主销后倾斜角(kingpin caster angle)
有两个与主销相关的拐角,一个是主销内部倾斜(从车后面可见),另一个是主销后面倾斜(从车的一侧可见)。
今天来谈谈后倾角的影响和如何调节。不同的悬挂设计,主销后倾角的定义点是不同的。如下图,麦弗式悬挂的后倾角是由悬挂的塔顶(硬点)和悬挂转向节定义的,而双叉式悬挂则是由转向节上下端的球形万向节定义的。其实不用死背,主销倾角就是轮胎旋转时的中心旋转轴。
后倾角
从车的一侧观察,如果主销是向后倾斜,则是正后倾角(positive caster),若是向前倾斜,则是负后倾角(negative caster)。需要注意的是这里讲的是主销的角度,并没有提到与轮胎中心的相对位置。我的意思是主销后倾角与下图中的x无关,但x有很重要的实际意义。
主销后倾角对操控的影响主要有两个,第一是对外倾角的影响(camber),第二是转向回馈和保持直线行驶。首先来说说外倾角影响,试想一下当你转弯时,悬挂转向节是怎么运动的。通过下面两个图来帮大家脑补一下。假设是正的后倾角,转向的时候,对于内侧半轴,它会相对于路面向下移动,对于外侧半轴,它会向上移动,所以我们可以把主销看成轮毂的旋转中心。
上面这个图体现的就是正的后倾角在转弯时,轴心的运动轨迹。由于上下的移动,导致了车身在转向的时候会发生高度变化,如果是正后倾角,那么内侧车身将会升高,外侧车身会降低。注意这和上面提到的半轴的方向是相反的。
正负后倾角造成的影响
首先是转向回馈,众所周知转向回馈的重要性,如果没有回馈,驾驶员根本不知道当前车轮的方向。负倾角的缺点是无法给驾驶员提供转向反馈,看看下面这个简图,当你向右转动方向盘的时候,正倾角会给你一个反向的扭矩,此时如果转向中心和轮胎的摩擦中心距离越远(上图当中的x),那么转向时的反扭矩就越大,驾驶员就越费力(Fd是向心力)。这就是x的重要性。而负后倾角提供的是正向的扭矩,完全没有反馈。同时这个反扭矩也保证了车直线行驶的能力,所以负倾角不具有稳定性。
但负后倾角也有实用的地方,例如:超市里面的推车,推车不需要提供反馈,也不需要保持直线行驶,如果推车是正后倾角,那要想在超市里推来推去就不可能了,因为推车没有转向。
上述的另外一种解释可以用陀螺仪来解释,想象一下摩托车和自行车,轮毂是一个旋转质量,这里就不解释了。
刚刚顺带也说到了正后倾角的优势,那就是指向性好。这个直线行驶的能力还来源于半轴收到一个横向的挤压力,这是由于上面提到的车身一面升高一面降低,升高的一面由于更多的车身重量的缘故,收到反作用力,车身自然的回到水平,所以及时在低速的时候(Fd很小),方向盘也会自动回正。
相比公路车,卡丁车的正后倾角更大,这是为了保证过弯的时候内侧的后轮不与路面接触(因为卡丁车是后驱,而且没有差速器),角度越大,车身的高度变化就越大。
总体来说,增大正后倾角可以提高直线稳定性,同时增大方向的回馈,一般来说所以车都采用正后倾角,为了克服转向反馈,所有车都有转向助力。对于负后倾角来说,则不需要转向助力。
如何有效的调节?
不同的悬挂设计,调节主销的方式是不同的,对于麦弗式悬挂,则采用调节硬点(塔顶),如下图。如果是双叉臂,则通过对上控制臂添加垫片进行调节。作为参考,宝马某些车的后倾角大概为5度左右,前轮外倾角(camber)为-1度左右,后轮外倾角跟大一些,-2点几度左右。如果感兴趣,看看你车的使用手册,上面会合理的悬挂调教。
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