方向盘为什么会自动回正

这背后的原因与车轮的自动回正机制密切相关:

方向盘与车轮是通过传动杆和齿轮齿条机构连接的，当司机转动方向盘时，扭矩会通过传动杆传递给齿轮齿条机构，进而驱动拉杆左右移动。拉杆的移动会带动转向节（固定在轮毂上）产生推拉作用，从而实现车轮的转向。从运动学角度来看，车轮转向属于定轴转动。

力矩是车轮转向与回正的关键。力矩是由力和力臂共同决定的，力矩M的计算公式为M = F × d，其中F是力的大小，d是力臂。力矩M与力的大小和力臂成正比，力矩越大，转动效果越明显。转动方向可以用右手螺旋法则来判定：将右手四指沿着力的方向握住转轴，四指的转向即为力对轴之矩的转向。

悬挂系统的不同设计会影响力的传递方式，但车轮的转向与回正的本质都是力对轴之矩的作用效果。以麦佛逊悬挂为例，车轮转向时将以主销为转轴，轮毂在转向拉杆的推拉作用下产生绕主销轴线的力矩，使车轮发生转向。

通常情况下，主销设计不是垂直向下的，而是向后、向内倾斜。假设车辆为前驱（即前轮为主动轮），当主销后倾时，假设后倾角为θ。车辆前进行驶时，主动轮摩擦力f1作用在车轮面内，指向车轮前进方向。当车轮向左转弯时，车轮将绕主销转轴向左偏转，此时车轮会受到两个摩擦力的作用：一是维持车辆前行的摩擦力f1，二是提供车辆转弯向心力的摩擦力f2。

车轮向左偏转后，一方面，摩擦力f1将偏向主销转轴的左侧，产生f1对主销轴之矩，使车轮回正；另一方面，提供向心力的摩擦力f2位于转轴后方，且指向左（指向转弯中心），因此f2对主销轴之矩也使车轮回正。同理，当车轮向右转向时，指向前进方向的摩擦力f1和提供向心力的摩擦力f2也将产生使车轮回正的力矩。

转弯时，车轮在两个摩擦力的作用下回正，由于摩擦力是被动力，不需要额外施加主动力，看起来车轮就自动回正了。需要注意的是，当车轮不与地面打滑时，f1和f2都是静摩擦力，其中f1是滚动静摩擦力，f2是滑动静摩擦力。一般情况下，滚动摩擦力只有滑动摩擦力的1/40~1/60，因此，尽管两个摩擦力都可以产生回正力矩，但以提供向心力的摩擦力f2为主。

举例而言，假设一辆重为m的车辆以40km/h（约11m/s）转弯，设转弯半径为20m，车轮与马路的滑动摩擦系数为0.3，取滚动摩擦力是滑动摩擦力的1/50，重力加速度g近似为10m/s2。

估算出滚动摩擦力f1为m × g × 0.0015 ≈ 0.015m，为了实现车辆转弯，所需提供向心力的摩擦力f2为m × v² / (r × μ) ≈ 0.15m。可见，f2近似达到了f1的10倍，所以，使车轮回正的恢复力矩以向心摩擦力对转轴之矩为主，滚动摩擦力对轴之矩为辅。当车速较快时，将会产生较大的f2，因此车辆快速转弯时，车轮回正的效果会更加明显。