自行车为什么不会倒

门| HooKnows

朱宏说：“在传统汽车时代，有人说‘汽车是四圈沙发’。今天我觉得汽车的本质更像是“四圈的N大手机，或者N大超算电脑”。

”

2102年了，依然有“外行”将这句20年前的“名句”奉为圭臬。

倒不是说这个逻辑有什么不对，但听起来仿佛“电脑”是唯一精华之所在，而“轮子”不过信手拈来之儿戏。“智能汽车=电脑+轮子”的无知，不知道已经毒害了多少人。“电脑”的事肯定会有人掰开揉碎讲，那我们就从“轮子”说起——字面含义上的，“轮子”。

把轮子连在沙发上

对汽车一无所知的人眼里，把车翻过来“轮子”肯定就这样：两根轴串上四个轮，架在车底下就妥了，how hard can it be？

这时工程师会尴尬到脚趾抓地并告诉你，老板，你看世界上的路没有完全平着的，这么干能给您脊椎颠成泡沫；而且就算是平路车也得转弯啊，这么干一打方向直接翻车了。

咱得加一根减震器、加一根弹簧缓冲。而且中间那根轮轴您看到没有，它不能承受除转动以外的力，你不能既让它转动传递动力，又让它硬挺着托举车身——不是的，老板，再多钱也不行。

悬架系统：连杆、弹簧、减震器、转向拉杆

我们得在弹簧和减震器之外，额外加几根杆子，把车轮和车身固定起来；但又不能完全固定，得让轮子可以上下起伏，不然弹簧减震器怎么上下伸缩呢；哦，如果是前轮，还得让它能左右转。

于是你第一次知道了“悬架”这个东西的存在，原来是个车就有这套东西，连稍微贵点的乐高都有。

n种悬架类型中的部分

工程师还想给你讲解68种不同的悬架构成，像武举人有9种办法弄死黄老爷。说白了就是形形色色的杆子弹簧组合方式，各自有各自的优点和缺点。因为前轮需要转向，前后的可用类型居然还不一样。这时你听不下去了，“不是只讲轮子吗”，你让他闭嘴。

你怎么也没想到，不光没结束，这刚是个开始。

啥主销？啥后倾？

像这个时代任何一位杰出CEO一样，紧紧遵循着乔老爷子和罗老师的成功路，你有着审美上的强迫症。所以你自然没法理解，好了我允许你加了弹簧加了连杆，怎么还非得给它们朝后斜着摆呢，这是跟工匠精神作对呢？

工程师只好告诉你，完全竖着摆是不行的，加再多钱也是不行。车轮左右转动的轴线，我们叫它主销（Kingpin）；您看到的现象，叫做主销后倾（Kingpin Caster）。绝大多数车子，主销都有着几度的轻微后倾角，因为这样能让您的车轻松跑直线；去掉主销倾角，变成垂直于地面，就会失去这种自回正的能力。哪怕您做自动驾驶，也不能给它凭空上难度吧？

你的好奇心被揪起来了，咋这神奇，为啥朝后歪一点才能跑直线了？

原理和超市购物车是一样的——不论你怎么推购物车，它的轮子永远会摆向行进的后方。当车轮转向轴延长线（主销）与地面的交点（下图中A点），落在车轮的接地点（B点）之前，就会形成类似“车身（与轮子的固定点）拖着轮子跑”的状态。只要没有外力干扰，车就会自己跑直线了。

比如碾过颠簸起伏或者不小心碰了方向盘，车轮方向歪了，但只要继续往前开，它会自己回到笔直前进的状态，是不是神奇又巧妙呢。

注：右边A点上，车轮应该是离地的

自行车的前轮车把向后倾斜也是这个道理，骑自行车不会倒并不是因为你技术真的有多好（ 承认吧），而是前轮主销后倾让你可以轻松骑直线，骑直线速度才能快起来，自行车这才不会倒。自行车发明的早期，有过少数主销无倾斜的奇葩设计，但很快主销后倾就一统江湖了。

这辆早期自行车就不会很容易骑了

行，你叹了口气，那把这什么后倾……给我加到最大，咱中国人开车就要一个稳。

但这样也不行，因为主销后倾角的自回正特性，是以放大转向力矩为代价的，它越是趋于跑直线，咱拐弯可就越费劲啊！而且决定主销这根轴位置的，就是那些个悬架连杆、弹簧、避震器，如果主销往后倾斜太多，这堆东西就会占用后方空间，乘员舱就会变小，车可能就不好卖……是的没有办法，老板，加再多钱也是这样。

而且您别急，主销这根轴还不光得后倾呢，2D平面已经不够用了，咱还得上立体几何。

自动回正的秘密

前面咱说的主销内倾，本质上是“车轮固定点拖着轮子跑”才自动跑直线的，所以它得等车跑起来才会有自回正效果。也就是说主销内倾的自回正更多体现在中高速时，那么低速乃至静止时怎么让车默认跑直线呢？咱把主销往里掰、向内侧倾斜，这叫做主销内倾角（Kingpin Inclination）。

现实中的主销可能同时带有后倾和内倾。

静止状态松方向自动回正，这是主销内倾的功劳

主销内倾，影响车轮转向的轨迹

机智还是古人机智，他们发现：如果把主销向内侧这么一倾斜，当车轮左右转向时，转动的轴线就和车轮本身不平行了。可以想象车轮在转向时，不再是绕着自身的中轴线（左边红线）转动，而是绕着主销轴线（右边黄实线）在画一个圆锥面。

因为车轮是有宽度的，主销内倾之后，车轮左右转向时不再是绕自身轴线的对称转动：当车轮向内侧“拐”时，会把轮胎胎面的外侧抬高；而当车轮向外侧“拐”，会将胎面外侧向下“压”。

下次在停车状态打几把方向，看看能不能感觉到车头两边的高度在发生变化。

注意下面表示地面的黑线，当胎面“陷入”地面，意味实际中车轮被抬高

有了这样一个简单的倾斜，一旦车轮不是笔直朝前，车身外侧就会被抬高、内侧会被降低——换言之，这辆车它左右不平了。而重力永远会让两边有恢复到一样高的趋势，于是静止和低速状态的“自动回正”就形成了——除非你持续地施加外力，那就是在转向了。

主销后倾和主销内倾，分别提供了行驶状态和静止状态下的“默认跑直线”能力。但与后倾角一样，主销内倾也不能无限度增加，这些角度需要综合考量整辆车的状态、需求而定，尝试不同的角度组合来达到整体最优，也就是我们经常听到的“调校”“标定”过程。

哦对了，主销内倾的英文缩写是大家的老朋友：KPI（KingPin Inclination）。

让方向盘知轻重

是的老板，还没完。

现在你已经知道了，主销就是车轮转向时的那根旋转轴线，而决定轮子绕着这根轴转的，是悬架系统那一堆杆子、弹簧等等乱七八糟的玩意儿。

这就引申出一个几何问题：你可以选择让倾斜后的主销轴线延长线，正好落在轮子接地点的正中心；你也可以让它俩不相交，主销延长线与地面的交点，落在轮子正中心的内侧或外侧。这两个点之间的距离，我们叫它“主销偏置距”。

正、零、负主销偏距

通常，我们会让主销轴线与地面的交点，稍微靠内侧一点，也就是让轮子“更靠外”一点，这叫做“正主销偏距”（Kingpin offset）。

主销偏距的用处，是提供一定的转向阻力矩，它决定着我们常说的“方向手感”，是“沉”还是“轻”。车轮在转向时受到的阻力力矩，主要就是来自主销偏置距，偏置距越大（不论正负），转向时轮胎需要“碾过”的距离越长，转向手感越“重”。

想象一下俯视视角，当主销偏置距为零时，转向轮是绕着接地胎面的中心转动，转动的阻力是最小的，转向手感就趋向于“轻”；而当加入一定的主销偏置距，转向动作变成了“让胎面扫过一个圆弧形扇面”，路径更长摩擦力更大，你（或助力系统）需要用更大的力量，去对抗这种阻碍车轮转向的阻力力矩，表现为“方向沉”。

从车顶方向往下看的俯视图

主销偏距这个东西，既是蜜糖也是砒霜，全看你怎么选。如果需要偏置距，这个偏置的距离是大是小也需要抉择。

较大的主销偏置距，会让方向更“沉”，所以很多赛车高性能车会借此提供更精确的手感回馈。但相应的，车轮磨损也会更严重，并且内外侧磨损更不平均。如果主销偏距过大，还影响刹车时的稳定性、悬架的机械寿命。

X型腿和内八字

主销轴线有各种“倾”，车轮本身也不是省油的灯。

主销有内倾，而车轮又有自己的内倾外倾，形似人类的“X型腿”和“O型腿”。车轮倾角（Camber）和主销倾角，彼此独立又彼此影响，两种倾角的角度和二者间的相对角度，会影响到车子的动态特性。

负外倾角、无外倾角、正外倾角

日常生活中的汽车，正常行驶时一般无车轮倾角，或带有微小的负外倾角。但当转弯或遇到颠簸，弹簧被压缩一侧车轮的负外倾角会增大，这种现象叫做负外倾角增益（Camber Gain）。

这个负外倾角增益的效果，由悬架系统的几何设计而决定。在车辆过弯时，我们希望随着外侧悬架被压缩程度增大，外侧车轮的负外倾角能跟着增大，这样可以让外侧轮胎尽可能增加接地的面积，从而提高转向中的抓地力。

简单讲就是，当车子转弯时车身向外倾斜，我们希望车轮反而能向内倾斜，从而补偿车身的倾斜，使车轮（尽可能）保持正确接地。至于这一点是如何做到，是一个简单但需大篇幅的中学几何问题。前面说啥来着，今天咱只讲“轮子”，悬架不是重点。

你大概从来没发现，车和人一样，也有外八字脚和内八字脚。车轮“外八内八”的角度，学名叫做“束角”（Toe）。通常你能见到的车都带有“内八字”，我们叫它车轮前束（Toe-in）；如果是外八字，则称车轮后束或负前束（Toe-out）。

机动车驾驶员时不时要去4S店做“四轮定位”，很多时候主要调的就是束角。

后束/负前束、零束角、前束

一看图便知，束角一定会增加前行的阻力，所以日常中的汽车不会使用肉眼可见的大幅度束角。前束角的作用，同样是保证车辆正常前进，它的应用和上面的车轮外倾角紧密相关。因为负外倾角会让两边车轮在车辆前进时有向两侧分开的趋势，而前束角会让两边车轮有向内靠拢的趋势，于是二者合力抵消了“左右轮分手”对轮轴造成的压力。

对于后轮，正确的前束角设置是确保行驶稳定性的重要安全因素。如果后轮约束不当，出现了负前束，就会增加车尾甩出的失控风险（逮虾户.mp3）。相反，对于赛车和高性能跑车，有时会利用负前束不稳定的特性，来提高极限驾驶时的转向响应速度。

大概在99%的人的大脑认知里，“车就是沙发加轮子”已经深入人心——仿佛轮子就是一个远比“智能”简单原始得多的远古发明，小孩子都了解得清清楚楚。

但很不幸，世界是一个复杂系统，简单粗暴易理解易传播的常常不是真相。单单“轮子”本身，单单是角度问题，就有主销后倾、主销内倾、主销偏距、车轮倾角、车轮束角……这些车轮几何参数，多半还会随着车轮运动（上下跳动）而在一定范围内变化浮动，不仅需要找到最适合的一个值，还需要找到最合适的一个“域”。这些单一参数的最佳值，经常还与其他参数的最佳值彼此冲突，你必须考虑到自身定位与需求，做出取舍与平衡。

当你意识到这显然不是一件足够简单的事，也就理解了为何汽车经过了百年发展才日渐成熟。如果你觉得一样东西简单得不能再简单，它却客观上撑起了一个巨型行业生存多年，那这种“简单”多半是源于“无知”。

具体到今天的情况，重点是：这些“轮子”学问，与动力是油还是电、人类还是电脑驾驶几乎通通无关。不论电驱动还是自动驾驶，只要车还是用轮子行驶而没有长出腿，以上这些物理定律就还是要按牛顿先生的意思来。你不需要“重新发明轮子”，但“电脑+轮子”的智能汽车，也需要你至少先有能力把自己的轮子做好。