操控调教,到底在调什么

种类繁杂的底盘零件,不尽相同的产品设计,奇思妙想的结构布置,五彩斑斓的参数设定,使得每一台车开起来坐起来都会有不一样的“车格”。是否有驾驶乐趣乐趣,是否有乘坐舒适性,高速行驶是否能给人足够信心。除了车身强度,动力总成匹配,转向比这些众所周知的原因,参数设定这件“隐形”的设定,在整个悬架设计起着决定性的因素。为什么有些车开起来软?有些车开起来稳?为什么跑车操控好?今天,我们不谈产品设计,我们谈谈平时看不见的影响:悬架参数设定。

束角 外倾角 主销倾角 防倾杆 弹簧 阻尼

我们在分析前束角前,先普及下束角的背景知识:阿克曼角(Ackerman)

为什么前轮的束角会影响车辆的操控特性呢?比较通俗的解释就是:阿克曼角(Ackerman)是由于转向系统几何特性,这个角度的存在使车辆转向时,内侧轮比外侧轮转动更多的角度。因为轮距的存在,内侧轮的过弯半径会比外侧轮小,所以内侧轮(相对弯心而言)通常会比外侧轮要转的角度大一些。在加大转向角度时,这个夹角也会相应变大。这样的设定可以帮助两个前轮轮分别指向正确的行驶方向,以获取更多的抓地力。

Ackerman=α-β


束角,外倾角,后倾角是影响了悬架几何设定最重要的参数。

  • 束角 Toe

从车身上往下看,轮胎与车身中轴线形成的角度。正束角(Toe in)为“内八字”,负束角(Toe out)为“外八字”。束角直接影响了车辆直线行驶的稳定性,入弯时的转向反应,已经轮胎温度/磨损程度。

1:前轮Toe out(外八字)

车辆在入弯时会更灵敏,转向偏过度,直线行驶不稳定。同时太大的Toe out 也会导致车辆容易转向过度。这种设定很少在民用量产车出现,但是在漂移赛中,Toe out 的设定屡见不鲜。

2:前轮Toe in(内八字)

车辆在入弯时会更迟缓,转向偏不足,直线行驶更稳定。这是在民用量产车中普遍的悬架设定,原厂民用车车设定会非常接近0°,考虑到直线行驶的稳定性对于家用车的重要性,工程师会增加0°03′左右的的内八字角度,另外对于普通驾驶者来说,转向不足比转向过度的情况更“安全”且可控。

3:后轮Toe in

无论是高性能车还是民用车,99%会选择后轮Toe in(内八字)的设定。当车辆出弯时,轴荷转移至车辆后方外侧车轮,采用Toe out的设定,行驶方向会指向车辆外侧,后轮将车辆拽向外侧,会导致严重的转向过度。

因为束角的存在,不仅影响着过弯/直线的行驶特性,同时也影响轮胎的温度。如果在测量轮胎时发现胎面温度始终比较低,无法达到满意的工作温度,可以适当增加束角。同时请牢记,改变的束角会非常显著影响车辆入弯的特性,同时增加了轮胎的磨损,需要取舍平衡。

  • 外倾角Camber

从车辆正前方看车,轮胎与地面垂线所形成的角度。当倾角为负的时候,轮胎上部向车身内侧倾斜,正角度反之亦然。由于轮胎的侧偏刚度,车辆过弯的轴荷转移会使轮胎会向外侧倾。斜倾角就是为了抵消车辆在过弯时,轮胎与地面产生的倾斜角,让弯中的轮胎能最大化面积与地面摩擦。

先不谈转向时悬架本身产生的角度,几乎每台车都采用了负角度的设定(老车通常使用单摇臂或者拖拽臂的形式,在悬挂摆动时很容易产生正倾角),同样与之配合的标准还是轮胎胎面的温度斜率。在复合操控环境下:内外侧轮胎的温度能够保持合理的斜率(比如内侧高于外侧8摄氏度),那么外倾角的角度设定是合理的。需要提醒的是,外倾角会影响到直线行驶的抓地力,如加速/制动情况,因为倾角本身的存在较少了轮胎与地面接触的面积,整体需要在直线/弯道的速度上做权衡。同时过大倾角,如Hella Flush设定,更多是为了视觉上的满足,而性能本身可能会带来负优化。

  • 主销倾角Caster

从侧面看车身时,悬架与塔顶垂线形成的角度。主销倾角为正时,悬架向车头倾斜,后倾角为负时,悬架向车尾倾斜。

首先,没有车辆会使用负角度的倾角!因为正角度的倾角的直接会使方向盘有自动回正的能力,轮胎与地面接触的点,位于悬挂延长线与地面交点的后方,地面与轮胎产生了运动方向上向后的阻力,从而使轮胎自动回正。比较常见的例子就是超市手推车的前轮,无论停的时候是其仰八叉,一旦跑起来,就能回到该在的方向上。

现实情况下,除了转向机的设定,后倾角也大大影响了方向盘回正力的大小。在整车设计之初就已经限定了后倾角的大小,自己的车一般无从改变。

这里我举例BMW F90 M5 的参数供大家做参考:

  • 除了主销后倾角以外,还有主销内倾(Kingpin)

首先,要区别的是主销内倾与车轮外倾角并非一个概念。

从正面看车轮时,主销往车辆的内侧倾斜呈“八”字形状。而主销中心线(蓝色L2)的接地点与车轮中心(红色L1)地面投影点之间产生距离,即两点之间的距离称为主销偏距(Scrub Radius)。(L2-L1=主销偏距)

如果主销重心线接地点比投影点靠外,就为负偏距;更靠内则成为正偏距;重合就为0偏距。由于主销向内倾斜,当车轮绕着主销回转时,轮胎的最低点将低于地平面,而根据反作用力,地面比车轮更坚硬,所以车身会因受力而被适度顶起,而当车轮回正时,这个力会被释放,从而辅助车轮回正。


防倾杆,弹簧,阻尼是玩家们最喜欢折腾的部件,因为效果立竿见影。我们放在一起聊。

需要知道的概念是:直线行驶时,左右侧车轮的受力可以认定为是相同的,过弯时内侧轮压力转移到外侧车轮。此时总的抓地力是小于平衡时抓地力的。

  • 防倾杆 Anti roll bar

防倾杆是一根简单的连杆,因为底盘空间布置需要会形成各种奇奇怪怪的形状。

众所周知:悬架的运动会有两种情况,一种是左右侧同时上下运动,如:过减速带,加速,刹车,此时防倾杆不会有任何作用。另一种就是在过弯时,悬架产生的内侧向上,外侧向下的情况,悬架的不同方向的运动会使防倾杆扭转,从而给悬架一个相反方向上的力,抑制了悬架相反向的运动。接下来的内容可能和大多数人的认知是违背的:

防倾杆硬——>侧倾小——>轴荷转移大——>抓地力小

防倾杆软——>侧倾大——>轴荷转移小——>抓地力大

我知道你们的疑问,定性的解释可以靠两个极端的例子来说明。假设使用了极端硬(刚性连接)的防倾杆,那么左右两侧的悬架几乎没有压缩/拉伸的行程,若假设此时抓地力无穷大,内侧车轮就会出现离地的情况,此时轴荷100%转移到了外侧。

此时防倾杆刚度的设定就显而易见了:

前轮抓地力>后轮抓地力——>转向过度

前轮抓地力<后轮抓地力——>转向不足

前后轮的抓地力大小可以通过改变防倾杆软硬来实现,如果车辆呈现转向过度,增加前防倾杆刚度,降低后防倾杆刚度的方式可以缓解。如果车辆转向不足,降低前防倾杆刚度,增加后防倾杆刚度可以使车辆趋于转向过度。

防倾杆对车辆动态的影响体现在整个过弯过程中,前防倾杆对车辆入弯时车身动态影响更大,而后防倾杆对出弯的动态影响更大。

而更高级的车型会配备主动防倾杆这样天才的产品,通过电机可以主动控制防倾杆的刚性,适应不同的路面工况。

在讲解弹簧和阻尼前,有必要展开了解一下车身侧倾和轴荷转移的一些理论基础

侧倾几何学的4个点:

  1. 假设:将侧倾中心作为车辆的几何瞬时转动中心,而且该侧倾中心是固定不变的;
  2. 悬架系统有很多种,簧上质量和簧下质量之间的相对垂直位移及角位移则取决于不同的悬架结构;
  3. 前后悬架的结构决定了前后悬架的侧倾中心,其连线即为车身侧倾轴;
  4. 轮胎垂向、侧向为刚性,接地点固定不动。那么过左、右轮接地点并垂直于车辆纵向的平面内的车身瞬时转动中心就是所谓的侧倾中心。

车辆前后悬架的结构决定其前后侧倾中心,其连线我们可以认为车身侧倾轴。固定假定车轮在垂向、侧向均表现为刚性,且接地点固定不变,那么过左右轮接地点并垂直于车辆纵向平面内的车身瞬时转动中心就是所谓的侧倾中心。我们举例几种不同悬架结构的侧倾中心:

1:刚性轴悬架系统的侧倾中心

2:单横臂独立悬架系统的侧倾中心

3:麦弗逊独立悬架系统的侧倾中心

以上我们 看到的悬架结构的的侧倾中心均是在侧倾角为0时的位置,如果车辆发生侧倾,侧倾中心随之移动。为了便于理解,当侧倾角不为0时,双横臂与单横臂悬架的侧倾中心如下:

基于前面侧倾中心的假设,可以得到前后轮的侧倾中心,如果车身为刚体,那么得到的车身侧倾轴如下图所示:

说明:当车辆伴随着大车身侧倾角运动时,上述关于固定侧倾中心和侧倾轴的概念将不再适用。这时,一般以车辆的四轮超静定问题来处理车身的侧倾。

  • 侧倾刚度和载荷转移

假设车身具有恒定的侧向加速度,离心力作用于车辆质心。一般情况下,车辆的质心不在其侧倾轴上,而是位于侧倾轴的上方,如图a所示。此时作用于车身的离心力将产生一个绕侧倾轴转动的侧倾力矩,使车身产生恒定的侧倾角。车身发生侧倾时,悬架左右的弹簧在上下方向上一方将伸长,另一方将缩短,从而形成与离心力引起的侧倾力矩相平衡的力矩。我们称每单位侧倾角下由悬架弹簧伸缩产生的力矩为侧倾刚度。

车身的侧倾角计算方式:

对作用于车辆的惯性力 ayWs 而言,必须有与之相平衡的轮胎力。将作用于质心的 分解到前、后轮,则可以认为:分别有大小ayWsLr/L、 ayWsLf/L的力作用于前、后轮,并分别于前、后轮胎的侧向力相等,其中L=Lf+Lr。如果车身发生侧倾,前、后轴的左、右轮都将发生一方载荷增加,而另一方载荷减少的情况,即所谓的载荷转移,如图b所示。设前、后轴的载荷转移量分别为:

若假设此时前、后轮之间并没有载荷转移发生。求得:

以上两个式子给出了在恒定侧向加速度下行驶的车辆,由于其车身侧倾而产生的左、右轮载荷转移量,可以看出:

1、载荷转移量受侧倾轴线到车身质心的高度hs的影响, hs越高则前后轮的载荷转移量就越大。

2、前后轴的横向载荷转移量基本上正比于其相应侧偏刚度与总侧偏刚度的比值。

3、侧倾轴的地面高度hf、hr,会引起顶起效应(jack-up)。

在有了感性的认知后,接下去的内容,很多会与您认知的大相径庭。我们继续弹簧,阻尼的介绍。


  • 弹簧 Spring

弹簧支撑着车辆的重量,并使轮胎能够在颠簸路面随时贴地。质量越大的车款会选用刚度更高的弹簧,同样前后弹簧的选型与车辆前后载荷分配有紧密关联。部分民用量产车弹簧会选用同一刚度的弹簧(直卷弹簧),即刚度不随着行程变化而变化。

为考虑舒适和贴地性,部分会采用刚度随压缩率变化的弹簧(渐增弹簧),这种弹簧采用了粗细、疏密不一致的设计,好处是在受压不大时可以通过弹性系数较低的部分吸收路面的起伏,保证乘坐舒适感,当压力增大到一定程度后较粗部分的弹簧起到支撑车身的作用。

而高端改装产品会见到两种刚度弹簧的结合,主副弹簧产品,目的是在颠簸路面行驶时,通过低刚度弹簧保证车轮贴地,同时主弹簧在动态操控下给与车辆足够支撑性。

与前面提到的防倾杆一样,在不考虑减震器阻尼的情况下:

软弹簧降低轴荷转移,增加机械抓地力

硬弹簧增大轴荷转移,降低机械抓地力

而过软的弹簧也会导致,轴荷转移所消耗的时间变长。从方向输入,到弹簧压缩,弹簧压缩结束(这里不仅要看弹簧刚度,减震器阻尼也需要一并考虑),车身的瞬态响应就会变得非常迟缓,车辆瞬态性能大打折扣,而过硬的弹簧又会导致机械抓地力不足,同时路面弹跳导致车辆不稳定。在这里我想介绍下我心中的标杆,保时捷911.2 GT3 RS的调教方式:更像一台Cup赛车,上一代991.1前弹簧为45n/mm,后弹簧为120n/mm;现款911.2 GT3 RS 前弹簧为100n/mm,后弹簧为160n/mm。但是与上代相比,991.2降低了防倾杆的刚度,这些会降低日常驾驶舒适度,反之赛道操控能力会得到大幅提升。

  • 阻尼 Damper

阻尼力由减整器提供,具体请见:

盖世kk:欧系&美系&日系&国产-汽车底盘减震器大PK(上)zhuanlan.zhihu.com图标

阻尼限制了弹簧压缩/回弹的速度,因为弹簧是发散的,而阻尼是收敛的。在没有外力作用下的弹簧,是不会停止的,而阻尼就是限制弹簧无收敛的运动。减震器的阻尼主要有四个参数需要关注:

低速压缩阻尼 Slow bump

低速回弹阻尼 Slow rebound

高速压缩阻尼 Fast bump

高速回弹阻尼 Fast rebound

这里的高速/低速并不是指车速,而是悬架动作的速度。低速运动指发生轴荷转移的工况,如加速/制动/柔和过弯,而高速指的是车辆行驶在颠簸路面,或突然的方向输入导致的大动态工况。

相对于防倾杆的不可调(主动防倾杆例外),减整器的阻尼对于不同速率的压缩或回弹调教相对灵活的多。市售的高端原厂汽车也有配备电子可调阻尼的悬架(如CDC),而赛道竞技车型中也可见到中压缩/回弹阻尼分级可调的产品:

当车辆制动入弯时,轴荷转移至车头,车头下沉车尾抬起。如果此时增大后减整器的回弹阻尼,后悬挂的弹簧回弹拉长过程由于减整器阻力增大而变慢,后轮无法及时回到路面,由此产生的后轮抓地力变小会使车辆趋于转向过度。同样情况刹车入弯,若尝试减少前减震器的压缩阻尼,导致车头下沉更快,反之车尾更高,同样会导致转向过度产生。

如之前所讲,增大减震器的结果相当于增加了悬挂整体的刚度,而更硬的部分其实是抓地力相对较弱的。通过改变减震器阻尼,去改变车辆车辆轮间抓地力的配比。简单的理解:

高速阻尼的调教主要影响了车辆在颠簸路面行驶的稳定性,需要大量的路试以及车型的定位做出的取舍。


结语

要说底盘的情怀,应该是始于其设计,铭心于设定。每一款车其实不仅在底盘如此,方方面面都有不为人知的秘密。百年汽车发展物是人非,不断的改进、优化、总结,看着过往车辆,在光鲜亮丽的内外饰之下,更多的是无数代工程师辛勤的耕耘和汗水。还愣着干啥?买买买啊!

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