高速通过弯道时两驱车与四驱车的安全性

1、基本概念

附着力:接触面所能提供的最大抓地力,其量值等于车重与附着系数的乘积,相当于物理中的最大摩擦力。附着系数与接触面材料、接触面积、行车速度有关。干燥水泥路面的附着系数为0.7-1.0,潮湿水泥路面的附着系数为0.4-0.6,冰雪表面的附着系数为0.1。

抓地力:由地面提供,阻止主动轮原地打滑的切向力,作用在主动轮底部,它抵消行车阻力和惯性力、驱使汽车前行。相当于地面摩擦力,其最大值为附着力。

驱动力(牵引力):为获得抓地力,由发动机驱使车轮转动所施加的力。

驱动力小于附着力时,抓地力等于驱动力,临界情况下,抓地力等于附着力。驱动力大于附着力时,抓地力等于附着力,车辆除了滚动外,还有滑动。滑动包括车轮原地打滑和滑行运动,视具体情况而定。考虑地面最大附着系数为1.0,最大抓地力为车的重量,也就是说,车辆从地面所能获得的最大驱动力为车体重量。

2、带驱动的独轮车过弯道

杂技中有独轮车表演,蹬踏时,独轮车获得驱动力。考虑独轮车在半径为R的圆弧上行驶:

车辆行驶中有阻力、加速时有切向惯性力、转弯时还有法向离心力。要保持车辆在曲线上正常运行,必须通过地面获得相应的抓地力(也就是摩擦力)。如上图所示,切向力为Ft,法向力为Fn,两者的合力为F,F是维系独轮车圆周运动所需要的外力。当附着力大于合力F,也就是说地面能够提供足够的抓地力,车辆会沿着轨迹的切线方向行走(纯转动)。当附着力小于合力F,也就是说地面提供不了足够的抓地力,车轮除了转动外,还会打滑(切向力不足)。同时,车辆向圆外切线方向行驶(法向力不足),从而偏离原来轨迹。结论:附着力不足时,车辆滑动,由离心力的作用向圆外行驶,寻求更大曲率半径的轨迹。

3、车辆侧倾:

不论前驱、后驱,还是四驱,侧倾与车的纵向没有关系,考虑车辆在弯道上行驶(右拐),有离心加速度an和离心力Man,当左轮A抬起时,整个车可能以右轮B的着地点O为支点发生侧翻。设轴长为L,车辆重心高度为h,侧倾条件为:Manh>MgL/2  Man>MgL/2h。对于中大型SUV,取L=2, h=0.5,则有Man>2Mg。就是说,离心力大于车重的2倍,发生侧翻。要维持圆周运动,必须由地面提供大小相等、方向相反的向心力。实际上,由于附着系数的最大值为1.0,地面无法提供如此之大的向心力,圆周运动无法维持。这样,只能出现两种情况,1)高速运行紧急转向直接导致翻车;2)弯道上加速过界时,车辆发生滑移,增大曲率半径而偏离轨道。

4、前驱车过弯道

前驱车的动力在前轮,后轮只是被动的拖着走,如图所示。当合力大于附着力时,前轮不沿方向盘方向走,而是沿合力方向走。表现为车辆在弯道中的实际转向角度比前轮的转动角度小,也就是前轮出现了向外侧的滑动。这种现象称为转向不足,俗称“推头”。在日常生活中,通常因为转弯时车速过快、或者转弯半径太小导致了弯道中车头转不过来,车辆失控而冲向路边。

5、后驱车过弯道

后驱车的动力在后轮,前轮只是被动地推着走,如图所示。当合力大于附着力时,车辆不能沿既定轨迹走,而是沿合力方向走。表现为车辆在弯中的实际转向角度比前轮的转动角度大,也就是后轮出现了向外侧的滑动,车辆原地打圈则是过度转向的极端情况。这种现象称为转向过度,俗称“甩尾”。在日常生活中,通常因为转弯时车速过快、或者转弯半径太小导致了弯道中车尾甩出,极限情况可以调转车头。当然,如果控制的好,可以利用甩尾实现“漂移”。

6、四驱车过弯道

由于四驱车是由四个车轮分担整体驱动力,分配到每个驱动轮上的驱动力比前驱车或后驱车都要小,以同样的速度通过同样的弯道时,每个车轮上的合力比两驱车要小,完全有可能小于附着力。这样,车辆可以沿着指定轨迹行走,不出现推头和甩尾现象,这就是为什么四驱车通常要比前驱和后驱的过弯能力强的原因。

当然,四驱车在弯道上过快转弯,也会发生转向不足;速度够快,猛打方向,同时刹车,也会发生转向过度。其实,汽车完全靠四条轮胎与地面之间的附着力来保证行车的安全,在转弯的时候,不论两驱还是四驱,要想安全,就不要超越那有限的附着力界限,就不要让汽车有太大的离心力,归根结底就是不要让汽车速度太快。

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