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為什麽前輪驅動在起步和加速時會向外偏離——淺談汽車的扭矩轉向

壹些大功率的前驅車在起步和急加速時會自動偏向右側。當他們去4s店檢查時,並沒有發現任何故障。這是怎麽回事?

原來這是汽車的扭矩轉向。所謂扭矩轉向,是指汽車發動機的扭矩作用在方向盤上,導致方向盤偏轉的現象。只要是兼具轉向和驅動功能的車輪,都會出現扭矩轉向的問題。壹般來說,前驅車和四驅車,前輪同時承受轉向和行駛,存在扭矩轉向現象;另壹方面,後輪驅動車型因為前輪只有轉向的功能,所以沒有扭矩轉向。

對於前輪驅動,如果兩個方向盤上的轉向扭矩相等,那麽兩個扭矩相互平衡,所以不會影響汽車的行駛,仍然可以保持直線行駛的狀態;但是,如果左右方向盤上的轉向扭矩不相等,那麽車輪會自動偏向扭矩較小的壹側。外在表現就是汽車行駛時會自動偏向壹側。這種現象在大功率前輪車中更為明顯。當他們起步加速時,方向盤會自動向右偏轉,手持方向盤會明顯感覺到拉動的效果。這種現象其實是左右方向盤轉向力矩不平衡的外在表現,人們習慣把這種現象稱為力矩轉向。

那麽扭矩轉向是如何產生的呢?下面我們來分析壹下。

眾所周知,力矩等於力和臂的乘積,那麽這個力和臂是什麽呢?首先,我們來看看這個力是如何產生的。

對於前輪驅動的車輛,發動機的扭矩通過變速箱改變速度和扭矩後,通過左右半軸傳遞給驅動輪。因為車輪與變速箱之間的角度是不斷變化的,所以半軸不是剛性的,而是串聯兩個等速萬向節,也就是俗稱的“球籠”。這樣,當半軸高速旋轉時,就會產生壹個向外晃動的力,驅動輪也會產生壹個相反的力來抵抗半軸向外晃動的趨勢,這就是導致扭矩轉向的晃動反作用力。這個力的作用點在輪子旋轉的中心。

我們來看看力臂是怎麽產生的。對於大多數前輪驅動車型,前輪是獨立懸架。這種獨立懸架具有壹個特征,即轉向主銷(虛擬)的延長線與地面的接觸點與車輪旋轉平面與地面的接觸點不重合。它們之間的距離稱為“主銷接地距離”,車輪轉動中心與轉向主銷(虛擬)之間的垂直距離稱為“主銷偏移”。這個中樞銷偏移是扭矩轉向的力臂。

有了力和力臂,扭矩自然產生。該扭矩使方向盤繞轉向主銷旋轉。向前移動時,車輪前端向內轉動(左輪右轉,右輪左轉),向後移動時,車輪前端向內和向外轉動(左輪左轉,右輪右轉)。這種現象被稱為“扭矩轉向”。可見,只要方向盤上有驅動力,扭矩轉向就壹定會發生。這個扭矩的大小與主銷偏置、主銷傾角、車軸傾角、車輪與地面之間的動壓、車輪與地面之間的摩擦系數等因素有關。

那麽這個扭矩轉向對汽車有什麽影響呢?

如果作用在左右車輪上的轉向扭矩相等,由於左右車輪之間的扭矩平衡,車輪不會偏轉,所以這種扭矩轉向對汽車沒有影響。但如果作用在左右車輪上的轉向力矩不相等,那麽車輪就會自動偏向力矩較小的壹側,從而導致行駛跑偏的現象。這種現象在壹些大馬力的前輪車上很明顯,比如那些著名的“小鋼炮”。幾年前有這樣壹個故事:壹輛jeep指南者的車主因為明顯的扭矩轉向無法接受,在當地電臺投訴,鬧得沸沸揚揚,最後給了車主壹筆巨額賠償。這也說明Jeep指南者沒有處理好扭矩轉向的負面影響。

那麽什麽因素會導致左右車輪上的轉向力矩不相等呢?從上式可以看出,在懸架參數固定的情況下,半軸傾角和車輪與地面間的動壓是決定性因素。

對於發動機橫置、前輪驅動的車輛,變速箱壹般不在車輛中心線上,而是在駕駛員壹側(左側)。所以壹輛車左右半軸的長度是不壹樣的,只是左半軸短,右半軸長。同時,左右半軸與前橋中心線不重合,而是有壹定的角度。這種結構的後果是左半軸與前軸中心線的夾角大於右半軸與前軸中心線的夾角。

另外,對於大馬力的車輛,起步加速時,傳遞給車輪的驅動力更大,半軸拍動的趨勢更明顯。用來平衡車軸拍動的力越大,也可以粗略地認為是車輪與地面之間的動壓力越大。此外,汽車在起步和急加速時,車頭有向上擡起的趨勢,懸架拉長,也加大了半軸與前軸的夾角。

因此,半軸傾角越大,發動機馬力越大,加速越快,汽車的扭矩轉向趨勢越明顯。這種趨勢對汽車的操控性是不利的,所以汽車在設計制造過程中會盡量消除扭矩轉向的影響。主要有兩個思路,壹個是完全取消扭矩轉向,壹個是平衡左右輪的扭矩轉向。

完全消除扭矩轉向的主要方法是使方向盤的轉向主銷通過車輪的轉動中心,也就是主銷偏移為零,沒有力臂,扭矩自然就沒有了。然而,這種安排是非常困難的。車輪的偏移量很大,幾乎完全縮進輪拱內,輪轂軸承、制動盤、轉向節等壹系列零件都會被推出輪胎,所以這種布置幾乎是不可能的。

另外還有壹種布置,就是半軸與前橋的夾角為零,半軸直線傳遞動力,這樣就沒有向外晃動的趨勢,作用在車輪上的反作用力也就消失了。沒有力,就沒有瞬間。但由於行駛過程中車輪是不斷跳動的,半軸和前軸之間的夾角不可能壹直為零,半軸還是會有向外擺動的趨勢,也就是說,這種克服晃動的力壹直存在。可以說完全取消扭矩轉向是不可能的。

既然消除不了,就要想辦法平衡或者減少扭矩轉向的影響。這方面有很多辦法,比如讓左右半軸長度相等,讓左右半軸之間的夾角等於前橋,平衡左右半軸的剛度,采用更合理的懸架結構。

1,使左右半軸長度相等。

發動機橫置前輪驅動的車輛幾乎不可能采用等長半軸,而奧迪采用發動機縱置前輪驅動的模式,很好地解決了這個問題。它的變速箱正好布置在車隊的中軸線上,所以可以使左右半軸的長度相等。這樣左右半軸與前橋的夾角相等,左右車輪上的轉向扭矩相等,相當於平衡扭矩轉向。另外,寶馬X1雖然是水平前驅,但左右半軸也是等長的,不存在扭矩轉向現象。

另外還有壹種方法,就是從中間斷開較長的半軸,加上萬向節,使左右半軸完全對稱。這相當於左右半軸長度相等,扭矩轉向平衡。

2.使左右半軸與前橋的夾角相等。

對於發動機橫置、前輪驅動的車輛,我們可以利用發動機的傾斜布置,使兩側半軸與前橋的夾角相等。比如大眾系列的Polo,發動機是臥式的,但是左側比右側低4度,這樣左半軸降低,右半軸升高,這樣兩個半軸的前軸之間的夾角相等,扭矩轉向平衡。

3.平衡左右半軸的剛度

因為扭矩轉向的扭矩與半軸的晃動力有關,所以我們可以平衡兩側半軸的轉動慣量。比如右側長半軸直徑較粗,慣性矩較大,平衡半軸在車輪上晃動的力就會較大,相當於增加了扭矩較小壹側的力,從而平衡了左右兩側的扭矩。大眾經常使用這種方法。

4.采用更合理的懸掛結構。

對於普通的麥弗遜式獨立懸架來說,其轉向主銷相當於減震器上端面與下臂球頭的連線,這種結構的主銷偏置比較大。如果我們將轉向主銷向外移動,更靠近車輪的轉動中心,主銷偏移就會大大減小,進而減輕扭矩轉向的影響。比如寶馬、君威GS、福克斯RS、思域Type-R等。都采用了這樣的懸掛結構,從而大大降低了扭矩轉向的影響。需要註意的是,部分車型運動版和普通版采用的懸掛結構不同,所以表現出不同的運動特性,比如普通版思域和思域Type-R,它們的底盤結構完全不同。

總的來說,扭矩轉向是前輪驅動的壹個特點,現有技術無法完全消除。只能想辦法平衡左右輪的轉向扭矩或者改變懸架結構來減少扭矩轉向的影響。由於對車輛操控性的負面影響,很多性能車不喜歡用前輪驅動,寧願用後輪驅動或者四驅。

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