上期節目我們探讨了前驅後驅哪個更穩的問題,在最後我留了個問題供大家思考,如果刹車制動的時候,它們二者哪個更穩定呢?今天我們趁熱打鐵,來看看制動穩定性的問題。
如果我問你摔倒的時候,你是先伸左手還是右手去撐地?你肯定會脫口而出:倆手都得撐住啊,要不就摔臉了!沒錯!咱們本期話題的答案也是類似的,無論前後輪哪個抱死,都危險。但你若非要給它倆排個序,那你看這個視頻就對了,今天跟着我一起搞清楚有關制動的一些基本知識。
制動不分前後驅
和咱們在上一篇文章(為啥說“前驅比後驅更穩”?背後的物理原理是什麼? )中所讨論的前驅後驅問題不同,制動可不分前後驅。為什麼?很簡單,對于驅動來說,前驅後驅的區别在于哪一對輪子有驅動力,而在制動時呢?你沒聽說過哪個車的前輪或者後輪沒刹車片吧!所以,從制動的角度來看,所有的車都是“四驅”的,并無太大區别。(當然軸荷是有些許區别的,這個屬于次要因素,我們先忽略)。這時我們更在意的是,前輪或者後輪抱死的時候,車輛分别會出現什麼情況,以及哪種情況危害更大一些。
後輪先抱死後輪抱死,就是後輪不轉了,這裡有兩層意思:
- 首先,它和地面之間處于完全的滑動摩擦狀态,就等于失去了抓地力,因此與地面間的摩擦力顯著降低,整個車輛的總制動力也降低了,削弱了刹車性能,更關鍵的是,這時候前輪可沒抱死啊,它是保持着原有制動力的,前輪制動力大,後輪制動力小,這就會造成車尾比車頭更快,因此會産生一種類似車尾“推着”車頭往前沖的效果;
- 其次,後輪不轉,就意味着它和車身上其它任何靜止部件沒啥區别,因此它還能履行自己作為一個車輪的職責,朝着車輪的指向滾動嗎?當然不行了,它隻能跟着車身一起動了,車屁股往哪甩,它就跟着一起,于是,危險就這樣産生了!
凡是把車輪給踩抱死了,那一定是緊急制動,緊急制動的時候駕駛員十有八九會伴随着一些躲避動作,可能是有意識的,也可能是下意識的,但是車輛一旦産生了轉向的趨勢,根據我們上期節目的分析,那車身就一定會産生一個橫擺運動,咱們當時起了個更通俗的名字,自轉,就是繞着自身轉動中心的旋轉。那你看,不論怎麼旋轉,剛才說了,車尾是推着車頭往前沖的,因此勢必會加劇車輛原有的橫擺運動趨勢,造成甩尾!
那你要說我就是打死不動方向盤,是不是就不會出現這種情況了?願望很美好,但實際上是幾乎是不存在這種可能的!因為後輪在拖滑的時候,它對來自側向的擾動的抵禦能力大大降低了,側面稍微有個擾動沖擊,或者由于左右後輪地面上的摩擦力稍有區别,那就會給後軸帶來一個旋轉的力矩,從而造成車身橫擺。
這種狀态很像一根木棍,一端被釘子釘住,而另一端可以自由擺動,當你用力去推尾部的時候,力道稍微一偏,就很容讓木棍橫過來,在咱們這個場景中,前輪由于具有良好的地面附着力,就像那個木闆被釘在地上的那一端一樣,而後輪由于抱死拖滑,摩擦力相對前輪更小且循迹性喪失,就像那個木棍能夠自由搖擺的另一端。
因此後輪抱死的特點,就是車輛容易發生甩尾,如果這個時候車速還很快,那橫過來之後,就很容易發生側翻,所以妥妥的,後輪抱死是危險工況!
前輪先抱死套用前面的分析,前輪抱死失去抓地力和循迹能力,那麼前輪制動力小,車頭速度快,後輪制動力大,車尾跑得慢,也就相當于車頭拽着車尾往前沖,還是拿那根木棍來類比,木棍的後端被釘住,你往前拽它的前端,那很明顯,無論木棍本來往哪偏,最終都會朝向你拽它的那個方向。
具體到我們的刹車問題上,那就是前輪會沿着抱死前車頭的前進方向繼續滑行,同時它也拖拽着車尾往前滑行,因為後輪不具有轉向的能力,那麼也就跟着一起走直線往前沖了!
所以我們可以看到前輪抱死的特點:車輛不會産生甩尾,反而是即便抱死前車身已經發生了偏轉,在車頭的拖拽下,車身也會重新回到之前前進的方向上!
哎,這個聽起來好像挺安全,但是别高興太早,前輪它是負責轉向的!當你發生了抱死,轉向的能力也就喪失了,因此,坐在前輪抱死的車輛中,你隻能眼睜睜地看着自己的汽車像一個大鐵坨子一樣撞向前方,啥也做不了!這還不如側翻呢,天旋地轉、迷迷糊糊的就走了,這個心理壓力得多大……
非劣解:四輪同時抱死說了這麼多,前輪、後輪先抱死都不行,那我四輪同時抱死可以嗎?咱們繼續看,車輪發生抱死拖滑,說明車輪對地面附着力的利用率不夠,浪費了地面的附着力,那前輪先抱死就是前輪浪費,後輪抱死說明後輪浪費,那麼如何最大限度的利用四個輪子的地面附着力呢?顯然,那隻能是四輪同時達到抱死狀态!
但是話說回來,四輪同時發生抱死不是一個最優解,如果有一種方法能夠在制動過程中始終不讓車輪發生抱死最好,那始終都能最大限度的利用地面附着力,但是在無法保證輪子不抱死的前提下,四輪同時抱死是對地面附着力利用率最大的一種方案,我們叫做非劣解,通俗來說就是矬子裡面拔将軍嘛,它不是最差,有比它更差的,比如前輪先抱死、後輪先抱死!
因此啊,人們就探索了一下,如何來分配前後輪的制動力,才能确保讓一輛車的前後輪在整個制動過程中都能同時發生抱死。你别說,人家還真研究出來了,整出來這麼一條曲線,叫做理想制動力分配曲線,也叫『I-曲線』。隻要你沿着這條曲線的走勢來分配你的前後軸制動力,那麼你的車不論行駛在什麼附着系數的路面上,制動時都能做到前後輪同時發生抱死!
理想制動力分配曲線
這條曲線的具體推導過程呢,我就不在這裡展開了,其實就是對車輛制動過程中前後軸做力矩分析就可以得到,這部分大家如果感興趣,可以去看任何一本《汽車理論》教材,有專門針對制動力分析的内容。
那你有可能會問,這個『I-曲線』為什麼不能是一條直線呢?前後制動力按照一個固定比例分配不行嗎?這個問題很好,但在科普文章中,我還是隻能給大家做一個定性的解釋,原因如下:車輪和地面的附着力,它是正比于車輪上的垂直載荷的,就是在相同的地面上,哪個車輪上面壓的重量大,哪個車輪的附着力就大,附着力在加速的時候就是驅動力,減速的時候就是制動力!當車輛在制動的過程中,前後軸之間是伴随着載荷轉移的,常說的那個刹車點頭就是因為載荷轉移造成的,因此在制動過程中,随着制動強度加大,載荷越來越多的往前軸轉移了,剛說了載荷越大,前軸輪子上可以利用的附着力就越大,因此前軸負擔的制動力比例就越多,而這個比例的增加并非是線性的,因此你會看到『I-曲線』逐漸的向前軸方向偏轉了。
有沒有最優解
最後,還是要說,四輪同時抱死隻是一個非劣解,它并不安全!因為所有的輪子全部抱死拖滑的時候,整車就相當于一個鐵盒子在路面上滑行,想想都可怕。那該怎麼辦呢?有沒有一種方式能夠盡可能多的利用輪胎附着力,又能讓車輛保持轉向和循迹能力呢?
有啊,這就是大名鼎鼎的ABS呀,Anti-lock Brake System,它早已成為當代汽車的标配了。但受限于篇幅,我會在下一期的節目中,給大家從物理原理上聊聊ABS為什麼能夠最大限度的利用地面附着力來進行制動的原因!
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