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纸上谈兵系列——PRE、CAM、CAS、TOE的搭配设置

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 楼主| 发表于 2008-7-2 23:37:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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这一篇主要讲述胎压(Pressure)、内倾角(Camber)、后倾角(Caster)以及前束角(Toe in)等四个参数对车身动态的影响,以及协同调整的方法。

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胎压这一概念应该不难理解。现代车辆使用的轮胎大小种类千差万别,但基本都是采用内部充气的空心轮胎结构。轮胎外侧橡胶部分的功能就是由垂向负载获得抓地力,而内侧气体则是负责支撑外层的胎体,承受垂向及横向载荷,抵抗轮胎变形。相对于实心轮胎,空心充气轮胎具有更大的震动吸收能力,同时质量更轻、转动惯量更小,因而能量损耗更小,拥有更好的操控灵活性。所以现代车辆绝大部分都使用充气轮胎。

内部气体气压的作用是支撑外层轮胎,抵抗轮胎的变形。胎压越高,轮胎垂向和横向的弹性变形刚度越高,但轮胎外形越趋于滚圆,逐渐加剧轮胎中部的磨损。相反,胎压越低,轮胎垂向和横向的弹性变形刚度越低,也就是轮胎难以维持外形。垂直方向上,在增大接地面积的同时,也增加了行驶的阻力;水平方向上,还没有打滑时,轮胎更容易发生变形,对操控的响应更模糊,滞后更大。                                     如果你有看到这行字

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内倾角是车轮定位角之一,是轮胎平面相对于地面垂线向内倾斜的角度,而且一般是指将整个悬挂系统固定在某一个高度及转角时,轮胎平面内倾的角度。因为轮胎平面是固定在悬挂系统的一个活动部件上的,内倾角必然随着该活动部件的运动以及车身的侧倾而有可能发生变化。

内倾角的作用是调整轮胎接地面的形状和压力及磨损分布,进而影响抓地力的大小。由于在不同行驶状态下,内倾角会有不同变化,所以内倾角的调整就是协调不同行驶状况下的轮胎状态(特别是温度)和抓地力,以获得赛道整体上的最优效果。

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后倾角是转向桥的车轮定位角之一,是轮胎转向的瞬时轴线(称为主销)在侧视图上后倾的角度。类似于内倾角,后倾角会随着悬挂系统的变化而发生变化,所以一般是指将整个悬挂系统固定在某一个高度及转角时,主销后倾的角度。在LFS的两种前悬挂中,麦佛逊式无法调节这个参数,双叉骨式才可以调节;而后悬挂中,无论拖曳臂式、麦佛逊式还是双叉骨式,由于都不是转向系统,自然没有所谓的主销,更没有后倾角可言了。

后倾角的主要作用是调整转向系统传递到方向盘上的回馈力的大小,其次是在转向的时候影响前轮的内倾角变化,进而影响转向时的前轮抓地力。后倾角度越大,主销轴线与地平面的交点越靠前,和轮胎接地面的纵向距离越远,转向时候轮胎受到地面的横向作用力而形成的回正力矩就越大。这个回正力矩越大,方向盘就越沉重,但是如果回正力矩太小,方向盘就会太轻浮而难以掌握车辆状态。其次,后倾角度越大,转向时候外侧前轮的内倾角就越大,内侧前轮的内倾角度就越小,甚至有可能变成外倾。所以如果考虑到转向时候的车身侧倾和轮胎接地面对抓地力的影响,少量的后倾角是值得推荐的。                                     就代表你有仔细看帖

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前束角是车轮定位角之一,是转向居中时,轮胎平面和地平面的交线,与车身中心对称平面之间的夹角。类似于内倾角,前束角也可能会随着悬挂系统的变化而发生变化,所以一般是指将整个悬挂系统固定在某一个高度及转角时的车轮前束角。和内倾角一样,前束角在所有前后悬挂系统里面都是可以调整的。

前束角的主要作用是给轮胎加载一定的来自地面的横向作用力,有一定的横向弹性形变。前轮使用少量的前束角,可以在车辆转向,部分载荷从内侧前轮转移到外侧前轮时,作出简洁清脆干净利落的响应。如果前轮前束角为0,前轮必须先从没有横向弹性形变的状态进入有横向弹性形变的状态,虽然时间很短暂,但对操控的响应就显得没有那么敏捷了。如果前轮前束角为负,也就是前轮后束,前轮的转向响应就更加迟滞,但在转向的时候能产生一定的转向不足性,有利于车身稳定,而且转弯时的前轮磨损也少(外侧前轮的转向角度小于内测前轮)。后轮使用少量的前束角,可以在转向的时候产生一定的转向不足,让车辆尾部更加稳定。相反如果后轮使用少量的后束角,车位就会变得很不稳定,因为左侧后轮受到的来自地面的横向作用力是向左的,而右侧后轮受到的来自地面的横向作用力是向右的,如果有少量的载荷横移,比如稍微偏左转,右侧后轮载荷加大,左侧后轮载荷减小,后轮所受的合力就会让车尾向右侧(也就是外侧)摆动,从而使车辆“甩尾”。后轮束角为0时,也是缺少横向形变预载,所以对于车身运动状态的横向变化会稍有迟滞。然而,无论前轮后轮,无论前束后束,角度太大就意味着横向作用力太大,也就意味着磨损加剧,所以这个角度的设置也是不能太极端的,应以操控响应敏捷,磨损合理为准,不断进行测试调整。

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先讲三个车轮定位角的协同调整,假设轮胎气压正常,既不太高也不太低,能让轮胎具有一定的垂向和横向刚度,且能维持外形而不至于太滚圆。

轮胎所受抓地力最主要取决于垂直载荷的大小,然后就是接地面的温度高低、面积大小和压力分布。抓地力的大小,笼统地说,约70%由垂直载荷决定,而后三个因素约各占10%。轮胎的温度主要靠调整胎压和内倾角,并通过实际驾驶来控制。以下就讨论后两个10%,见下图:

1.png
                                                                 又或者是别人转载了carplayer的文章
红色部分就是原来设计的轮胎接地面,轮胎平面具有一定的倾角(无论是内倾角还是外倾角),因此轮胎表面只有一部分接触地面,而且轮胎倾向的那一侧的胎面受压变形更大,说明分布的压强更大。如果按照普通理论,只要垂向载荷一样,抓地力就是一样的。但是如果详细分析下来,就会知道实际上均匀的胎面压力分布比起变化很大的胎面压力分布能获得更大的抓地力,而且能均匀分布胎面磨损,提高轮胎使用寿命。由于胎面压力分布的分析也需要相当篇幅,故在另一篇里面再作详述,现在先有一个“均匀的胎面压力分布能有更好的抓地力”的概念就行了,下面继续论述。

如果将图中的轮毂向图中的左方推,容易想象轮胎将会发生怎样的变形——图中轮胎的左侧胎面将会更多的接触到地面,分担一部分的压力,获得一定的抓地力,同时右侧胎面的垂向压强稍有减小,抓地力也稍有减小,同时磨损也减少。如果将图中的轮毂向图中的右方推,也不难想象轮胎将会发生怎样的变形——图中轮胎的左侧胎面将更远离地面,而右侧胎面将更被拖入受压区深处,其上分布的压强将更大,磨损更严重,也就是接地面的压强分布更极端。

如果上图中的轮胎是一辆向右转弯的车辆的左边轮胎(也就是外侧轮胎),车身的惯性就将轮毂向图中的左方推,除了横向载荷移动使得左边轮胎的垂向载荷加大,胎面的压强分布也变得更均匀,因此能获得相当大的抓地力。如果上图中的轮胎是一辆向左转弯的车辆的右边轮胎(也就是外侧轮胎),车身的惯性就将轮毂向图中的右方推,除了横向载荷移动使得右边轮胎的垂向载荷加大,胎面的压强分布也变得更不均匀,因此能获得的抓地力有所减少。所以,一般在弯道里面,车轮有少量内倾,将能获得更大的抓地力。

然后,轮胎的内倾角影响着轮胎表面的磨损情况,也就是影响着轮胎表面的温度和温度的分布。轮胎在工作温度范围内具有最好的抓地力,温度太低则抓地力不够,温度太高则不但抓地力不够,还会加剧磨损缩短轮胎使用寿命。如果某种车型的某个轮胎(或者说某个车桥上的轮胎,比如前驱车辆的后轮胎)在赛道上磨损不足温度过低,就有必要稍微增加内倾角,将负荷集中到内侧胎面以提高接地面(也就是内侧胎面)的温度。之所以不使用外倾的设置,是因为在弯道上不适用(前面已分析)。如果单一个区域的磨损过于严重,比如内倾角太大时的轮胎内侧胎面,胎面温度高于工作温度,就有必要调整内倾角使轮胎负荷分布更均匀。(LFS中可以按F9显示胎面压强分布及温度)

前轮的主销后倾角越大,在转向的时候外侧轮胎的内倾角增量越大,而内侧轮胎的外倾角增量也越大。但实际上并不将后倾角调得太大,这既因为前述的转向沉重,还因为后倾角对转向时候的内倾角的影响其实还算是很小的。如果要完全由后倾角来产生转向时候的轮胎内倾角,转向时候的方向盘回馈将有可能拗断驾驶员的手,而且过大的后倾角也会让直线行驶变得不够稳定。所以一般来说,后倾角的调整应以回馈力的大小为主要依据,但如果是可以调整方向盘回馈力大小的驾驶模拟器,可以将后倾角的调整视为弯道上前轮倾角的微调。不过,我还是建议应将方向盘的回馈力调整到能够正常感受到路面突起(如路肩),然后调整后倾角使转向回馈力在正常范围之内。

前束角能够理解为加载在轮胎上的横向预载。前轮的前束配合其主销后倾角,能在直线行驶时产生回中力矩,保证直线行驶的稳定性。详述如下:如果车辆有少量左转,载荷就会右移,右前轮的载荷更大,它受到的向左的来自地面的作用力也更大,在一定的主销后倾角下形成使车轮向右偏转的力矩;左前轮也受到地面的作用力形成使车轮向左偏的力矩,不过因为载荷转移而变小了,所以总体来说转向系统受到地面的作用力而形成的力矩使前轮向右偏转,也就是偏回到正前方。类似于上述讨论过程,后轮的前束角能使车尾变得更稳定,无论是在直线或者弯道上。

前束角类似于内倾角,也影响着轮胎接地面的载荷,不过内倾角影响的是垂向载荷分布,前束角影响的是横向预载荷。如果前束角太大,横向预载荷就会过大,这既增大了直线行驶时的路面消耗,降低了车辆极速,也增加了轮胎负担,缩短了轮胎使用寿命。类似于内倾角通过影响垂向载荷分布而影响胎面温度,前束角也通过影响横向预载荷的大小而影响胎面温度。不过前束角的最主要作用还是控制车辆在弯道中的平衡性表现。

无论是前桥还是后桥,车辆主要都是向前行驶的,前束意味着轮胎受到路面向内侧的作用力,因而更稳定,后束(也就是前束角为负)意味着轮胎受到路面向外侧的作用力,因而变得不稳定。前桥的前束让车辆前部变得稳定,也就是具有转向过度性,前桥的后束让车辆前部变得不稳定,也就是具有转向不足性;后桥的前束让车辆后部变得稳定,也就是具有转向不足性;后桥的后束让车辆后部变得不稳定,也就是具有转向过度性。

总结上述讨论,内倾角和后倾角影响的是不同行驶状态下的轮胎接地面的大小和压强分布,进而影响抓地力的大小,前束角影响的是轮胎对操控的响应敏捷性以及弯道中的稳定性。这三个参数如果设置得太大,会增加轮胎的负担缩减轮胎寿命,降低车辆的速度,甚至影响行驶的稳定性。

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接下来作为补述内容讲一下轮胎接地面的压强分布对抓地力的影响。先看下图:

2.png

这是场地赛中的轮胎模型简图。在上图中,轮胎的抓地力是在轮胎接地面上产生的,这个抓地力本质上就是轮胎橡胶与地面之间的摩擦力。这个摩擦力的最大值既与垂向载荷有关,也与胎面温度有关:根据摩擦力的理论,摩擦力的最大值正比于接触面压力,与温度成复杂关系,但总体来说温度越高最大摩擦力就越大。一旦超过这个抓地力极限,轮胎表面就会在地面上滑动。轮胎表面的橡胶在地面获得的抓地力通过稍靠内层的橡胶传递给轮毂,这样表层橡胶和内层橡胶之间就有一个剪切力。所谓剪切力就是,假设在橡胶内部有一个虚拟的横切面,横切面的两侧的橡胶就有通过横切面向对面传递的作用力,该作用力的平行于横切面的分量。简而言之,这个剪切力的本质就是相邻的两层之间的摩擦力。这个摩擦力的最大值与垂向载荷无关,只与轮胎温度有关:温度越高则剪切力极限越小。一旦超过这个剪切力极限,轮胎表层和内层之间就会撕裂开来。

各位应该有听说过木桶原理吧:一个木桶由许多块木板组成,如果组成木桶的这些木板长短不一,那么这个木桶的最大容量不取决于长的木板,而取决于最短的那块木板。轮胎的抓地力是轮胎表面从地面获得,然后通过橡胶胎体一点点的向内传递到轮毂上的。轮毂上能得到的抓地力就取决于胎面摩擦力极限和橡胶内部剪切力极限之中最小的一个。温度太低的时候,剪切力极限大,而胎面摩擦力极限小,因此最先达到的是胎面摩擦力极限,轮胎会发生打滑。随着温度上高,剪切力极限降低,台面摩擦力极限提高,达到最佳工作温度时,两个极限相等,轮胎所能得到并传递给轮毂的抓地力极限达到最大。而温度太高时,剪切力极限小,台面摩擦力极限大,因此最先达到的是剪切力极限,轮胎表面会剥落,轮胎消耗加剧。这就是轮胎抓地力随温度变化的过程,如下图。

3.png

胎面压强分布也对抓地力有影响。其原因还是之前所说的剪切力和胎面抓地力之间关系。虽然轮胎表面摩擦力正比于垂向载荷(精确来讲,应该是在一定的压力范围之内才是比较好的近似于正比),但是轮胎内部的剪切力却与垂向载荷没有关系。即使垂向载荷再大,能得到极大的胎面摩擦力,但这个力还是得通过橡胶传递到轮毂。只要获得的胎面摩擦力超过了剪切力极限,轮胎表面就会剥落,轮胎消耗加剧,而且传递到轮毂上的还是极限剪切力而非胎面摩擦力。这也就是说,想要有效地获得抓地力,就必须尽可能避免胎面局部压力过大,胎面摩擦力超过剪切力极限,而应该将接地面压力稍微分散一点。胎压和内倾角的调节就是控制接地面压力分布的主要手段。不过,就像之前所说,有时候为了要让负荷不大的轮胎接地面达到最佳工作温度,会特意调整胎压或内倾角,使得接地面压力的分布能集中一些。

这是carplayer@SRFC的文章,欢迎转载,但禁止盗用。    ^_^

PS:本系列只打算让细心在版区内找帖看帖,能看懂帖子的朋友发现,所以就不置顶高亮加精了。     ^_^
PS2:本系列均为讨论帖,而非教学贴。但对于我认为未看懂帖子的提问和质疑,恕我不予回应。

[ 本帖最后由 carplayer 于 2008-7-8 12:47 编辑 ]
以正常的心态,适当的速度,恰好的角度,划过完美的路线。

控制车辆的四个层次:

温和的车温和的跑法
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温和的车激进的跑法
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哥是有主的~

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发表于 2008-7-2 23:57:09 | 显示全部楼层
看完了.
不过基本头晕..
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发表于 2008-7-3 00:38:45 | 显示全部楼层
我有仔细看帖~[11.gif]

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发表于 2008-7-3 00:56:05 | 显示全部楼层
好吧,似懂非懂...........不过玩了这么久,还是懂了不少[20.gif]

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发表于 2008-7-4 09:35:22 | 显示全部楼层
好文章,还是看不懂,继续收藏ing......[11.gif]
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发表于 2008-7-4 10:09:22 | 显示全部楼层
细细品尝中..好东西...

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发表于 2008-7-5 21:03:12 | 显示全部楼层
明白一些了...

不过我还需要实践...
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发表于 2008-7-8 09:34:30 | 显示全部楼层
哈哈 正在 脑子里 消化中  学习了哈

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发表于 2008-7-8 10:40:22 | 显示全部楼层
收藏了,慢慢学习哦.........

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发表于 2008-7-8 11:25:55 | 显示全部楼层
顶下 记得收藏过[5.gif]
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发表于 2008-7-13 12:24:19 | 显示全部楼层
[46.gif] 好东西...我就不客气的吸收了哈

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发表于 2008-7-13 14:58:30 | 显示全部楼层
水车你不给我高亮~~真郁闷~~[1.gif] [1.gif] 好帖子啊~

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发表于 2008-7-15 18:16:18 | 显示全部楼层
好东西...头好晕,,[22.gif]
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发表于 2016-12-13 08:56:34 | 显示全部楼层
额。。。8年后了,看不到图了,下面的分析一脸懵逼
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发表于 2016-12-18 11:33:37 | 显示全部楼层
我觉得我得多看几十遍,写得真好!
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