轮胎会比之前增加60%的负载,近弯心的两个轮胎则比之前减少60%的负载,而整体抓地力亦会下降约6%。虽然汽车的质心也会作出纵向及横向移动,但不会超出30mm,即少于2%的的重量转移,也意味着只有0.01%的抓地力损失。

负荷转移产生的侧翻

当横向的负荷转移发生,汽车会因为轮胎上的负荷转移到车外侧,导致车的内侧的轮胎有升起的现象。假如转移的负载达到车重的一半,便会开始侧翻。

参考资料

  1. ^ Pacejka, Hans B. Tyre and vehicle dynamics (Second ed.). SAE International. pp. 14–15. 2006. ISBN 978-0-7680-1702-1. 
  2. ^ Thomas D, Gillespie. Fundamentals of Vehicle Dynamics. SAE International. 1992. 
  3. ^ Cossalter, Vittore. Motorcycle Dynamics (Second ed.). Lulu.com. pp. 84–85. 2006. ISBN 978-1-4303-0861-4. 
  4. ^ Cocco, Gaetano. Motorcycle Design and Technology. Motorbooks. pp. 40–46. 2005. ISBN 978-0-7603-1990-1. 
  5. ^ 5.0 5.1 Wm Harbin. Vehicle Load Transfer (PDF). [2023-08-09]. (原始内容存档 (PDF)于2023-08-10). 
  6. ^ Jazar, Reza N. Vehicle Dynamics. Springer. p. 72. 2008. ISBN 978-0-387-74243-4. 
  7. ^ Huffman, John Pearley. "The Physics of Wheelstands". Car and Driver. [2023-08-09]. (原始内容存档于2023-09-28). 
  8. ^ P. Gritt. "Introduction to Brake Systems" (PDF). [2023-08-09]. (原始内容 (PDF)存档于2019-11-24).