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汽车操控原理学习之 -- 悬架系统

一、悬挂倾角对操控的影响

现实中的汽车底盘并不像普通的玩具车、四驱模型车、玩具遥控车那么简单地将四个轮平行安放且完全垂直于地面,而是为了各种目的把车轮设计成在各个方向按一定的轻微的角度来安放。

对于改装爱好者而言,了解四轮定位参数是相当有必要的一门必修课,因为牵一发而动全身的汽车底盘会在您改动某一部件后发生一定程度的连锁反应。

一个好地悬挂几何可以更好地让轮胎贴紧地面,提升驾驶操控的稳定性,给驾驶者一个更好的回馈以及反应更快的转向手感。

倾角(Camber)

我们从车辆的正前方或正后方向车辆望去,车轮并不一定是完全垂直于地面的,而是与地面形成一定的微小夹角,这个就是车轮的倾角(Camber)。

由正前(后)方望去

  • 两车轮呈正八字形(也叫外八)的,是负倾角的设定
  • 两轮完全垂直地面的是0倾角
  • 呈倒八字形(也叫内八)的,为正倾角。
不同的倾角所影响的是直线和弯道情况下,轮胎和地面的接触面,进而影响到轮胎所产生的摩擦力。

假如我们将倾角调整为0倾角,则当汽车直线行驶时,轮胎和地面呈现矩形,即最大接触面。但是当汽车过弯时,受到离心力作用,轮胎内侧就是向外挤压,导致轮胎与地面的接触面变成一个三角形,如下图所示。

很显然,三角形的接触面导致摩擦力降低。进而导致弯道摩擦力降低。

为了解决弯道摩擦力降低的问题,可以将轮胎调整为负倾角,调整后,轮胎与地面接触面在直线时由于摩擦力的作用呈现三角形,但是在弯道时呈现最大摩擦力的矩形。所以这种调教是通过妥协直线的加速和刹车的抓地力来换取弯道的抓地力。

一般的前置前驱(FF)车,前轮会呈0倾角或轻微的正倾角,后轮会呈一定程度的负倾角。在负重的情况下,前轮由于倾角增益,会形成0度倾角的直线行走理想状态。在0度倾角的状态下,轮胎与地面的接触面积达到最大,加速和刹车性能也最优。而前置前驱车型后轮的负重较轻,同时不负责驱动车子,刹车的负担也相对轻上不少,呈一定程度的负倾角设定可以增大弯中的轮胎接地面积,增强过弯稳定性,而负倾角带来的内侧偏磨的程度相当轻微。

高性能的后轮驱动或四驱车型,可以明显地看到四个车轮都呈一定程度的负倾角,目的相当明显,也是为了增加激烈操控时的接地面和稳定性。

汽车在直进时接近0底倾角,在转弯时呈负倾角帮助过弯的话,是比较理想的。所以在汽车悬挂有倾角增益(Camber Gain)这一特殊设计。意思就是车轮受到压力后并不是完全的垂直向上运动,而是越向上运动,负倾角会越大。在世界顶尖的一级方程式赛车上,前轮为了应对快速激烈的弯道,呈明显的负倾角设定,而后轮因为是驱动轮,倾角并不明显。而且,赛车倾角设定的大小跟赛道弯道的类型、弯道所占的比例都有关系。

对于倾角有一点要注意,轮胎倾角并不是设置好就一成不变的,倾角会收到很多东西影响,随着不同的运动状态变化而变化。

  • 当轮胎随着悬挂上下运动的时候,倾角会发生变化
  • 车身前后左右倾斜的时候,倾角会发生变化 
  • 转向输入时,轮胎会增加或者减少倾角

前束角(Toe)

当你在汽车的正上方向下俯视汽车,四个轮子也并不是想当然地完全平行向前安放的,而是两前轮之间或两后轮之间以一定的轻微的夹角排列。但这个夹角十分十分微小,肉眼基本无法分辩。束角的功用在于补偿轮胎因外倾角及路面阻力所导致向内或向外滚动的趋势,确保车子的直进性,并避免轮胎耗不均。

  • 两车轮之间前方的距离比后方的距离小的束角设定,叫内束角(Toe In)。Toe即脚尖、脚趾,可以形象地比喻为人的内八字脚。
  • 两车轮之间前方的距离比后方的距离大的束角设定,叫外束角(Toe Out),类似于人的外八字脚。

外束角因为两边的轮子都是有外跑的趋势,所以当两侧轮胎抓地力不平均时更容易产生跑偏。而内束角则因为有指向中间的趋势,因为直线行驶时更不易跑偏。

以前驱车为例,

  • 由于汽车的后轮一般不负责转向,所以在后轮的束角设定上偏向于使用内束角来提高直线行驶及刹车时的稳定性。
  • 负责转向的前轮,束角的变化较多,需要根据倾角设定的参数和驾驶需求等做出相应的设定。因为转弯时,左右轮胎的转弯半径不一样,Toe in会提升直线行驶的稳定性,同时也会有转向不足的倾向;Toe out则会造成转向过度,使得车子更倾向于入弯和甩尾。

当更换了避震器、短弹簧等部件降低车身,令车轮倾角发生变化后,需要调整束角与倾角相配合,提高直进稳定性及避免轮胎耗不均。

  • 增加负的外倾角需配合增加Toe-out
  • 增加正的外倾角则需配合增加Toe-in

在改装过程中可适当增加Toe in或Toe out来调整车子的操控特性。适当的Toe in有助在湿滑路面情况下车头不过于灵敏,也有利有出弯加速的转向表现。

主销内倾(Kingpin Inclination)

主销内侧指的是在正车子的正前方或正后方望去,并不是完全垂直于地面,而是呈正八字形(负倾角)的设计,主销内倾角度一般针对转向轮而言。

主销,也叫大王销,是传统汽车上转向轮在转向时的回转中心轴线,传统上是一条较粗的销轴,但在现代独立悬挂的汽车上已经没有这一元件,我们仍然把这条虚拟的转向轮回转中心轴线称之为主销。

  • 麦弗逊悬挂的主销是指塔顶到下球头的连线
  • 双摇臂悬挂是上球头和下球头的连线

由于主销内倾角的存在,转向轮在转向时围绕主销旋转,使得车轮接地面比直进时更往下,车子因反作用而被上抬顶起,当转向力释放时,转向轮会因车子的自身重力的作用,产生一个辅助车轮回正的力。

主销中心线与与地面的交点跟车轮中心线与地面的交点之间的距离,称为主销偏距(Scrub Radius)或主销偏移。

  • 主销中心线与地面的交点比轮胎中心线的交点靠外,称为负偏距
  • 主销中心线的交点比轮胎中心线的交点靠内,稳为正偏距
  • 如果两交点重点,则为0偏距

  • 一般负的主销偏距能增加刹车时的稳定性和减轻打方向盘的力度,原厂街车一般都会使用负偏距的设定。即负主销偏距越大,加速时扭矩转向就越小,刹车时稳定性也会越好。但缺点是方向盘的回正力会减少打起来有轻轻的感觉,导致操控性精准性下降。
  • 在一些性能车和赛车上则会使用正偏距来增加路感和操控反应,同时能加大回正力度。

在改装了比较小ET值或J值比较大的轮毂之后,会直接影响主销偏距,同时导致轮距增加,车辆滚动中心也会产生变化。偏距变化太大会出现许多不良影响,例如在改装中很热的改装超小ET值、超大J值轮毂、加垫片增加轮距玩低趴HF风,会导致主销偏距严重增加,会产生在转向时车轮前后摆动幅度过大、刹车不稳、方向盘打手和转向时缺失抓地力(湿滑路面上加严重)等现像。此时可通过单独调节车轮的倾角(使用偏心螺丝)或直接调节主销内倾角度来改善。调节主销内倾角度,麦弗逊悬挂可使用鱼眼塔顶或可调下摆臂来实现,双摇臂使用可调上摇臂,但这些方法都同时改变了车轮的倾角,如果想在不改变车轮倾角的情况下调整主销内倾,就需要用到改装羊角或加长下摆臂。

主销后倾(Kingpin Caster) 

主销后倾指定的是从车子的正侧面看过去,主销也不是完全垂直于地面,而是主销顶部往车辆的后方倾斜。主销后倾的作用是让车轮的接地点位于主销虚拟轴线与地面的交点之后,使得车轮在行驶时产生一个被往后拉的力,从而令车轮的方向产生一个自我修正的趋势。一般主销后倾的角度越大,产生方向修正力矩就会越大。

综合主销内倾和主销后倾的修正作用,就能很好地解释了为什么我们在跑调头弯的时候,两手放开方向盘,方向盘会迅速自动回正。

主销后倾同时也会对转向时转向轮的倾角和相对上下运动产生影响。主销后倾会令转向时内侧转向轮增大正倾角,而外侧车轮会增大负倾角,根据上文可知,更大的外侧车轮负倾角有利于在弯中形成更理想的轮胎咬地角度。但另一方面,主销后倾在转向时会令弯中外侧车轮相对车身发生上抬的悬挂压缩过程,内侧车轮产生相对车身发生下移的悬挂拉伸运动,,这会导致车身在弯中的侧倾现象加剧,带来更大的重心转移和更大的外侧轮胎受力。当方向打得越多,侧倾程度越大。

对于前驱车而言,由于前轮是驱动轮,过大的主销后倾角度会增大扭力转向的现象,所以一般前驱车主销后倾的角度比后驱车要小。

而在后驱上,更大的主销后倾能增强前轮的指向稳定性和方向的自我修正力度。

  • 一般前驱车和四驱车型会将主销后倾角度设定在3-4度来提升转向反应和减轻扭力转向现象
  • 一般后驱车型会设定在4-10度以提升直线行驶稳定性。而在后驱漂移车和拉力赛车上,会设定更大的主销后倾来提升方向自我修正的速度和力度。

调节主销后倾,在麦弗逊车型上我们可以使用同时可调内倾角和后倾角的鱼眼塔顶来实现;在双摇臂车型上侧可通过使用可调节下摇臂或下摇臂后倾可调拉杆来实现。

参考链接:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25090737
 

二、悬挂行程和悬挂几何对操控的影响

汽车悬挂是连接车轮与车身的机构,对车身起支撑和减振的作用。主要是传递作用在车轮和车架之间的力,并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力,衰减由此引起的震动,以保证汽车能平顺地行驶。

这是一个虚拟的点,由于悬挂几何的设定,车身是围绕着侧倾点(轴)和俯仰点(轴)旋转的。 

如上图所示,红点代表中心,蓝点代表侧倾点。由于旋转中心低于重心,这时候会有一个旋转的力矩作用在车身上,会导致车身侧倾。

但如果我们能够通过调整悬挂几何,将蓝点上移,那么重心和旋转重心的距离减小了,也就是中心点和力的作用点的距离减少了,也就减少了以旋转中心为中心点的力矩,搜易车的侧倾就会减小。

同样的道理,如果能让车身的重心下降,也能起到同样的效果。

以上两种思路分别对应了使用更短形成的避震以及设计更低重心的车身。

参考链接:

https://m.qctt.cn/news/437332  

 

三、悬挂硬度对操控的影响

下图是轮胎的负载-抓地力变化图。

横轴表示负载,纵轴表示抓地力。

从上图可以看出,负载和轮胎抓地力的变化不是线性的。这也是重的车操控会比轻的车差的原因就在于此,因为重的车的负载会线性上升,但是轮胎的抓地力并不会随着负载上升而线性的上升。在抓地力没有线性增加的情况下,更大的惯性会使车辆更难改变方向。

车子在过弯的时候,车身会侧倾,更多的负载会作用在外侧的轮胎上,本质上,车身重心或者说车身载荷转移的大小会影响轮胎抓地力,进而影响操控。这就是为什么低重心的车也会比高重心的车操控更好的原因。

为了解释这个概念,下图中的红点表示小车在静止时所有轮胎的负载,过弯的时候,外侧轮胎会获得更多的负载,内侧轮胎的负载会减少,所以内外侧轮胎负载如图两个紫色点表示。我们计算两侧轮胎抓地力的平均值,可以看到轮胎的总抓地力相比静止状态是下降的。

可以看到,内外侧轮胎的负载相差越大,他们的总抓地力就变得越低。而如果两个点距离越近,则总抓地力就会越大。也就是说,

  • 低重心的车过弯时的总抓地力相对来说是更大的,因为低重心的车在过弯时的横向轴荷转移会更小
  • 反之,如果内外侧轮胎在过弯时负载变化越大,总抓地力就越小

根据以上分析,我们可以得出一个结论,车轮负载分配平均的车子的抓地力会比车轮负载分配不平均的车子大,也即侧倾抑制越好的车子抓地力越好。而侧倾抑制有两种思路,

  • 降低车身重心
  • 使用较硬避震降低侧倾扭矩

车身重心和汽车类型(suv or 轿车)以及结构设计有关,而避震硬度是我们可控的因素。因此,大多数情况下改装的思路都是采用硬悬挂(例如绞牙或者短簧)。但问题是,避震硬度可以无限调硬吗?

接下来,我们将弹簧的弹簧系数因素引入进来。

 

更高的弹簧系数意味着更硬的悬挂。 

  • 如果要使用软的弹簧,就需要车辆有足够的离地间隙,意味着重心更高,也就意味着更低的过弯速度。
  • 如果想要车辆尽可能低,就需要更硬的弹簧来防止悬挂触底。 

现在问题来了,到底是软弹簧搭配高车身,还是地车身搭配硬弹簧?

实际上,这取决于赛道和路况,

  • 如果路况是非常平整且平缓的,这时候用地车身搭配硬弹簧会更好,因为这样可以有一个更低的重心以及一个更好地侧倾抑制,从而提升弯速
  • 反之,颠簸一些的路况则需要更软的悬挂设定来保证颠簸时的抓地力 

参考链接: 

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

 

四、平衡拉杠对操控影响

稳定杆也叫平衡杆,主要是防止车身侧倾,保持车身平衡。稳定杆的两端分别固定在左右悬架上,当汽车转弯时,外侧悬挂会压向稳定杆,稳定杆发生弯曲,由于变形产生的弹力可防止车轮抬起,从而使车身尽量保持平衡。

  • 如果两侧悬挂同时上下运动,防倾杆不会起任何作用,只会随着悬挂一起上下运动
  • 但是当一侧悬挂向上运动,另一侧向下运动的时候,防倾杆会被扭曲,且防倾杆本身也有一定的弹性系数,所以防倾杆本身会抑制这种扭曲

总体上,防倾杆的作用主要是防止单独一侧悬挂向上或者向下运动,即起到抑制侧倾的作用。

接下来继续分析防倾杆是如何调整车辆的平衡的。 

下图展示了一个2000kg的汽车,前后轮都各有一个硬度相同的防倾杆,在静止状态下,4条轮胎各自承担500kg的载荷。

当车辆在转弯的时候,外侧车轮承受了更大的负载。

当防倾杆扭曲的时候,就会有更多的力作用在轮胎上。防倾杆会有恢复原状的趋势,所以你这个恢复原状的力就施加在了轮胎上。

假设这个防倾杆受到的扭曲的力是150kg,因为防倾杆的存在,会减少原本内外侧轮胎的负荷差。而根据前面分析的汽车负荷和轮胎抓地力的函数关系,4条轮胎的负荷越平均,总体的抓地力就越好。

要注意的是,弹簧和防倾杆的作用是相近的,但是如果将弹簧变软,车身的前后俯仰的幅度也会增大,但是防倾杆不会造成这种影响,防倾杆只会在车辆过弯的时候才会起作用。所以通过增加防倾杆显然是一个更好地修正车辆转向平衡的方法。

  

posted @ 2023-10-15 19:55  郑瀚  阅读(587)  评论(0编辑  收藏  举报