除了加速性能,车辆的过弯极限也是运动车型追求的目标之一,这就是所谓的动力和操控缺一不可。而作为跑车来说,这方面的需求就近乎极端,为了满足这一需求,其他如舒适性、经济性等都可以做出让步。各大跑车厂商为了达到这种性能的最优化,都在寻求最完美的方式来实现这两大需求。
对于动力不是本文讨论的重点,那是涉及到发动机技术方面,本文探讨的内容是,对于操控性影响最为重要的一点——重心分配。而最为影响重心分配的一个因素,就是驱动方式的布置。作为两驱车来说,中置发动机,特别是后中置发动机后轮驱动,是最符合跑车这一需求的驱动方式。为什么这么说呢?
过弯极限体现了车辆循迹性的好坏。所谓循迹性是指车辆以一定速度按照指定轨迹过弯的能力。车辆过弯时有两种失控的情况。
第一种是转向过度,也就是我们俗称的“甩尾”。
另一种是转向不足,也就是我们俗称的“推头”。
那么这两种失控是怎么发生的呢。转向不足是过弯速度过快时,前轮失去抓地力,车头方向的改变不能得到正确的反应。所以前部没有做出相应的改变,导致车的前部按照原有的运动方向运动,导致转弯幅度过小。这样就增大了车辆的转弯半径,车辆会按照原先运动轨迹圆弧的外切线,以圆弧状往外发生侧滑,造成推头。
而转向过度是车辆在过弯时,车的前部已经发生了方向改变,而后轮由于失去抓地力,沿原方向继续运动,造成后部推动前部运动,改变了过弯半径,造成转向过度的情况。有了上面的基础,下面看重心分配对过弯的影响。
在不考虑汽在加速时带来的重心后移因素,来看一下重心分配对车辆过弯极限的影响。
对于前置发动机前轮驱动的车来说,它的前部重,后部轻。那么在过弯时,由于前部质量大,惯性也大,方向改变困难,所以更容易发生转向不足。大多数家用车都是采用这种驱动方式,在跑车里也有,像奥迪的TT就是典型例子。
而对于后置发动机后轮驱动车来说,车后部重时,过弯时前轮已经改变方向,后轮由于质量大,惯性大的原因保持原方向运动,就容易造成转向过度。最典型的例子就是保时捷的911,这款车几乎是甩尾大王。
车辆的前部过重或是后部过重都会影响车辆的过弯的稳定性,那么当车辆的重心分配做到50%:50%时,车辆具有最好的操控性。因为对于这样的分布而言,前后车轮分配的重量是差不多的,每个车轮突破极限的概率也接近,让四个车轮一起突破极限,肯定比让两个车轮突破极限要高。而在各种车辆中,只有中置后驱车能做到这点。
除了可以做到重心分配50:50以外,中置后驱由于车的重心在车的中部,其过弯极限也是最高的。
中置发动机可以使得车辆最重的部件——发动机仓处于车的中间部位,这样其他的部件就更加容易的布置。不像前驱车那样,发动机仓在驾驶舱之前,这样只能在车辆后部增加配重来达到50%:50%的重心分配。为什么说中置发动机的车才有真正50%:50%的完美重心分配呢。
我们看一个实验,有两个棒子,加入质量均匀。一个中间重,两头轻。另一个中间轻,两头重。如果用这两个棒子分别模拟两种重心分配的车,虽然,这两种重心分配都是前后50%:50%。但是实现方式是不同的。一种是主要重量集中在车头和车尾,这种情况对应的是两头重,中间轻的棒子。另一种是重量主要集中在车的中部,这种情况对应的是中间重,两头轻棒子。
当我们需要让它们绕中心旋转时,需要的力和响应情况都是不同。根据日常生活经验我们就可以得知中间重两头轻的棒子会转动响应更好,需要的力也更小。那为什么会这样呢,我们可以通过力矩的关系来解释,当我们要让棒子转动时,每个部分需要的力矩是不同的。
首先,一般车辆的驱动方式是两驱的。不管是前驱还是后驱,车辆的受力部位都是在两端而不是在中间。而棒子在旋转(对应于车辆过弯情况)时,由于中部具有最大的力臂,根据力矩的计算公式,所以中部的力矩是最大的。也就是中间受力的情况是最理想的。因此,当质量分布集中在中部时,车辆在过弯时受力情更好。如果车辆的质量是通过配重实现50:50的重心分配,也就是说质量都集中在车头和车尾时,必然有一端由于力臂特别小而导致力矩小,受力情况差,这就使得车辆过弯时有一端响应很差,影响了整车的过弯极限。
再看,中间重,两头轻的棒子的旋转情况,中间部位力矩大,受力好,而棒子的质量有恰好都集中在中间,也就是说棒子的大部分质量都有很好的受力,那么自然响应更好。
所以,通过中置发动机实现的50:50重心分配的车辆在过弯时受力更好,响应更迅速。另外,我们注意到,在过弯时,中间部位的位移是最小的,理想情况下,把中心部位看成一个质点,那么中心甚至只有旋转,没有位移。
那么当质量集中在中心时,意味着车辆的大部分质量只做了小的位移,那么自然需要的牵引力小,响应更快。通过上面,力矩和位移两方面的分析,可以得出:通过中置发动机实现的50:50重心分配要比利用配重实现的50:50重心分配有更好的操控性。
后置发动机优点:1、后置发动机一般用在客车上,优点在于节省了乘坐仓的空间,并且取消了传动轴,减少了能量的损耗。而跑车上采用的是中置或后中置的布局,中置就是发动机位于前轴与后轴之间,后中置则是位于后轴之上。中置发动机能令车辆的加速性能提高;2、由于中置发动机的车型重量分布偏向车辆的后部,而加速的时候车辆的重心后移,后轮对地面形成的压力较前置后躯的车型要大,自然后轮的抓地力也会更大。加速时后轮打滑的几率更小一些;3、而且由于重量分布偏向后部的原因,车辆的尾部动态较于前置发动机的车型要更活跃一些。对于一般人来讲会觉得车辆的尾部太活跃了,容易造成车辆的失控,而对于精通驾驶技巧的人来说,那是灵活的尾部动态,可以获得更好的驾驶乐趣。同样,中置发动机相较于前置后躯的车少了一根传动轴,使得车辆内部的能量的损耗更小。