大家都愛轉向不足

dabinn

這是一篇說明汽車轉向特性的文章，是我看過覺得最容易理解，卻又講的非常清楚的一篇好文，所以特別去找來作個備份，以免有人要看的時候文章不見了。

原文由汽車線上記者sutl於2002-12-13發表
原作者K-phAt，於2007-09-09在OIKOS生活網再次發表

兩篇的文字部份稍有些不同，在這邊轉載的是第一次發表的版本。
--------------------------------------------------------------------------------


一般人在過彎車速過快發生車禍時，如果車子是直直衝到對向車道，撞到對向車輛時，大多數的駕駛人都會認為是自己車速過快，被撞的人也會認為是對方車速過快，來紀錄的員警也會認為是肇事者車速過快，連法官也會這麼認為。但如果換一個失控方式，不是車頭衝出去，而是車尾衝出去的話，相信很多車主會認為車子穩定性怎麼這麼差，被撞到的人也認為是被一部操控性不佳的車撞到，來紀錄的員警也認為肇事車輛的抓地力怎麼這麼差，連法官也會這麼認為。於是搞到最後，這部轉向過度的車可能會被政府下達全面強制回收的命令，為了避免這種悲慘的命運，車廠只好都將車作成轉向不足，因為轉向不足是普世公認的神聖正道，轉向過度都是邪魔妖道。




車輛動態的基礎理論
不過在進入本文重點『如何將車作成轉向不足』前，當然要先講一下車輛動態的原始特性，影響車輛動態最主要的三個原因，一為車身重量分佈，二為驅動輪的配置，三為懸吊系統的設定。但其實有一個東西影響比懸吊系統還大，那就是輪胎，不過一般車輛四輪輪胎都相同，那就不影響車輛動態了。影響車輛動態最顯著的莫過於車身的重量分配了，而現在車輛上最重的東西不外乎引擎與變速箱兩大項，在一般的情況下，引擎會放在車頭，這是因為引擎需要散熱，而車頭是整部車最容易吹到風的地方。其實就算是中置引擎的跑車，通常引擎散熱水箱也是放在車頭，所以為免自找麻煩，一般市售車都是前置引擎的。而變速箱通常也都是直接接在引擎後方，這樣比較方便簡單省錢，只有少數FR跑車會採用前置引擎後置變速箱的平衡設計。在一般情況下，FF車的前後配重約為65/35，FR車的前後配重約為60/40，後置變速箱的FR的前後配重約為51/49，MR車的前後配重約為 40/60，RR車的前後配重約為35/65，而最近很流行的前中置FR車的前後配重約為55/45。


▲這麼大的一顆引擎放在車頭，再加上一顆變速箱，要車頭不重也難。


這些前後配重除了引擎變速箱位置的影響之外，也有驅動輪牽引力與轉向特性的考量。FF車的配重要做到55/45也不是不可能，只要將前懸縮短後懸拉長，引擎靠近防火牆，電瓶等重物放到行李箱去就成了，不過這樣前輪的遷引力就會太低而頻頻打滑，所以一般市售FF車前輪的荷重還是會設計到60%以上。而大多數的FR車為60/40的原因為省空間，不要以為古人不知道前中置FR這種設計，而是這種設計下的車室空間勢必因引擎後移而大幅縮小，所以講求乘坐空間的房車是不可能採用這種設計的，而且為了要轉向不足，車頭重一點比較好。大部分的MR跑車的前後配重約在40~45/60~55，除了引擎實際上在中央偏後、變速箱在後這種顯而易見的因素外，還有考慮到油箱重與駕駛人重的問題，因為跑車車重都很輕，再加上這兩個重物之後，前後配重更為平衡，而且，跑車的馬力很大，在只有後輪驅動的情況下，後輪的荷重還是大一點比較好。 RR車在這世上幾乎就是指911，35/65的配重誕生了911的甩尾神話，這主要是因為引擎在後輪之後的原因。OK！接下來就來說明前後配重對於轉向特性的影響。


▲這是FF車常見的後麥花臣設計，不過是用三支連桿代替下臂，看得出來這樣的前後懸吊設計，將使得Mondeo的後輪穩定性遠優於前輪。


摩擦力＝向下力×摩擦係數

在講車重與抓地力與轉向特性的關係之前，我要先說一句話：「上面那一個公式是正確的。」可是在現實環境的體驗下，大家都覺得好像不對，原因很簡單：『輪胎的摩擦係數會變』相信很多人都知道輪胎有工作溫度這一回事，到工作溫度時的摩擦力最大，低時摩擦力小些，高時摩擦力大幅滑落，而這些熱都是摩擦造成的，摩擦力越大溫度上升就越快，知道這一回事的話，很多日常可見的車輛動態現象就很容易了解了。 OK！為了方便說明起見，我舉個例好了：一部前後配重600kg/400kg的車，前輪的溫度會比後輪高，假設某個瞬間前輪的摩擦係數下降為0.77，後輪下降為0.82，這時前後輪的靜摩擦力為462kg/328kg，這樣當車以0.75G的加速度過彎時，前後所受到的橫向力為450kg/300kg，還不會使輪胎打滑，當以0.80G的加速度過彎時，前後輪所受到的橫向力為480kg/320kg，這時前輪就會打滑，而後輪卻還沒有，但事實上這部車不會到0.80G這種加速度，只要一超過0.77G，前輪就會開始打滑，而轉向G值就不會在上升。這樣舉例你就知道為何前置引擎會造成轉向不足，後置引擎會造成轉向過度的原因，因為輪胎摩擦係數會隨著溫度改變，而輪胎溫度會隨著承受到的力量而改變。


▲同樣的底盤在JAGUAR X-TYPE 2.5上，改採用4WD的設計。前懸吊長得跟Mondeo一樣。後懸吊就不一樣，採用上下控制臂的設計


重心高低的影響

繼續討論重量分配對輪胎溫度的影響，重量除了前後分配的情況之外，也有高低的不同，因為重心高低對於輪胎向下力的影響是僅次於重心前後位置的，當重心越高時，外側輪胎的向下力會越大。完全聽不懂是吧！我再舉例好了。假設一部車重心高1m、輪距2m、車重1000kg，這樣當車受到橫向0G的加速度時，左右輪的向下力為500kg/500kg，當車受到橫向1G的加速力時，這時左右輪的下壓力為1000kg/0kg。再假設一部車重心高0.5m、輪距2m、車重1000kg，當它受到橫向1G的加速度時，左右輪為750kg/250kg。這樣你就了解到，重心低的車讓輪胎承受到的下壓力比較小，這樣輪胎溫度就上升的比較慢，摩擦係數下降的也就比較慢。再再假設一部車重心高0.5m、輪距1m、車重1000kg，當受到橫向1G的加速度時，左右輪為1000kg/0kg。這樣你就知道寬輪距與低重心有同樣的效果。所以有些前置引擎車在設計時，會設法降低前輪重心提高後輪重心，加寬前輪輪距縮窄後輪輪距，以彌補車頭太重所造成的轉向嚴重不足現象。


▲說到平衡配重，HONDA S2000做的更絕。作出一顆超級小的引擎，硬塞在前軸之後，號稱前中置設計。前後使用差不多長的上下控制臂設計，誕生出一部極限很高，卻很轉向中性的車。不過轉向中性的車一但超過極限是很難救得回來的。


輪胎不能兩頭燒

大致講完重量分配的影響後，接下來講到驅動輪的影響，正所謂一心不能二用，這道理用在輪胎上也是說得通的，不過不是驅動力＋橫向力＝輪胎抓地力這麼可憐，而是驅動力^2＋橫向力^2＝輪胎抓地力^2。反正要了解的是，當你使用引擎加速或煞車時，都會使驅動輪的橫向力降低。所以你已經知道為何前驅車會轉向不足/後驅車會轉向過度的原因了，而且馬力越大越明顯喔。再來講講比較多變數的四驅車。四驅車變數多的原因在於中央差速器的限滑比跟扭力比的設計，這些設計在一般的差速器上是不會出現的，要不然會發生左右彎轉向特性截然不同的現象。而四輪驅動車的中央差速器就沒這種問題了，利用限滑比或扭力比的設計，可以使一部車的前後轉向特性不同，以達成所需的轉向設計。先講比較常見的限滑比好了，一般我們常聽到什麼25%、50%、75%限滑比，指的是當對向輪胎打滑後，另一側的輪胎還能保有多少原本的輸出力。當然，這個數值在前/後差數器上是兩邊等值的，但在中央差速器上是可以做到前後不等值的。這樣當車輛在打滑的時候，前後輪所保有的輸出力將會不等值，如果這個數值後大於前，會使車輛在打滑後的特性接近於後驅車。


▲ 所有的跑車都是前窄後寬，不管是輪距還是輪胎都一樣。這部FERRARI 550在前後平衡上更下苦心，是前置引擎後置變速箱的設計。


在歐洲車方面，更常用一種主動式的扭力比設計，這種中央差速器採用行星齒輪式的設計，與一般扇齒設計完全不同。扇齒設計的差速器，左右的扭力分配在無外力干擾的情況下﹙過彎、打滑﹚，左右的扭力分配為50:50。而行星齒輪式的差速器，可以在外力無干擾的情況下，使前後的扭力分配設成所想要的值，一般為簡單起見，多設為前34/後66的扭力分配數值。扭力比跟限滑比比較起來有一項顯而易見的優點，就是當輪胎尚未打滑之時，既提供前後不同的輸出力道，讓一般不會將車開道及限邊緣的駕駛人，也能感受到略偏後驅車的駕馭感受，而限滑比則要在有輪胎打滑後，才會有略偏後驅的駕馭感覺。最後再提限滑差速器對行車動態的影響。一般差速器當輪胎打滑之後，驅動力就全往打滑輪輸出，使得接地輪毫無驅動力可言，當這種情況發生時，這車可視為無驅車，這時車輛的動態特性就與驅動輪在那完全無關。但有了限滑差速器之後，當輪胎打滑時，接地輪仍然有驅動力的存在，這時的車輛動態特性仍與打滑前差不多。這也就是說前驅車在裝上限滑差速器後會更偏轉向不足，而後驅車會更偏轉向過度的意思。


▲當然，前窄後寬的設計在MR的FERRARI 360上會更誇張。


麻煩一堆的懸吊

懸吊的花招最多，雖然影響性遠不及車身重量分佈與驅動輪配置，但卻是各廠商最能大顯身手的地方。在車身剛性與懸吊臂剛性都沒問題的前提下，討論各式的懸吊設計才是有意義的，在現代車輛中，前懸吊常見的設計有滑柱式﹙麥花臣﹚與上下臂式﹙雙A臂﹚，後懸吊常見設計有滑柱式、上下臂式、拖曳臂式、車軸式。不過，不見得前懸吊用哪一式，後懸吊用哪一式，車輛的動態特性就會如何變化。先講前懸吊，不論是用滑柱式或上下臂式，最重要的是懸吊臂的長度，懸吊臂的長度越長，輪胎在上下運動時的角度變化量就越少，輪胎表面溫度也就平均，不易發生居部過熱而減低摩擦係數的問題。但是，在車頭要讓懸吊臂長度長是一件很困難的事，因為車頭通常有引擎與變速箱，這兩者所佔的空間都會使得懸吊臂做不長，這情況在橫置引擎的車輛上尤其嚴重，在很多情況下，上下臂的設計不見得比滑柱式的設計更好，因為上臂更容易因引擎等外在因素做不長，太短的上臂除了讓輪胎接地角度大幅變動之外，也會使懸吊衝程變短，會發生荷重全轉移到外側輪的情況，使得輪胎溫度大幅提升。所以先決要件在於懸吊臂的長短，只要夠長夠硬，哪一種設計都沒差，不過上下臂的設計比較能達到夠硬的要求罷了。在後懸吊方面，滑柱式與上下臂式的要求與前懸吊相同，不過在少了引擎與變速箱卡位之後，往往比前懸吊好設計多了。而車軸式的設計只要設計得好，往往後輪都是90度垂直著地，整個後輪的安定性會極佳。至於拖曳臂式的設計則要分兩方面來講，先講非獨立拖曳臂，這型的拖曳臂有扭力梁連接左右拖曳臂，使得左右拖曳臂同上同下，造成在過彎時，整個後車身的重量都由彎外輪承擔，將使得後輪的胎溫較前輪高。而獨立式的拖曳臂或半拖曳臂或多連桿拖曳臂，設計要點均如滑柱式或上下臂一樣，越長越安定。


▲而到了RR大馬力設計的PORSCHE 911 GT2上就會變成一部屁屁很大的車了。


那要如何轉向不足

前面將影響車輛動態特性的三大要點交代過之後，接下來開始說明車廠是如何將車輛做到轉向不足。首先，前置引擎的車本來就會轉向不足，而前輪驅動的更會轉向不足，所以除非車身後半重心過高，或是後懸吊臂太短，否則一般人開FF車很難發生轉向過度。 FR車則要注意到後懸吊系統的設計，因為後輪的驅動力過大可能會使後輪失去橫向的抓地力，形成動力甩尾，所以後輪一定要用獨立式設計，懸吊臂要長，前懸吊採用較短的懸吊臂設計，使得後輪在加減速時，安定度還是大於前輪。必要時加大後輪，使後輪的熱含量加大，避免後輪溫度過高。 MR車除了懸吊與輪胎之外，後輪距一定要比前輪距寬，使得車輛在沒有加速的情況下，還是呈現轉向不足的情況。而911呢？大家都知道911的註冊商標就是它的大屁股，911到後來就是用超寬的後輪距，再加上多連桿的後懸吊幫忙之下，使得911桀傲不遜的操控性，變成宛若大排氣量房車般，turbo版也在4WD的幫忙下變得很好開，只剩GT2還有些許911傳說般的味道了。

一切都是消費者決定的

一般汽車雜誌常說：『FF車轉向不足，FR、RR車轉向過度，MR、4WD車輛轉向中性』說真的讓人很懷疑有沒有開過車，在現今車輛上，每部車進彎都會推頭，都是轉向不足的。差別只是從頭推到底，或是先推後甩罷了，還沒見過哪部車在以一般的開車方式下會先甩著進彎的。因為，全世界的消費者都能接受轉向不足，甚至到轉向不足發生車禍都能接受。而轉向過度就算沒出事，也會把絕大多數的消費者下出一身冷汗，所以不會有車廠閒閒沒事幹，作出一部本質上就屬於轉向過度的車來。於是愛好轉向過度的人就只有繼續用鐘擺轉向、動力轉向等實質會降低速度的方法來甩尾了。

dabinn

這篇文我覺得真的寫的非常好，一開始切入的點就蠻有趣的，然後對影響前後抓地力分配的因素作了非常多的解釋，可以學到不少東西。不過我是覺得有個地方小有問題啦，還是說一下可能比較好一點。
就是要提轉向過度/轉向不足的話，得先定義一下這詞的意義才行。一般的定義大致會像這樣：

把車子方向盤轉一角度再鎖死(角度當然不能太死或太少),再用慢速
繞一圈(車子不能有打滑),該圈應該是一個正圓,我們稱為"標準轉彎路線".
然後再慢慢把車子加速,加速到車子不依"標準轉彎路線"行走為止!
如果車子是偏往圈圈外側,我們稱之"轉向不足"
如果車子是偏往圈圈內側,我們稱之"轉向過度"

(引用自: http://bbs.nsysu.edu.tw/txtVersi ... M.1100367536.A.html )


以這定義來講的話，就是由驅動輪造成前後抓地力分配的改變，產生不同的轉向特性。所以『FF車轉向不足，FR、RR車轉向過度，MR、4WD車輛轉向中性』應該不能說是錯的啦...。

fko47

只是這文章看完覺得屬於偏向理論型的,轉向特性在實際行車中可以藉由油門的控制來改變!

dabinn

對啊...這其實是調車的時候拿來參考用的
像是後輪抓地力嫌不夠的時候就把後面輪距加大...

dragon

好文...吞下去了

simon110

沒錯.調車參考用.實際場上調車最準確..

minatsuki

好文!!學起來!!

不過我愛轉向過度高於轉向不足...

dragon

180度嗎...+_+

lws0322

的確~~

　　以ＭＩＮＩ－Ｚ的世界來說，由於沒有剎車系統的輔助，除了油門的控制外，轉向的循跡性就很重要，而調車的＂感覺＂，關鍵就是在如何在放油門或是加油門的時機車子都能順暢的在彎道上既要縮小轉彎的角度又不能小到後輪失去抓地而打滑！我想除非是在像高速公路那樣的大直線！不然以ＭＩＮＩ－Ｚ常跑的動向而言，基本上彎道多於直線，既然如此～往往調車的關鍵就在於＂如何有效的縮短在彎道的時間＂，以ＭＲ０２的ＭＭ及ＲＭ來說，ＭＭ就比較吃香一點，除了在配重及軸距上的差異性外，ＭＭ的車系的車殼設定也有一定的影響；總之～～如果油門控制的好，ＭＭ在彎道上的表現，會比較細膩，相較之下ＲＭ就會變得有點轉向不足了。