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重力转移的基本探讨

发布日期：2007-8-13 16:59:20 作者：出处：网络转载

什么是重力转移？
　　任何车辆都有一定的重量，在静止的状况下，重力的分布按一定规律分布在四个轮子上。按照牛顿第三定律：力=质量*加速度，表明了在车辆在任何方向有加速度的话，就有额外的力发生。比如说，当你的车在跳起之后着陆的时候，向下的速度迅速减少。基本上说，车子几乎忽然停止了向下掉落。额外的力等于车的质量乘以加速度。
　　我们将这个放到有数字的例子中：假设车已经从最高点下落了一秒种。在它马上要接触地面的那一刻，它的向下的速度是G*1秒=9.8 m/s.(为了方便起见，我们先近似的认为其是 10m/s)。假如车的重量是1公斤=10牛顿，还有车的悬挂需要0.1秒来吸收下落的冲击。因此，施加在轮胎上的力是1kg * 10m/s / 0.1s = 100N = 10kg。所以，在车子着陆的一刻，它是重100牛顿而不是10牛顿。
　　我们在这里尝试说明的一点是：车子的重力，或者说车胎承受的压力，是随时变化的。但是车的质量是恒定的（事实上不是那样，但我们先假设伟大的爱因斯坦还没有出生，因为那产生的效果微不足道，除非你的车的速度接近光速）。而当有其他加速度发生时，或者是车的运动方向发生改变的时候，车子会受到额外的力。
　　也许你会问，为什么这个会很重要呢。很简单，施加在每条轮胎上的重力决定了它的抓地能力，也就是控制车辆的能力。事实上，可以说控制车的重力转移是竞速比赛中的最重要的环节。也是区分好的驾驶者和糟糕的驾驶者的标准。懂得您的车子的重力在那里，使您的轮胎保持在极限上，并且不突然超越它，可以使您开得飞快。
　　因为我们在一个三维的世界中开车，所以重力转移也同时发生在3个方向上。如果车子有向上或者向下的移动，重量可以增加和减少。垂直的维度比起其他两个水平的维度来说，因为重力，而有些许不同。您可以使车的从正常重量（行驶在平路上），变成几倍于重力(行走到上坡部分或者降落的时候)，或者没有重量(车子腾空)，或者是比正常重量小(在下坡的部分)。但是，我们不要忘记，也有空气动力的下压力作用与车子上，这会增加车的重力。幸运的是，在另外两个维度，总的重力是恒定的，它只可以从车的一边转移到另外一边。就想当您的车在加速的时候，重力会从前轮转移到后轮，但是总量还是不变的。当车在拐弯的时候，道理也一样，只是发生在另外一个维度：重力从内侧轮胎转移到外侧轮胎，而总的重力还是不变的。为了简化起见，让我们忽略第一种维度的情况，而假设路面是完全的平面。

　　在上图中，车辆的重心（CG/重力中心/质量中心/Center of Gravity）的位置是在车的正中央。它正在绝对的平面上，以恒定的速度一直向前移动。因此所有四条轮胎上受的压力是相等的。如果车的重力是W，那么分到每个轮子上就是W/4。
　　请注意：在这个图中有少许矛盾的地方，图中青色的箭头在下文中被外力改变。事实上，外力是作用于车子的，而我们现在把它画成是车子本身产生的。

横向重力转移

　　与上图的同一辆车在转弯的时候，车子依然以恒定的速度运动在平面上，只是它的运动矢量的方向在改变(匀速圆周运动)。
　　首先，不是所有的力都被画了出来，这个图片装不下。在每个轮胎上都有一个水平的力，所有的四个力对抗图中黄色的力，这四个力由轮胎抓地产生的转向的力。引力的矢量也没有被表示出来，它应该作用在重心(紫色的点)上，如前述文章所画的那样。
　　黄色的尖头表示离心力，它是由整个车辆的惯性产生的。离心力作用于重心，而它的指向是背向车辆转弯弧线的圆心。这个力产生了一个作用在车上的扭距。该扭距将会遵从牛顿第二定律而被抵消。这个抵消过程实际上令外侧的轮子受到比内侧轮子更大的压力。因为整车的重力是保持恒定的，所以从内侧轮移走的压力必然添加到外侧轮子上。换句话来说，重力被从内侧转移到外侧。
　　这个结果是非常重要的。不对称的轮胎负载通常也意味着抓地力的总量的下降，使得转向力量减小。同时，上述的扭距也会使车身发生滚动。在这个例子中，车身并不会滚动，因为现在车子还没有任何的悬挂系统。而如果重心重合于车子的滚动轴（滚动中心）的话，车身同样也不会滚动。事实上车身滚动并不仅仅影响重力转移的量(假设重心并不跟随车身滚动)，它也决定了重力移动的方向。
　　当然，在这个例子里，很简单，任何来自左前轮的重力都必定转移到右前轮，任何来自左后轮的重力都必定转移到右后轮。换句话说，车是对称的，而它保持那样的状态是因为它没有悬挂系统。但是实际在真的车辆上是完全不同的，假设车辆的后端要滚动得比前端多(因为后端的滚动中心(Roll center)比前端的滚动中心低，或者后端的弹簧相对来说很软)，那么更多的重力会转移到右后轮。当然地，也会有一些重力转移到右前轮，但是那会相对的少一些。这样会引起车辆转向不足。
　　在刹车或者加速的时候，重力也会在前后方向转移。这就是为什么你可以通过施加一点刹车以减少车辆的转向不足。这时重力从后轮转移到前轮，因此获得更多的前轮抓地力以使车辆转向。
　　当所有因素都被考虑进去的时候，判断究竟有多少重力转移到哪里并非易事。因为很多的因素在发生作用，比如弹簧的硬度(spring rate)、防倾杆的硬度、滚动中心的高度，还有悬挂行程等等。

　　首先，让我们专注于有多少重力被转移了。推算出重力转移的量是比较容易的，其根本就是在压两个轮胎上的重量之差，是相等于离心力(图中黄色箭头)乘以重心的高度，再除以车的轮距。而离心力等于车辆的横向加速度(表示为G)乘以质量。那么水平的加速度等于车的速度的平方除以转弯的半径。
　　从这里我们可以推算出重力转移的量是和重心的高度成正比，和车的轮距成反比。这就是为什么绝大多数赛车都在规则限定内尽可能的宽，因为那可以减少横向重力转移，以防止总体抓地力的减少。重力转移也和车子的静止质量成正比，这也是赛车要尽可能的轻，同样的这也可以减少重力转移。重力转移的量也相关于不决定于车本身的因素，比如速度和转弯时所行进路线的半径。事实上重力转移的量和转弯半径成正比。这也是为什么当车子转弯的时候，转弯半径比较大的线路是最快的线路。因为它使重力转移尽可能的小，并使转向抓地力尽可能的大。

纵向重力转移

　　基本上，纵向的重力转移的情况也是类似的，只是它发生在另外一个维度而已。这时候，车笔直地向前运动(图中的白箭头)。但它同时在(向前)加速。换句话来说，车子的速度在增加，就是说，运动矢量增加但是方向没有发生改变。
同样的，有些力没有被表示出来：当前推动车辆加速的力，它们作用与驱动轮与地面的接触面上，其方向与白箭头相同。车子的重力也没有被画出来。
　　当一个物体在做加速的时候，会有惯性力。其作用于重心（图中黄色的点）。因此，这时会产生一个扭距，使得重力从前轮转移到后轮。同样地，来自前轮的重力被施加到后轮上，同时重力的总量保持不变。因为车子是直线加速，所以这个转移过程是左右对称的。
　　后轮负担比较多的重量，对于后轮驱动的车辆来说是一件好事，因为加速动力作用在后轮上。但是，同时压在前轮的重量减少了，会造成严重的转向不足。同样的定律也发生在横向重力转移中：因为轮胎的负载不平均，导致总体的最大抓地力下降。这就是为什么最快的过弯方法是既不刹车也不加速(这是理想的方法，仅仅就通过弯道的时间而言。实际上并非如此)。不用说，您需要将车辆设定得非常平衡，使它既不转向过多，也不转向不足。
　　另外，在这里重力转移也大致和车的俯仰角无关。车子可能会在刹车的时候下潜(俯)，也可能在加速时向后蹲(仰)，但是其引起的重心移动也可忽略，除非它强烈的改变了重心的高度。这种情况发生在车的后悬挂系统压缩行程非常长的时候。想象一下，当加速时如果前端升起过高，而后端并不蹲得很多，重心就会抬高一点，因此导致更多的重力转移。这就是车子举起前轮行走的开始：重心变高，引致更多的重力转移，从而使后轮抓地力更强，这又导致重心升得更高。这是一种雪崩效应。
　　计算重力转移的公式与前述的非常相象。在这里是：惯性力乘以重心的高度，再除以车的轴距。惯性力等于向前或者向后的加速度乘以车的质量。因此，较低的重心，或者较长的轴距，会产生较少的纵向重力转移。同样地，重力转移的量也和加速度成正比。
　　正如先前解释的一样，赛车必须又宽又矮，那您从此或许推论出车辆必然越长越好，但事实通常不是这样。例如后轮驱动的车辆，可以使用更多的后轮负载，以增加加速力，并防止后轮向外滑出。在加速时，些许的转向不足可以是您更放心的加大油门而不必担心后轮打转。
　　但是，这不是唯一的原因。如果车的轴距太长，在比较小的，低速的弯时就会很笨拙，缺乏敏捷度。总的来说，长的轴距适合于大型的平滑的高速赛道，而短的轴距适合于紧凑的多弯的赛道。

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