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摩托车弯道行驶的原理

2013/8/28 8:29:00

摩托车转弯的原理,这一问题在朋友聚会和互联网论坛上都曾被热烈地讨论过。讨论常涉及到逆转向,但对逆转向的真正含义以及是什么促成逆转向,似乎人们没有统一的认识。下面我们来解释一下这个问题。


一、明确摩托车转向的几个重要概念


1、直接转向和逆转向


一位公路赛车手向我说了一个关于转向的有趣现象,当赛车在赛道上以一定速度倾斜时,他一般在低手把上用力推,便会使前轮渐斩地离开弯道,如果在低手把上用力拉,转向前轮便会转向沿弯道行驶方向。任何时候他都试图将车保持在赛道上。他认为,在低手把上用力拉,可认为是作直接转向,在低手把上用力推,可认为是逆转向。摩托车转向一定是直接转向,或者是逆转向,两者不能同步进行。他对转向的观察结论是,转向在这两者之间变动。


为帮助大家明确这一点,让我们给直接转向下一个定义(参考1图),直接转向就是将前轮直接指向运动的方向。换句话,在左转弯上直接将转向前轮转向左侧就是直接转向。“逆转向”是瞬间地使前轮反向并且让摩托车倾斜的情形。


例如,在一急左转弯运动中倾斜车辆(见图2),因其它原因使其倾斜过大,拉一下左手把将会阻止摩托车进一步倾斜。即使前轮指向了左转弯中心的左边,这仍然是逆转向,当然,逆转向是一个瞬间的动作,这个动作的目的是要改变重心,使车辆或入弯或出弯。在出弯的瞬间转动前轮使其微微地更加指向弯道(通过更向右压手把)促使车身直立。对手把的瞬间压力使车直立的过程就是逆转向。因为逆转向是一个动力过程,所以不能从静止的图片上看出是否在做逆转向。


由上所述,逆转向与直接转向的是密切相连的。对一个急转弯而言,它们是顺序先后的关系,时间和路线相对简短与较长的关系。而这里强调的是逆转向越短促猛烈,车身重心变化越快,车身倾斜越剧烈(同时轮胎侧滑失控可能性也增大),弯道直接转向相对越迅速。


2、推转向


如果你对逆转向要点还有一丝不解,建议作一个小实验。描述逆转向的最简单的方法是右转弯时在右手把上推,左转弯时在左手把上推。在一空旷的直道上,使速度提到56km/h左右,使车作一旋转。然后有意识的轻推左手把,车将微微向左倾斜,车辆将向着道路的左侧前行。推右手把车将微微地向右倾斜,车辆将向着道路的右侧转向。


无论车手是否认识到这一点,这正是每个驾驶摩托车的人都使用的方法。多数骑手把注意力集中在膝盖和脚的压力上,而没有意识到通过双手操作的重要性。一旦你认识到最基本的操作是通过手把完成的,精确转弯就会容易多了。当转弯时不同的车型和不同的情况会给手把不同的力。我们需要更深刻的理解逆转向,而不是仅仅理解为简单地推动手把。

 


二、摩托车弯道行驶特征和原理


1、摩托车与轿车转弯对比


摩托车在转弯前必须首先倾斜,这是两轮摩托车和汽车转弯时重要的不同点之一。你一旦猛转转向盘汽车就开始转弯了。对三轮车或双轮马车等多轮车都是如此。但两轮车不同。即使是轻便运动摩托车,在它实际开始改变方向的前半秒钟要先使车子倾斜。对大排量的旅行车,需要提前一秒钟开始倾斜。


2、转弯就等于打破平衡


正如已经提到的,一辆操纵良好的摩托车是要保持直线运动的。前端几何点自动地操控车子直立地直线向前,向前的牵引力和回转力帮助保持平衡。要使两轮车转弯,需要使它倾斜。所以, 转弯实际是先打破车子的平衡使其倾斜,然后在弯道上再恢复平衡的过程。


3、倾斜、转弯过程


(1)车身倾斜是摩托车转弯重要特征之一。


因为摩托车要转弯必须要使它倾斜,所以倾斜是摩托车转弯的先决条件,同时又是弯道行驶的一个重要特征。骑手身体的旋转,操控车把,甚至路面不平或横风等许多因素,都可引起摩托车倾斜。其中最重要的是操纵车把,所以我们重点考虑这一因素。
让我们一步一步地放慢运动过程,我们将由第一步开始,举例说明弯道行驶,并用夸张的图解来进行说明,使我们更便于理解转弯过程。


骑手通过在手把施一短暂的压力,操纵前轮偏离弯道预定方向开始侧倾(倾斜)。从鞍座上看, 当车的上端倾斜时,似乎前轮继续在直线上。然而实际上是,前轮转向离开了切线方向,车辙离开了弯道,车的质量对抗横向运动,迫使车的上端向弯道内倾斜。例如,做右转弯(见图3所示)。骑手推右手把,促使前轮更加朝向左边,迫使车向右倾斜,实际的逆转向,仅花半秒足以产生一个强有力的倾斜。我们借用更具描述性的一个飞行术语,滚动代替倾斜,就更便于理解。


如果你正在练习逆转向,当你按压车手把,并保持同样的压力。前轮将不停地偏离一切线,车将不停地滚动下去,除非他撞到在地面上,因此,当车向弯道倾斜,你就必须减轻在那最初的逆转向上的推力,以允许前轮向中心运行,如果车倾斜(翻滚)很严重,在手把上要增加一些压力,以阻止滚动,并控制倾斜角度。车轮回转的稳定性,有助于转向平滑。


车处在倾斜状态,并且前轮朝着弯道,此刻,车就开始了转弯。轮胎摩擦力作用于路面并且克服惯性,迫使前端进入弯道。前轮是轻微地指向弯道,骑手恰好应用充分的转向输入保持车的倾斜运行(见图4所示)。


当然,车的牵引力迫使车进入直行。就是我们经常谈的离心力的作用。随着车的侧倾,在弯道侧面重力强烈的下拉使车倾斜,同时离心力正企图使车直立,重力和离心力彼此保持平衡。或者更准确地说,骑手通过小的转向修正,使重力和离心力取得平衡(参见图5所示)。


(2)陀螺进动效应是摩托车回转的又一有趣的特性之一


这个奇特的术语要求的是,如果要使一个旋转的摩托车车轮垂直,通过轴驱动使它向左运转,这轮就要朝右偏斜,这似乎符合实际情况,当摩托车倾斜进入弯道,许多人认为,那个陀螺效应是引起摩托车倾斜进入弯道的最显著的力量。这是一个不错的理论,只是太简单了,一直解释不了摩托车为什么以这样的方法运行。


由于摩托轮胎以滚动形式接触地面,轮胎摩擦力是有公式可计算出来的,其次,在倾斜开始时,转向角度是轻微的,以致发生很小的回旋转动力矩,更重要的是,当摩托车倾斜时,他的前轮是率先离开倾斜的方向,然后再向倾斜方向回转,最后的效果是陀螺效应在倾斜上几乎抵消了他的自身的影响。然而,车轮回转的稳定性是转向中必要的构成要素。假如,车轮小或重量轻,由于它的不稳定性将很难使车保持平衡。


(3)前轮外轨迹特征


当逆转向时,好像是手把上的压力推动车运行,而没有真正的以前轮为轴转动。当车倾倒向弯道时,前端真的偏离了中心吗?是的。这一偏离是很微小的,但是如果前端在转向点对转向轴不能自由转动,那么摩托车就不能平衡和转向。


如果你观察摩托车驶过路面上的慢镜头影像,就会发现最初的逆转向是车的前轮瞬间向外运动,然后朝弯道方向轻松回转留下的车轮印迹。在慢速转弯时,通常前轮胎轨迹在后轮胎轨迹的外侧(见图7所示)。


从摩托车公路大赛拍摄的电影胶片慢动作播放,我们可清晰看到摩托车转弯的轨迹。摄像机记录了摩托车由直道向弯道的全过程,你能看到摩托车转弯时的倾斜角度。


4、圆锥形运动原理


当转弯的摩托车在弯道倾斜时,你或许想知道即使车的前端似乎是直立的,可为什么这辆摩托车能持续转弯?部分原因是前轮略微指向弯道,另一部分原因是圆锥形运动。理解圆锥运动的概念,让我们审视一下前轮接触路面时轮胎的形状。其运动轨迹所图8所示。
虽然我们能看到轮胎的上端形成一圆形,但可以想象到当轮胎接触压力中心时,轮胎瞬间变的扁平。我们知道这轮胎压力中心不是一单纯的点,而是环绕着轮胎面的一个连续的环。重要的是要认识到随着摩托车倾斜进入弯道,轮胎接触地面环,形成一圆锥形状,这类似于纸咖啡杯边缘。


如果你轻推该纸杯,因为它杯底的圆周小于它杯口的圆周,所以它绕一圆周滚动。如果将一长长的牙签穿过杯子底部中心,牙签将近似的指向圆心。当摩托车弯道倾斜时,轮胎的内侧接触地面的运行距离小于轮胎外侧运行距离,摩托轮胎在弯道运行与轻推纸咖啡杯在平面上运动轨迹类似。因此,摩托车弯道倾斜时,车轮在做圆周运动,同时,它的车轴指向转弯的中心。在一特别的急转弯,它的轴线或许真正的指向一圆心,指向地面。


以上这些,就是摩托车转弯行驶过程中的一些基本原理。