地铁本生轮子吗?
看了下这个问题下的答案,感觉大家已经把这个话题往“机械动力学”上带偏了。其实这是一个关于“流体力学”的问题(或者说含有“流体”这一部分)——具体来说是关于空气流动与阻力的问题。 先给出答案吧:地铁不是轮式车辆。(严格来说,列车不是轮式车辆;轮式车辆指的是四个车轮同时承重的车辆。)
在确定答案后,我们接着要讨论的是:如何评价地铁的“非轮式车辆”设计? 首先我们要明确一点常识:任何一辆汽车,不论是不是轿车,都是“底盘”和“车身”两个部分的结合体、而不是一个整体。同样,地铁也是由“车底”和“车顶”两部分组成的。通常我们把这样一台被分割成上下两个部分、并且通过连接装置形成整体的机器叫做“框架结构”。
地铁的车底负责承重和悬挂系统,并容纳所有驱动/传动部件。一般来讲,一辆正常的地铁车型其车底部分长度远大于高度。因为车厢在地面行驶的时候需要考虑凹凸不平的路面,以及转向时外侧车轮高于内侧车轮导致的侧倾,所以车底的上方部分会做得较为宽扁。 与之对应,地铁的车顶负责载重和安全防护,同时也需要具备足够的强度来承受上下车的冲击力。地铁车顶部分一般会做成相对高耸且宽度较窄的形状。
当然也有例外的情况,比如一些轻型地铁或者无人驾驶地铁的设计。 回到问题中来,地铁并不是轮式车辆的原因非常简单:它是一台框架结构的汽车。而我们熟悉的那些轿车、SUV甚至是卡车,尽管形态千差万别,但它们都是“承载式车身”的汽车。这就意味着这些车辆都是整体式底盘,即车身与底盘融为一体,没有明确的区分。
所以从“车身是否承载式”这个角度来看,地铁确实是“非轮式车辆”——这点和卡车、货车、装甲车等相同。 但为什么我们需要讨论“地铁是否是轮式车辆”这个问题呢? 其实是因为“非轮式车辆”这几个字背后所隐藏的“风阻问题”。 我们知道,影响车辆行驶能耗最大除了发动机输出功率外,就是路面的光滑程度。而路面粗糙程度又和路面附着系数相关。当车辆处于运动状态时,空气相对于运动的地面摩擦会产生升力。
考虑到城市路面大多经过专门平整处理,附着系数对于节能减排的影响实际上并不明显。因此要想让一辆汽车更省油,最实在的方法就是在车身设计上减少风阻——而车身风阻则体现在如下几个方面: 当我们说地铁是“非轮式车辆”时,其实是在说地铁符合“低风阻”车身设计的第1个特点:车身宽窄比高。
另外,由于地铁的车顶往往做高耸状,也满足着车身风阻的第2个特点:适当倾斜。 如果把一辆汽车的底盘看成一个“容器”,那么车身风阻越低,这个“容器”所能盛住的空气量就越少,也就是说空气阻力对底盘产生的作用就越小。反之,如果底盘能装下的空气量大,那么在同一时间内,空气阻力对底盘的作用就会大。 而决定一辆车能否做到低风阻的最关键因素,其实不在于车身的外形,而是在于车底部分的结构——尤其是变速箱的位置。
一般来说,当前主流车型都采用“横置变速箱”的设计,也就是把自动变速箱放置在发动机与方向盘之间,这样的设计可以大大减轻引擎舱的布置难度,优化前端空间利用。但这种布局有个缺点:在相同的机舱容积情况下,安装着横置变速箱的车型一般会比安装着纵置变速箱的车型更长些。这就会导致该车更不“宽矮”,从而增加空气阻力。