很多车友都会发现,汽车在寒冷环境下低速转弯行驶中会出现“噔噔”的异响,这种现象在冬季严寒的北方出现得较多,另一方面高性能汽车比普通车型更容易出现。那么造成这种噔噔异响的原因是什么?是否真的有阿克曼夹角有关系?
实际上这种噔噔的异响是由于寒冷条件下转弯行驶时,汽车内侧前轮出现跳胎(也叫弹胎)所导致的。可能有车友会问,什么是跳胎?跳胎的含义就是轮胎在与地面打滑的过程中突然重新获得与地面的附着力,轮胎从打滑过渡到抓地的过程中对悬挂系统所形成的冲击所产生的声音。实际上在日常行驶中悬挂系统在承受各类冲击时均会发出各种各样的异响。
那么现在问题来了,挪车时方向盘转动角度往往很大,为什么在寒冷条件下会造成内侧前轮打滑?其次温暖环境下同样的挪车为何内侧车轮不打滑?再其次为什么一些入门车型在低温条件下挪车没有这种现象?造成这种现象的根本原因是阿克曼夹角么?严谨地说阿克曼夹角并不是造成寒冷条件下挪车噔噔响的原因。
恰恰相反,阿克曼夹角设计的产生就是为了防止转弯时内侧车轮打滑。也就是说正是因为阿克曼夹角的存在才能避免挪车时出现内侧前轮打滑从而避免噔噔异响,但为什么寒冷环境下会响?根本原因在于低温导致轮胎变硬与地面的附着力降低,冷胎条件下外侧前轮与地面之间的“滑移角”变小、甚至是消失(橡胶是软的,但越冷越硬)。
车轮与地面之间的滑移角变小甚至消失时将对阿克曼夹角造成影响,也可以理解为造成了“阿克曼率”的降低。转向几何中的阿克曼率降低=阿克曼夹角防止内侧车轮打滑的能力下降,也就是说在低温条件下冰冷的轮胎会降低或完全失去阿克曼夹角的作用。当阿克曼夹角设计的作用降低或失去时,转弯时对前内侧车轮的打滑抑制能力降低或失去,所以前内侧轮出现打滑,引发跳胎、继而导致噔噔异响。
阿克曼夹角是什么,是豪车专属么?
写到这各位车友应该已经理解,低温环境下挪车时所产生的噔噔响并不是由于阿克曼夹角所导致的。而是因为阿克曼夹角抑制内侧前轮打滑的作用降低或失效所导致的。那阿克曼夹角究竟是什么?如上图所示100%阿克曼率与0卡克曼率的对比图,具备阿克曼角的转向系统在转弯时各个车轮的垂线都能汇聚于一点。4个车轮来完成车辆的行驶,所以4个车轮垂线汇聚于一点,可以确保车辆可以围绕圆心画圈。
而没有阿克曼夹角设计的转向是啥样的?如上图所示无阿克曼夹角的转向,转弯时左右前轮转向角度完全一致。这时4个车轮的垂线就会汇聚成两个圆心—A点、B点。整车4个车轮围绕一个圆心行驶是协调的,相反一个汽车整体围绕两个圆心行驶,整车运行是否也会协调?当然不会,从逻辑上看一个车的行驶方向不可能有两个,可没有阿克曼夹角的转向系统在转弯时会出现两个方向,这时怎么办?
也就是说当车辆转弯时出现了A、B两个中心点,该以谁为准?当然有一个点要妥协,也就是A、B两点有一个要被动的失效。而失效的一定是内侧前轮垂线与后轮垂线汇聚成的字母A中心点,因为是转弯时由于离心作用整车惯量会往外侧压,内侧轮与地面附着力将降低,如上图极限过弯时内侧前轮甚至会离地。OK,现在我们知道上图中A、B两点中A点将被消除,但问题是B点成为真正意义上的圆心,但内侧前轮还是在绕着A点圆心行驶,这时怎么办?
道理很简单整车4个轮最好能绕着同一个圆心行驶,这时均不打滑。但哪个车轮不围绕着圆心运行,那么这个车轮必打滑。这个过程实际上可以当作是“同心悖论”去理解,如上方动图外圆是外侧车轮绕圈时的运动轨迹而内圈是内侧车轮运动轨迹,当旋转以外侧轮为主体时,那么内侧车轮看似也在旋转但实际上已经留下了多个打滑的点(途中虚线即表现打滑、拖行)。这就是没有阿克曼夹角的现象,转弯时内侧轮极容易打滑,低温时即便速度很低也会打滑。
而阿克曼转角的出现就是为了解决转弯时内侧轮打滑、避免噔噔响甚至是高速行驶中的失控。阿克曼夹角的诞生比世界第一台汽车早了快80年,最早应用于马车。世界上第一辆四轮汽车就采用了阿克曼夹角设计,所以今时今日无论高端车、低端车均采用阿克曼夹角设计。差异在于越高端、性能越强的车子阿克曼率越低,民用车不存在100%的完美阿克曼角,只是在阿克曼率60%-30%之间浮动,性能越强的车子阿克曼率越低,也就是“越趋近于”无阿克曼角状态,也就是说外侧轮转向角度与内侧轮越接近。
轮胎的滑移角对阿克曼角的影响
上面讲了半天其实都是阿克曼对转向系统的影响,但要明白最重要的一点,转向系统无论多么牛、多么强大,实际行驶中汽车上唯一与地面接触的媒介是轮胎。也就是说车子行驶是否协调、听话,不仅要看转向系统更要看轮胎。轮胎不听话,什么阿克曼、转向系统都是白扯。因为轮胎是橡胶做的,橡胶是软质材料即便它可以做得很硬。高速转弯中由于离心效应造成的影响,很容易导致轮胎的上下部分出现扭曲。
转弯中的轮胎,车轮中心在转向系统的带动下已经产生转角。但由于橡胶的柔软,与牢牢压在地面的轮胎下半部分实际方向还是朝前,这就是转向滞后性。转弯时的车速越高、极限越大,对轮胎造成的扭曲越大、滞后性越严重,造成外侧前轮的转向不足概率就越大。比如在一次高速转弯中内侧前轮与地面失去附着,需要外侧轮转动30度来完成过弯,结果是方向盘调整到理想位置,但由于轮胎的扭曲,实际转动方向只有20度,此时是不是转向不足?
所以厂家在设计转向时均会考虑到轮胎的滑移角度对阿克曼夹角的影响,也就是转弯时外侧轮进行角度补偿,也就是实际中外侧车轮转动角度会更大,这就是实际车型中不存在阿克曼率100%夹角的原因。外侧轮转向角度越大(越接近于内侧轮转角),阿克曼率越低、越适合性能车。因为高性能车往往有更快过弯的基础能力,也就是说过弯时轮胎扭曲会更严重,不把外侧轮转向角度提高很容易在轮胎扭曲的状态下出现转向角度不够导致转向不足。
举一个简单的例子,某车转弯时内侧前轮转了30度、外侧轮转20度是完美的。但在高速转弯时外侧前轮出现扭曲,方向盘完成了对车轮转动20度的调整,但外侧前轮实际只转动了15度,这时就转向不足了。为了避免这个问题,厂家会降低阿克曼率,也就是内侧轮转向30度时、内侧轮会转动25度(阿克曼率降低,向无阿克曼方向接近)。过弯极限越高、外侧前轮转角越大,阿克曼率也就越低等同于阿克曼角越小。
转弯速度最高的F1赛车(反阿克曼夹角),它在转弯时外侧前轮转动角度已经比内侧还要大。但这仅仅是咱们肉眼通过轮胎上半部分观察所得出的结论,但发生扭曲的轮胎下半部分的转向角度并没有上半部分这么大,这只是一种补偿效果。也就是说性能越好的车子阿克曼夹角越小,而阿克曼夹角小所带来的问题(内侧打滑)由车速提高导致的轮胎滑移度来补偿。但问题是在低温、低速时,轮胎滑移都很小、甚至滑移度为0,这时问题就出现了。
低温、低速时过小的轮胎滑移角没办法对偏低的阿克曼率进行补偿
写到这各位也该明白为啥没有完美阿克曼角的车子存在了吧(100%阿克曼率)。因为无论是什么车转弯时都存在轮胎的滑移角,所以实际打造转向时都会考虑外侧轮胎滑移角对转向角造成的影响(降低),所以均会增大外侧转向角=降低阿克曼率,且性能越强越存在制造更高过弯极限的车子,对外侧转向角的增加程度越强=阿克曼率越低=更趋近于阿克曼率为0状态(趋近于)。
也就是说越好的车子(性能取向),阿克曼夹角越小,高速过弯时依靠更大的轮胎滑移度来增大阿克曼角起到补偿作用。但问题是低温、低速时,橡胶轮胎冻得梆硬、低速又没办法引起强离心作用,也就是说外侧轮的滑移角很小甚至为0,这时低阿克曼率的缺陷就显示出来了。也就是上文中提到的内侧轮开始打滑引发跳胎出现噔噔响。
举一个简单略显极端的例子(容易更直观的理解),某高性能车完美的阿克曼角是内侧前轮转30度、外侧25度。因考虑到更强的转弯极限,结合轮胎滑移角将外侧转向度补偿了5度。也就是说这辆车在高速状态下转弯时达到内前轮转30度、外侧25度(此时获得阿克曼角,确保内侧轮不打滑、听话)。但在低温、低速条件下,这辆车的阿克曼角实际为0(仅仅是例子)
上文中关于无阿克曼角的描述其实已经很详细了,不完美的阿克曼夹角必然导致转弯时内侧前轮打滑,且阿克曼率越低、打滑越严重,阿克曼率低到极限0时打滑最严重。不完美的阿克曼率需要温度、转弯车速去进行弥补,越差的车子对车速的要求越低(阿克曼率越高,对补偿的依赖越低)。相反性能越强的车子阿克曼率越低,越需要理想温度与较高的车速造成轮胎滑移角来弥补不完美的阿克曼角,赛车前为啥都要充分暖胎?
所以大家在冬季冰冷环境下挪车时,噔噔响的跳胎声并不是阿克曼转角造成的,更不应该称之为阿克曼效应。因为对于一些高性能车而言,轮胎在低温、低速条件下基本不发生扭曲,那么阿克曼角很小、发挥不了抑制内侧前轮打滑的作用。18世纪那些没有采用阿克曼转角设计的四轮马车,低速转弯会出现跳胎,高速转弯会翻车。
而阿克曼角的产生就是为了避免低速跳胎、高速翻车,而如今的汽车轮胎在低温条件下大角度转弯时阿克曼角所起到的作用降低,甚至无效果,所以内侧前轮才出现打滑、跳胎、噔噔响。所以这不是阿克曼角所导致的问题,而是无阿克曼角作用下所存在的问题。解决方式很简单要么暖暖胎,要么换套冬季胎(低温下更柔然,更容易发生扭曲产生滑移角来补偿阿克曼角的不足),当然这不是什么问题,只是跳胎对悬挂产生的冲击罢了,不会产生啥问题(“阿克曼现象”一词源于高性能车销售员之口)。
实际上这种噔噔的异响是由于寒冷条件下转弯行驶时,汽车内侧前轮出现跳胎(也叫弹胎)所导致的。可能有车友会问,什么是跳胎?跳胎的含义就是轮胎在与地面打滑的过程中突然重新获得与地面的附着力,轮胎从打滑过渡到抓地的过程中对悬挂系统所形成的冲击所产生的声音。实际上在日常行驶中悬挂系统在承受各类冲击时均会发出各种各样的异响。
那么现在问题来了,挪车时方向盘转动角度往往很大,为什么在寒冷条件下会造成内侧前轮打滑?其次温暖环境下同样的挪车为何内侧车轮不打滑?再其次为什么一些入门车型在低温条件下挪车没有这种现象?造成这种现象的根本原因是阿克曼夹角么?严谨地说阿克曼夹角并不是造成寒冷条件下挪车噔噔响的原因。
恰恰相反,阿克曼夹角设计的产生就是为了防止转弯时内侧车轮打滑。也就是说正是因为阿克曼夹角的存在才能避免挪车时出现内侧前轮打滑从而避免噔噔异响,但为什么寒冷环境下会响?根本原因在于低温导致轮胎变硬与地面的附着力降低,冷胎条件下外侧前轮与地面之间的“滑移角”变小、甚至是消失(橡胶是软的,但越冷越硬)。
车轮与地面之间的滑移角变小甚至消失时将对阿克曼夹角造成影响,也可以理解为造成了“阿克曼率”的降低。转向几何中的阿克曼率降低=阿克曼夹角防止内侧车轮打滑的能力下降,也就是说在低温条件下冰冷的轮胎会降低或完全失去阿克曼夹角的作用。当阿克曼夹角设计的作用降低或失去时,转弯时对前内侧车轮的打滑抑制能力降低或失去,所以前内侧轮出现打滑,引发跳胎、继而导致噔噔异响。
阿克曼夹角是什么,是豪车专属么?
写到这各位车友应该已经理解,低温环境下挪车时所产生的噔噔响并不是由于阿克曼夹角所导致的。而是因为阿克曼夹角抑制内侧前轮打滑的作用降低或失效所导致的。那阿克曼夹角究竟是什么?如上图所示100%阿克曼率与0卡克曼率的对比图,具备阿克曼角的转向系统在转弯时各个车轮的垂线都能汇聚于一点。4个车轮来完成车辆的行驶,所以4个车轮垂线汇聚于一点,可以确保车辆可以围绕圆心画圈。
而没有阿克曼夹角设计的转向是啥样的?如上图所示无阿克曼夹角的转向,转弯时左右前轮转向角度完全一致。这时4个车轮的垂线就会汇聚成两个圆心—A点、B点。整车4个车轮围绕一个圆心行驶是协调的,相反一个汽车整体围绕两个圆心行驶,整车运行是否也会协调?当然不会,从逻辑上看一个车的行驶方向不可能有两个,可没有阿克曼夹角的转向系统在转弯时会出现两个方向,这时怎么办?
也就是说当车辆转弯时出现了A、B两个中心点,该以谁为准?当然有一个点要妥协,也就是A、B两点有一个要被动的失效。而失效的一定是内侧前轮垂线与后轮垂线汇聚成的字母A中心点,因为是转弯时由于离心作用整车惯量会往外侧压,内侧轮与地面附着力将降低,如上图极限过弯时内侧前轮甚至会离地。OK,现在我们知道上图中A、B两点中A点将被消除,但问题是B点成为真正意义上的圆心,但内侧前轮还是在绕着A点圆心行驶,这时怎么办?
道理很简单整车4个轮最好能绕着同一个圆心行驶,这时均不打滑。但哪个车轮不围绕着圆心运行,那么这个车轮必打滑。这个过程实际上可以当作是“同心悖论”去理解,如上方动图外圆是外侧车轮绕圈时的运动轨迹而内圈是内侧车轮运动轨迹,当旋转以外侧轮为主体时,那么内侧车轮看似也在旋转但实际上已经留下了多个打滑的点(途中虚线即表现打滑、拖行)。这就是没有阿克曼夹角的现象,转弯时内侧轮极容易打滑,低温时即便速度很低也会打滑。
而阿克曼转角的出现就是为了解决转弯时内侧轮打滑、避免噔噔响甚至是高速行驶中的失控。阿克曼夹角的诞生比世界第一台汽车早了快80年,最早应用于马车。世界上第一辆四轮汽车就采用了阿克曼夹角设计,所以今时今日无论高端车、低端车均采用阿克曼夹角设计。差异在于越高端、性能越强的车子阿克曼率越低,民用车不存在100%的完美阿克曼角,只是在阿克曼率60%-30%之间浮动,性能越强的车子阿克曼率越低,也就是“越趋近于”无阿克曼角状态,也就是说外侧轮转向角度与内侧轮越接近。
轮胎的滑移角对阿克曼角的影响
上面讲了半天其实都是阿克曼对转向系统的影响,但要明白最重要的一点,转向系统无论多么牛、多么强大,实际行驶中汽车上唯一与地面接触的媒介是轮胎。也就是说车子行驶是否协调、听话,不仅要看转向系统更要看轮胎。轮胎不听话,什么阿克曼、转向系统都是白扯。因为轮胎是橡胶做的,橡胶是软质材料即便它可以做得很硬。高速转弯中由于离心效应造成的影响,很容易导致轮胎的上下部分出现扭曲。
转弯中的轮胎,车轮中心在转向系统的带动下已经产生转角。但由于橡胶的柔软,与牢牢压在地面的轮胎下半部分实际方向还是朝前,这就是转向滞后性。转弯时的车速越高、极限越大,对轮胎造成的扭曲越大、滞后性越严重,造成外侧前轮的转向不足概率就越大。比如在一次高速转弯中内侧前轮与地面失去附着,需要外侧轮转动30度来完成过弯,结果是方向盘调整到理想位置,但由于轮胎的扭曲,实际转动方向只有20度,此时是不是转向不足?
所以厂家在设计转向时均会考虑到轮胎的滑移角度对阿克曼夹角的影响,也就是转弯时外侧轮进行角度补偿,也就是实际中外侧车轮转动角度会更大,这就是实际车型中不存在阿克曼率100%夹角的原因。外侧轮转向角度越大(越接近于内侧轮转角),阿克曼率越低、越适合性能车。因为高性能车往往有更快过弯的基础能力,也就是说过弯时轮胎扭曲会更严重,不把外侧轮转向角度提高很容易在轮胎扭曲的状态下出现转向角度不够导致转向不足。
举一个简单的例子,某车转弯时内侧前轮转了30度、外侧轮转20度是完美的。但在高速转弯时外侧前轮出现扭曲,方向盘完成了对车轮转动20度的调整,但外侧前轮实际只转动了15度,这时就转向不足了。为了避免这个问题,厂家会降低阿克曼率,也就是内侧轮转向30度时、内侧轮会转动25度(阿克曼率降低,向无阿克曼方向接近)。过弯极限越高、外侧前轮转角越大,阿克曼率也就越低等同于阿克曼角越小。
转弯速度最高的F1赛车(反阿克曼夹角),它在转弯时外侧前轮转动角度已经比内侧还要大。但这仅仅是咱们肉眼通过轮胎上半部分观察所得出的结论,但发生扭曲的轮胎下半部分的转向角度并没有上半部分这么大,这只是一种补偿效果。也就是说性能越好的车子阿克曼夹角越小,而阿克曼夹角小所带来的问题(内侧打滑)由车速提高导致的轮胎滑移度来补偿。但问题是在低温、低速时,轮胎滑移都很小、甚至滑移度为0,这时问题就出现了。
低温、低速时过小的轮胎滑移角没办法对偏低的阿克曼率进行补偿
写到这各位也该明白为啥没有完美阿克曼角的车子存在了吧(100%阿克曼率)。因为无论是什么车转弯时都存在轮胎的滑移角,所以实际打造转向时都会考虑外侧轮胎滑移角对转向角造成的影响(降低),所以均会增大外侧转向角=降低阿克曼率,且性能越强越存在制造更高过弯极限的车子,对外侧转向角的增加程度越强=阿克曼率越低=更趋近于阿克曼率为0状态(趋近于)。
也就是说越好的车子(性能取向),阿克曼夹角越小,高速过弯时依靠更大的轮胎滑移度来增大阿克曼角起到补偿作用。但问题是低温、低速时,橡胶轮胎冻得梆硬、低速又没办法引起强离心作用,也就是说外侧轮的滑移角很小甚至为0,这时低阿克曼率的缺陷就显示出来了。也就是上文中提到的内侧轮开始打滑引发跳胎出现噔噔响。
举一个简单略显极端的例子(容易更直观的理解),某高性能车完美的阿克曼角是内侧前轮转30度、外侧25度。因考虑到更强的转弯极限,结合轮胎滑移角将外侧转向度补偿了5度。也就是说这辆车在高速状态下转弯时达到内前轮转30度、外侧25度(此时获得阿克曼角,确保内侧轮不打滑、听话)。但在低温、低速条件下,这辆车的阿克曼角实际为0(仅仅是例子)
上文中关于无阿克曼角的描述其实已经很详细了,不完美的阿克曼夹角必然导致转弯时内侧前轮打滑,且阿克曼率越低、打滑越严重,阿克曼率低到极限0时打滑最严重。不完美的阿克曼率需要温度、转弯车速去进行弥补,越差的车子对车速的要求越低(阿克曼率越高,对补偿的依赖越低)。相反性能越强的车子阿克曼率越低,越需要理想温度与较高的车速造成轮胎滑移角来弥补不完美的阿克曼角,赛车前为啥都要充分暖胎?
所以大家在冬季冰冷环境下挪车时,噔噔响的跳胎声并不是阿克曼转角造成的,更不应该称之为阿克曼效应。因为对于一些高性能车而言,轮胎在低温、低速条件下基本不发生扭曲,那么阿克曼角很小、发挥不了抑制内侧前轮打滑的作用。18世纪那些没有采用阿克曼转角设计的四轮马车,低速转弯会出现跳胎,高速转弯会翻车。
而阿克曼角的产生就是为了避免低速跳胎、高速翻车,而如今的汽车轮胎在低温条件下大角度转弯时阿克曼角所起到的作用降低,甚至无效果,所以内侧前轮才出现打滑、跳胎、噔噔响。所以这不是阿克曼角所导致的问题,而是无阿克曼角作用下所存在的问题。解决方式很简单要么暖暖胎,要么换套冬季胎(低温下更柔然,更容易发生扭曲产生滑移角来补偿阿克曼角的不足),当然这不是什么问题,只是跳胎对悬挂产生的冲击罢了,不会产生啥问题(“阿克曼现象”一词源于高性能车销售员之口)。