汽車操控原理學習之 -- 懸架系統

一、懸掛傾角對操控的影響

現實中的汽車底盤並不像普通的玩具車、四驅模型車、玩具遙控車那麼簡單地將四個輪平行安放且完全垂直於地面,而是爲了各種目的把車輪設計成在各個方向按一定的輕微的角度來安放。

對於改裝愛好者而言,瞭解四輪定位參數是相當有必要的一門必修課,因爲牽一髮而動全身的汽車底盤會在您改動某一部件後發生一定程度的連鎖反應。

一個好地懸掛幾何可以更好地讓輪胎貼緊地面,提升駕駛操控的穩定性,給駕駛者一個更好的回饋以及反應更快的轉向手感。

傾角(Camber)

我們從車輛的正前方或正後方向車輛望去,車輪並不一定是完全垂直於地面的,而是與地面形成一定的微小夾角,這個就是車輪的傾角(Camber)。

由正前(後)方望去

  • 兩車輪呈正八字形(也叫外八)的,是負傾角的設定
  • 兩輪完全垂直地面的是0傾角
  • 呈倒八字形(也叫內八)的,爲正傾角。
不同的傾角所影響的是直線和彎道情況下,輪胎和地面的接觸面,進而影響到輪胎所產生的摩擦力。

假如我們將傾角調整爲0傾角,則當汽車直線行駛時,輪胎和地面呈現矩形,即最大接觸面。但是當汽車過彎時,受到離心力作用,輪胎內側就是向外擠壓,導致輪胎與地面的接觸面變成一個三角形,如下圖所示。

很顯然,三角形的接觸面導致摩擦力降低。進而導致彎道摩擦力降低。

爲了解決彎道摩擦力降低的問題,可以將輪胎調整爲負傾角,調整後,輪胎與地面接觸面在直線時由於摩擦力的作用呈現三角形,但是在彎道時呈現最大摩擦力的矩形。所以這種調教是通過妥協直線的加速和剎車的抓地力來換取彎道的抓地力。

一般的前置前驅(FF)車,前輪會呈0傾角或輕微的正傾角,後輪會呈一定程度的負傾角。在負重的情況下,前輪由於傾角增益,會形成0度傾角的直線行走理想狀態。在0度傾角的狀態下,輪胎與地面的接觸面積達到最大,加速和剎車性能也最優。而前置前驅車型後輪的負重較輕,同時不負責驅動車子,剎車的負擔也相對輕上不少,呈一定程度的負傾角設定可以增大彎中的輪胎接地面積,增強過彎穩定性,而負傾角帶來的內側偏磨的程度相當輕微。

高性能的後輪驅動或四驅車型,可以明顯地看到四個車輪都呈一定程度的負傾角,目的相當明顯,也是爲了增加激烈操控時的接地面和穩定性。

汽車在直進時接近0底傾角,在轉彎時呈負傾角幫助過彎的話,是比較理想的。所以在汽車懸掛有傾角增益(Camber Gain)這一特殊設計。意思就是車輪受到壓力後並不是完全的垂直向上運動,而是越向上運動,負傾角會越大。在世界頂尖的一級方程式賽車上,前輪爲了應對快速激烈的彎道,呈明顯的負傾角設定,而後輪因爲是驅動輪,傾角並不明顯。而且,賽車傾角設定的大小跟賽道彎道的類型、彎道所佔的比例都有關係。

對於傾角有一點要注意,輪胎傾角並不是設置好就一成不變的,傾角會收到很多東西影響,隨着不同的運動狀態變化而變化。

  • 當輪胎隨着懸掛上下運動的時候,傾角會發生變化
  • 車身前後左右傾斜的時候,傾角會發生變化 
  • 轉向輸入時,輪胎會增加或者減少傾角

前束角(Toe)

當你在汽車的正上方向下俯視汽車,四個輪子也並不是想當然地完全平行向前安放的,而是兩前輪之間或兩後輪之間以一定的輕微的夾角排列。但這個夾角十分十分微小,肉眼基本無法分辯。束角的功用在於補償輪胎因外傾角及路面阻力所導致向內或向外滾動的趨勢,確保車子的直進性,並避免輪胎耗不均。

  • 兩車輪之間前方的距離比後方的距離小的束角設定,叫內束角(Toe In)。Toe即腳尖、腳趾,可以形象地比喻爲人的內八字腳。
  • 兩車輪之間前方的距離比後方的距離大的束角設定,叫外束角(Toe Out),類似於人的外八字腳。

外束角因爲兩邊的輪子都是有外跑的趨勢,所以當兩側輪胎抓地力不平均時更容易產生跑偏。而內束角則因爲有指向中間的趨勢,因爲直線行駛時更不易跑偏。

以前驅車爲例,

  • 由於汽車的後輪一般不負責轉向,所以在後輪的束角設定上偏向於使用內束角來提高直線行駛及剎車時的穩定性。
  • 負責轉向的前輪,束角的變化較多,需要根據傾角設定的參數和駕駛需求等做出相應的設定。因爲轉彎時,左右輪胎的轉彎半徑不一樣,Toe in會提升直線行駛的穩定性,同時也會有轉向不足的傾向;Toe out則會造成轉向過度,使得車子更傾向於入彎和甩尾。

當更換了避震器、短彈簧等部件降低車身,令車輪傾角發生變化後,需要調整束角與傾角相配合,提高直進穩定性及避免輪胎耗不均。

  • 增加負的外傾角需配合增加Toe-out
  • 增加正的外傾角則需配合增加Toe-in

在改裝過程中可適當增加Toe in或Toe out來調整車子的操控特性。適當的Toe in有助在溼滑路面情況下車頭不過於靈敏,也有利有出彎加速的轉向表現。

主銷內傾(Kingpin Inclination)

主銷內側指的是在正車子的正前方或正後方望去,並不是完全垂直於地面,而是呈正八字形(負傾角)的設計,主銷內傾角度一般針對轉向輪而言。

主銷,也叫大王銷,是傳統汽車上轉向輪在轉向時的迴轉中心軸線,傳統上是一條較粗的銷軸,但在現代獨立懸掛的汽車上已經沒有這一元件,我們仍然把這條虛擬的轉向輪迴轉中心軸線稱之爲主銷。

  • 麥弗遜懸掛的主銷是指塔頂到下球頭的連線
  • 雙搖臂懸掛是上球頭和下球頭的連線

由於主銷內傾角的存在,轉向輪在轉向時圍繞主銷旋轉,使得車輪接地面比直進時更往下,車子因反作用而被上擡頂起,當轉向力釋放時,轉向輪會因車子的自身重力的作用,產生一個輔助車輪迴正的力。

主銷中心線與與地面的交點跟車輪中心線與地面的交點之間的距離,稱爲主銷偏距(Scrub Radius)或主銷偏移。

  • 主銷中心線與地面的交點比輪胎中心線的交點靠外,稱爲負偏距
  • 主銷中心線的交點比輪胎中心線的交點靠內,穩爲正偏距
  • 如果兩交點重點,則爲0偏距

  • 一般負的主銷偏距能增加剎車時的穩定性和減輕打方向盤的力度,原廠街車一般都會使用負偏距的設定。即負主銷偏距越大,加速時扭矩轉向就越小,剎車時穩定性也會越好。但缺點是方向盤的回正力會減少打起來有輕輕的感覺,導致操控性精準性下降。
  • 在一些性能車和賽車上則會使用正偏距來增加路感和操控反應,同時能加大回正力度。

在改裝了比較小ET值或J值比較大的輪轂之後,會直接影響主銷偏距,同時導致輪距增加,車輛滾動中心也會產生變化。偏距變化太大會出現許多不良影響,例如在改裝中很熱的改裝超小ET值、超大J值輪轂、加墊片增加輪距玩低趴HF風,會導致主銷偏距嚴重增加,會產生在轉向時車輪前後擺動幅度過大、剎車不穩、方向盤打手和轉向時缺失抓地力(溼滑路面上加嚴重)等現像。此時可通過單獨調節車輪的傾角(使用偏心螺絲)或直接調節主銷內傾角度來改善。調節主銷內傾角度,麥弗遜懸掛可使用魚眼塔頂或可調下襬臂來實現,雙搖臂使用可調上搖臂,但這些方法都同時改變了車輪的傾角,如果想在不改變車輪傾角的情況下調整主銷內傾,就需要用到改裝羊角或加長下襬臂。

主銷後傾(Kingpin Caster) 

主銷後傾指定的是從車子的正側面看過去,主銷也不是完全垂直於地面,而是主銷頂部往車輛的後方傾斜。主銷後傾的作用是讓車輪的接地點位於主銷虛擬軸線與地面的交點之後,使得車輪在行駛時產生一個被往後拉的力,從而令車輪的方向產生一個自我修正的趨勢。一般主銷後傾的角度越大,產生方向修正力矩就會越大。

綜合主銷內傾和主銷後傾的修正作用,就能很好地解釋了爲什麼我們在跑調頭彎的時候,兩手放開方向盤,方向盤會迅速自動回正。

主銷後傾同時也會對轉向時轉向輪的傾角和相對上下運動產生影響。主銷後傾會令轉向時內側轉向輪增大正傾角,而外側車輪會增大負傾角,根據上文可知,更大的外側車輪負傾角有利於在彎中形成更理想的輪胎咬地角度。但另一方面,主銷後傾在轉向時會令彎中外側車輪相對車身發生上擡的懸掛壓縮過程,內側車輪產生相對車身發生下移的懸掛拉伸運動,,這會導致車身在彎中的側傾現象加劇,帶來更大的重心轉移和更大的外側輪胎受力。當方向打得越多,側傾程度越大。

對於前驅車而言,由於前輪是驅動輪,過大的主銷後傾角度會增大扭力轉向的現象,所以一般前驅車主銷後傾的角度比後驅車要小。

而在後驅上,更大的主銷後傾能增強前輪的指向穩定性和方向的自我修正力度。

  • 一般前驅車和四驅車型會將主銷後傾角度設定在3-4度來提升轉向反應和減輕扭力轉向現象
  • 一般後驅車型會設定在4-10度以提升直線行駛穩定性。而在後驅漂移車和拉力賽車上,會設定更大的主銷後傾來提升方向自我修正的速度和力度。

調節主銷後傾,在麥弗遜車型上我們可以使用同時可調內傾角和後傾角的魚眼塔頂來實現;在雙搖臂車型上側可通過使用可調節下搖臂或下搖臂後傾可調拉桿來實現。

參考鏈接:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25090737
 

二、懸掛行程和懸掛幾何對操控的影響

汽車懸掛是連接車輪與車身的機構,對車身起支撐和減振的作用。主要是傳遞作用在車輪和車架之間的力,並且緩衝由不平路面傳給車架或車身的衝擊力,衰減由此引起的震動,以保證汽車能平順地行駛。

這是一個虛擬的點,由於懸掛幾何的設定,車身是圍繞着側傾點(軸)和俯仰點(軸)旋轉的。 

如上圖所示,紅點代表中心,藍點代表側傾點。由於旋轉中心低於重心,這時候會有一個旋轉的力矩作用在車身上,會導致車身側傾。

但如果我們能夠通過調整懸掛幾何,將藍點上移,那麼重心和旋轉重心的距離減小了,也就是中心點和力的作用點的距離減少了,也就減少了以旋轉中心爲中心點的力矩,搜易車的側傾就會減小。

同樣的道理,如果能讓車身的重心下降,也能起到同樣的效果。

以上兩種思路分別對應了使用更短形成的避震以及設計更低重心的車身。

參考鏈接:

https://m.qctt.cn/news/437332  

 

三、懸掛硬度對操控的影響

下圖是輪胎的負載-抓地力變化圖。

橫軸表示負載,縱軸表示抓地力。

從上圖可以看出,負載和輪胎抓地力的變化不是線性的。這也是重的車操控會比輕的車差的原因就在於此,因爲重的車的負載會線性上升,但是輪胎的抓地力並不會隨着負載上升而線性的上升。在抓地力沒有線性增加的情況下,更大的慣性會使車輛更難改變方向。

車子在過彎的時候,車身會側傾,更多的負載會作用在外側的輪胎上,本質上,車身重心或者說車身載荷轉移的大小會影響輪胎抓地力,進而影響操控。這就是爲什麼低重心的車也會比高重心的車操控更好的原因。

爲了解釋這個概念,下圖中的紅點表示小車在靜止時所有輪胎的負載,過彎的時候,外側輪胎會獲得更多的負載,內側輪胎的負載會減少,所以內外側輪胎負載如圖兩個紫色點表示。我們計算兩側輪胎抓地力的平均值,可以看到輪胎的總抓地力相比靜止狀態是下降的。

可以看到,內外側輪胎的負載相差越大,他們的總抓地力就變得越低。而如果兩個點距離越近,則總抓地力就會越大。也就是說,

  • 低重心的車過彎時的總抓地力相對來說是更大的,因爲低重心的車在過彎時的橫向軸荷轉移會更小
  • 反之,如果內外側輪胎在過彎時負載變化越大,總抓地力就越小

根據以上分析,我們可以得出一個結論,車輪負載分配平均的車子的抓地力會比車輪負載分配不平均的車子大,也即側傾抑制越好的車子抓地力越好。而側傾抑制有兩種思路,

  • 降低車身重心
  • 使用較硬避震降低側傾扭矩

車身重心和汽車類型(suv or 轎車)以及結構設計有關,而避震硬度是我們可控的因素。因此,大多數情況下改裝的思路都是採用硬懸掛(例如絞牙或者短簧)。但問題是,避震硬度可以無限調硬嗎?

接下來,我們將彈簧的彈簧係數因素引入進來。

 

更高的彈簧係數意味着更硬的懸掛。 

  • 如果要使用軟的彈簧,就需要車輛有足夠的離地間隙,意味着重心更高,也就意味着更低的過彎速度。
  • 如果想要車輛儘可能低,就需要更硬的彈簧來防止懸掛觸底。 

現在問題來了,到底是軟彈簧搭配高車身,還是地車身搭配硬彈簧?

實際上,這取決於賽道和路況,

  • 如果路況是非常平整且平緩的,這時候用地車身搭配硬彈簧會更好,因爲這樣可以有一個更低的重心以及一個更好地側傾抑制,從而提升彎速
  • 反之,顛簸一些的路況則需要更軟的懸掛設定來保證顛簸時的抓地力 

參考鏈接: 

https://zhuanlan.zhihu.com/p/81778088

 

四、平衡拉槓對操控影響

穩定杆也叫平衡杆,主要是防止車身側傾,保持車身平衡。穩定杆的兩端分別固定在左右懸架上,當汽車轉彎時,外側懸掛會壓向穩定杆,穩定杆發生彎曲,由於變形產生的彈力可防止車輪擡起,從而使車身儘量保持平衡。

  • 如果兩側懸掛同時上下運動,防傾杆不會起任何作用,只會隨着懸掛一起上下運動
  • 但是當一側懸掛向上運動,另一側向下運動的時候,防傾杆會被扭曲,且防傾杆本身也有一定的彈性係數,所以防傾杆本身會抑制這種扭曲

總體上,防傾杆的作用主要是防止單獨一側懸掛向上或者向下運動,即起到抑制側傾的作用。

接下來繼續分析防傾杆是如何調整車輛的平衡的。 

下圖展示了一個2000kg的汽車,前後輪都各有一個硬度相同的防傾杆,在靜止狀態下,4條輪胎各自承擔500kg的載荷。

當車輛在轉彎的時候,外側車輪承受了更大的負載。

當防傾杆扭曲的時候,就會有更多的力作用在輪胎上。防傾杆會有恢復原狀的趨勢,所以你這個恢復原狀的力就施加在了輪胎上。

假設這個防傾杆受到的扭曲的力是150kg,因爲防傾杆的存在,會減少原本內外側輪胎的負荷差。而根據前面分析的汽車負荷和輪胎抓地力的函數關係,4條輪胎的負荷越平均,總體的抓地力就越好。

要注意的是,彈簧和防傾杆的作用是相近的,但是如果將彈簧變軟,車身的前後俯仰的幅度也會增大,但是防傾杆不會造成這種影響,防傾杆只會在車輛過彎的時候纔會起作用。所以通過增加防傾杆顯然是一個更好地修正車輛轉向平衡的方法。

  

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