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重量轉移與負荷轉移

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一輛雪佛蘭科邁羅在比賽中加速產生前輪離地。
一名摩托車手利用重量轉移表演特技。
一輛豐田 MR2在轉彎時向外傾斜。

負荷轉移(英語:Load transfer)一般用來描述當汽車加速時,負荷施加於各輪上的狀況。[1]汽車行業(三或四輪以上)也會使用「重量轉移」來描述這個概念[2],因此某程度上,兩詞是通用的。「負荷轉移」也是摩托車行業上經常使用的詞彙。[3][4]

重量轉移(英語:Weight transfer )則用來描述,因車上的懸掛或負荷移動產生的重心轉移。這效應對摩托車的影響較大,對三或四輪以上的汽車影響則較小。

兩者主要的分別在於,「負荷轉移」是由於施加於汽車的力不均衡所致;「重量轉移」則是源於汽車的重心移動。(由於地球上的汽車皆受接近的重力影響,因此這裡「重心」及「質心」皆通用。)

負荷轉移

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對於所有有輪的車輛而言,負荷轉移用來描述載具在加速時(包括縱向及橫向加速),汽車負荷施加於各輪上的狀況。[5]這裡的加速也指負加速(即減速或制動的過程)[6]。由於負荷轉移可發生於沒有懸掛系統的車輛上,所以車輪間的質心轉移與否,並不是重要的因素。負荷轉移是了解車輛動力學的重要概念,摩托車動力學亦然(只涉及縱向運動)。

負荷轉移對牽引力的影響

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每當汽車加速、剎車或過彎時,負荷轉移會改變四輪的牽引力。隨著一邊輪胎的工作量(負荷)越來越高,它們整體的牽引力便會下降,這現象與輪胎的負荷靈敏度有關。要緩解輪胎負荷過高的情況,驅動輪胎的分佈顯得相當重要。例如,動力輸出強勁的汽車一般不會採用前輪驅動的配置。因為當汽車急加速時,前輪驅動的汽車難以將負荷傳移到後輪,所以使前輪因負荷過大導致整體牽引力下降。後輪驅動及四輪驅動(在一般情況下,四輪驅動的動力多傾於後輪。)的汽車會將前輪的負荷轉移到後輪,因此後輪獲得額外的牽引力,前輪的負荷因此減少,這適合作為高性能汽車的配置。

重量轉移及質心(或重心)對汽車造成的影響

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車輛加速時會有多個力施加於輪胎與地面的接觸面上,這些力不會直接施加在車輛的質心上。車輛質心位移會產生一股慣性力,其力臂從質心延伸至輪胎(支點),加上輪胎牽引力產生的力矩,種種力矩令車輛上的重量分配產生變化。即使對於一輛沒有懸掛系統,不會傾側及翻轉的汽車來說,它仍然會發生重量轉移的現象。由於車體的質心水平位移及輪胎變形(車輛的傾側及翻轉所導致)影響,車輛會有額外的重量轉移產生。

降低重量轉移的方法是降低質心的高度(即質心與地面的距離)。這會導致縱向及橫向的重量轉移都會降低。另一個降低重量轉移的方法就是增加輪子之間的距離。增加軸距會降低縱向的負荷轉移;增加輪距會降低橫向的負荷轉移。大部分高性能的汽車都設計成低質心,而且其軸距及輪距也有增加。

要計算負載轉移,可透過「重量轉移方程式」(英語:weight transfer equation)(由於上述提到「重量轉移」及「負載轉移」在某些情況是互通的):

或者

是指前輪的負荷改變, 是縱向加速, 重力加速度是質心高度, 是軸距, 是車輛總質量,是車輛總重量。[7][8]

另外,重量轉移亦包括所有因懸掛系統作用所導致的車盤位移,或車上的運載物或液體的位移。[5]這些因素都會導致各輪的負荷重新分配。在駕駛的過程,重心的位移會導致重量的轉移。車輛的前後重量轉移視乎軸距之間重心的水平位置而定;側向的重量轉移視乎輪距之間重心的橫向位置而定。各種液體例如燃油也會導致車輛的質心轉移。在燃油消耗的過程中,質心的位置除了會改變之外,車輛的整體重量也會下降。

舉例來說,當一車輛加速時,它的重心會向車的後方移動,因此,它的重量也會向後轉移。車外的觀察者會看到車輛有向後傾斜的現象(車身呈現前高後低)。相反,當汽車剎車時,它的重心會向車的後前移動,因此它的重量會向前轉移。尤其車輛在猛烈的制動下,車內的觀察者甚至可以留意到車頭有向前下沉的現象。同樣,當車輛過彎時,重量會移向遠離彎心的一側。

重量轉移對汽車(三或四輪以上)的影響遠不及負荷轉移大。以一輛輪距1650mm及質心高度550mm的汽車為例,當它以0.9個標準重力(G力)過彎時,會出現30%的負載轉移,也就是說,離彎心較遠的兩個輪胎會比之前增加60%的負載,近彎心的兩個輪胎則比之前減少60%的負載,而整體抓地力亦會下降約6%。雖然汽車的質心也會作出縱向及橫向移動,但不會超出30mm,即少於2%的的重量轉移,也意味著只有0.01%的抓地力損失。

負荷轉移產生的側翻

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當橫向的負荷轉移發生,汽車會因為輪胎上的負荷轉移到車外側,導致車的內側的輪胎有升起的現象。假如轉移的負載達到車重的一半,便會開始側翻。

參考資料

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  1. ^ Pacejka, Hans B. Tyre and vehicle dynamics (Second ed.). SAE International. pp. 14–15. 2006. ISBN 978-0-7680-1702-1. 
  2. ^ Thomas D, Gillespie. Fundamentals of Vehicle Dynamics. SAE International. 1992. 
  3. ^ Cossalter, Vittore. Motorcycle Dynamics (Second ed.). Lulu.com. pp. 84–85. 2006. ISBN 978-1-4303-0861-4. 
  4. ^ Cocco, Gaetano. Motorcycle Design and Technology. Motorbooks. pp. 40–46. 2005. ISBN 978-0-7603-1990-1. 
  5. ^ 5.0 5.1 Wm Harbin. Vehicle Load Transfer (PDF). [2023-08-09]. (原始內容存檔 (PDF)於2023-08-10). 
  6. ^ Jazar, Reza N. Vehicle Dynamics. Springer. p. 72. 2008. ISBN 978-0-387-74243-4. 
  7. ^ Huffman, John Pearley. "The Physics of Wheelstands". Car and Driver. [2023-08-09]. (原始內容存檔於2023-09-28). 
  8. ^ P. Gritt. "Introduction to Brake Systems" (PDF). [2023-08-09]. (原始內容 (PDF)存檔於2019-11-24).