悬挂调校 Pointed the Right Way

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文/John Hagerman   原文刊载于《Grassroots Motorsports》


何谓外倾角，后倾角和前束
Camber, Caster and Toe: What Do They Mean?

车轮的3个主要定位参数分别为前束(Toe)，车轮外倾角(Camber)和主销后倾角(Caster)。多数车迷对这些名词和其设定的具体内容都非常了解，但很多人可能并不清楚某些情况下特殊设定的目的何在，以及这些设定将对车子的性能产生何种影响。本文将从基础层面上浅析悬挂调校。


前束
Understanding Toe

从车体正上方向下观察，若左右两个车轮的前端略微向内聚拢，这对车轮即为内束(Toe in)。反之若两车轮前端呈向外发散状，则称之为外束(Toe out)。前束的大小可由车轮相对车身纵面的偏转角度进行度量，或者更通俗地讲，前束即车轮前后端的间距差，前束的设定主要影响以下3方面的性能：轮胎磨损，直线稳定性和入弯时的操控特性。
通常来讲当车子直线行驶时，只有让左右两车轮平行指向前方才能将轮胎磨损和动力损耗降至最低。但由于车轮通常会沿相对其轨迹的方向运动，因此过多的内束和外束都会导致轮胎偏磨。过多的内束将加速轮胎外边缘的磨损，而反之过多的外束将引起轮胎内边缘的磨损。

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既然零前束能够实现最低的轮胎磨损和动力损耗，那为何还要为前束设定角度呢？因为前束的设定对方向稳定性(Directional Stability)有很大影响。其机械原理如上图所示。当方向盘置于中间位置时，内束将使车轮倾向于沿彼此交叉的车轮轨迹运动。这样左右车轮将彼此干涉，不会产生转向效果。
当一侧车轮受到扰动，该车轮将会沿主销向后拉动。这同样会拉动另一个车轮，使其转向相同的方向。在扰动非常小的情况下，受干扰的车轮只会转动一个很小的角度，或许这会使车轮沿直线运动而非获得一个轻微的内束。但注意此类轻微的转向输入对车轮运动轨迹的影响仍称不上是一个转向动作。车轮能够在不明显改变车子前进方向的情况下将路面的不平吸收掉。内束以此来提升直线行驶的稳定性。
如果将车子设定为外束，在轻微扰动的作用下左右车轮将改变运动方向，这可以被称之为一个转向动作。任何偏离方向盘正中位置的微小转向角度都将导致外侧车轮的转弯半径大于内侧车轮。因此车子更倾向于入弯，而非保持直线行驶轨迹。所以显然外束使车子更喜欢弯道，而内束则更倾向于扼杀车子的弯路倾向。



内束(左)设定下悬挂的一个挠度(Deflection)不会像外束(右)那样产生转向效果


一部车子完美的前束设定应该是在内束的直线稳定性和外束的快速转向反应之间取得平衡。没人希望自己的街车在街上乱舞——无休止的方向修正会把人搞疯掉的。但赛车却很乐意牺牲一点直线稳定性以换取更为凌厉的入弯。所以街车一般都设定为内束，而赛车通常则是外束。
4轮独立悬挂的车子在后轮也需设定前束。后轮前束对轮胎磨损，方向稳定性和入弯方面的影响与前轮前束相同。但几乎没有人把一部后驱(RWD)赛车的后轮设定为外束，因为这将导致剧烈的转向过度，尤其是将动力考虑在内的话。相反前驱(FWD)赛车通常都会将后轮设定为轻微的外束，以此制造一些转向过度抵消部分前驱车固有的转向不足倾向。
车子从静态到动态的过程中将伴随着前束的轻微改变。这点在前驱和独立悬挂的后驱车上表现得尤为明显。当驱动力矩传递至车轮使其向前运动时，轮胎自身将产生一定的内束。这便是诸多前驱动车将前轮设定为外束的另一个原因。同样，当车子的非驱动轮触地时，其自身将趋于外束。这在后驱车上尤为明显。
一部车子的前束值取决于悬挂的随动性和厂方期望的操控特性。为了改善行驶质量(Ride Quality)，街车通常在悬挂连杆与车身/副车架处以相对较软的橡胶衬套(Rubber Bushing)相连，因此在橡胶衬套上加载载荷时其自身会产生较大的位移量。与之相反，赛车使用的是钢制球状轴承(Spherical Bearing)或高硬度氨基甲酸乙酯(Urethane)，金属或是塑胶衬套，以期在提供最佳刚性的同时更好的控制悬挂连杆。因此相对于赛车街车需要更大的静态内束值，以避免衬套变形导致的车轮外束倾向。
值得注意的是近些年来汽车设计师已经开始在街车悬挂衬套的变形上做文章。为了最大限度的提升瞬态响应，设计师希望将后轮设定为轻微的内束，用以加速后胎侧偏角(Slip Angle)和侧偏力(Cornering Force)的形成。通过前悬A字臂横拉杆的小幅变形，车子在入急弯时后轮趋向于内束；直线上无负载时，衬套将保持原状使前束维持在能够降低轮胎磨损并提升行驶稳定性的角度。这种设计属于一种被动式的四轮转向。

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后倾角
The Effects of Caster

在车身纵向平面内主销轴线与地面垂线所成角度即为主销后倾角。如果主销轴线后倾(即主销顶点比底点更偏向后方)，主销后倾角为正；主销轴线前倾，主销后倾角为负。
正的后倾角趋向于摆正行进中的车轮，因此能够增加直线行驶的稳定性。超市购物车的前万向轮非常清楚的展示了其中的原理。购物车万向轮的转轴位于车轮触地点之前。向前推动购物车，转轴拉动万向轮运动，由于万向轮被其前方的转轴沿地面拖动，因此万向轮会非常听话的沿直线前进。促使万向轮随转轴前进方向运动的力与万向轮接地面(Contact Patch)到转轴的距离成比例——该间距越大，作用力越大。此间距称为拖距(Trail)。
综合考虑多方面的设计因素，理想的设计是让主销刚好位于车轮轮毂之上。如果主销采用这种布局竖直放置的话，主销轴线将与轮胎接地面中心位于一条直线上，拖距长度为0，主销也不会产生后倾。车轮将会绕轮胎接地面中心任意旋转[事实上由于轮胎拖距(Pneumatic Trail)的存在，轮胎自身会产生少量的后倾角，但与人为设定的机械后倾角相比这个角度要小得多，所以在此我们将其忽略不计]。所幸正的后倾角能够产生主销后倾。这样主销轴线与地面的交点将位于轮胎接地面之前，实现了与超市购物车相同的效果。
倾斜的主销轴线对悬挂几何学亦有重要影响。由于车轮围绕一个倾斜的主销轴线旋转，因此车轮转动时会自动获得一个外倾角。这里有一个非常形象的解释，你可以将主销想象为水平的，当然这种极端情况在现实中几乎是不可能的——转动方向盘时，车轮只会改变其外倾角而不会改变方向。这样转弯时外侧车轮将获得负外倾角，而内侧车轮则会获得正外倾角。此类外倾角的改变通常都更适于过弯，当然这个比喻可能有些夸张。
多数车子对外倾角的设定都不是特别敏感。不过保证左右两轮相同的外倾角仍然非常重要，否则车子会有跑偏的倾向。虽然更大的外倾角有助于提高直线行驶的稳定性，但驾车者对方向盘施加的转向力(Steering Effort)也会随之增大。后倾角的设定范围通常在3o-5o之间，重型车辆会使用更小的后倾角，以便将转向力的大小控制在合理范围内。



和超市购物车万向轮(左)一样，其转轴制造的拖距拖动万向轮以一条直线运动

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外倾角
What is Camber?

外倾角是从车辆正前/后方观察，轮胎与地面垂线所成的夹角。若轮胎顶端向内(底盘方向)倾斜，称作负外倾；反之若轮胎顶端向外倾斜，则为正外倾。弯中轮胎产生的侧偏力很大程度上取决于胎体与路面间所成夹角，因此车轮外倾角对车辆的最大横向加速度(Road Holding)有很大影响。值得注意的一点是轮胎在小幅负外倾下能够产生最大的侧偏力，尤其是在-0.5o左右。这得益于外倾推力(Camber Trust)作用，外倾推力是胎面橡胶(Tread Rubber)沿轮胎接地面向前运动时发生弹性形变(Elastic Deformation)产生的额外横向力。
为了优化弯中轮胎性能，悬挂设计师希望轮胎能够在轻微的负外倾下工作。当然这通常都是个艰巨的任务，因为底盘在弯中发生侧倾时，悬挂在竖直方向上会有一定的变形量。由于轮胎通过数根悬挂连杆与底盘相连，车轮偏转取决于悬挂连杆的上下运动，随着悬挂的上下运动车轮将受到外倾角大幅改变带来的影响。因此车轮相对其静态位置的改变幅度越大，保持理想外倾角便越困难。而民用车为了追求平顺的行驶性能，都会使用相对较长的车轮行程(Wheel Travel)和较软的侧倾刚度(Roll Stiffness)，这增大了设计上的挑战，相反赛车固有的短车轮行程，高侧倾刚度的悬挂反倒让工程师不那么头疼。
理清对地外倾角和对底盘外倾角非常之重要。为了保持理想的对地外倾角，最佳的设计是车轮向上运动时，增大相对于底盘的负外倾。若在悬挂设计中希望相对于底盘的外倾角保持不变，那么车身侧倾将加大车轮相对于地面的正外倾。因此为了降低车身侧倾的影响，在车轮在向上跳动时，悬挂需要将轮胎顶点拉向车身(即获得负外倾)。
为了能够在全段悬挂行程中保持理想的外倾角以使轮胎始终处于峰值工作区间，设计师通常会将轿车的前悬设定为在车轮在向上运动时获得正外倾。此设计的目的在于降低车头相对车尾的侧偏刚度(Cornering Power，即侧偏力增量与侧偏角增量之比)，这样车子便会呈现转向不足的倾向，平稳的逼近车子的物理抓地力极限。转向不足的内在特性相比转向过度更安全且更稳定，因此无疑这是面相普通大众的民用车的最佳选择。
由于大部分独立悬挂的外倾角随车轮相对于底盘的上下跳动而不断变化，因此弯中车子外倾角的大小与我们调校车子时设定的数值并不相同。然而静态设定值确是我们对外倾角做出调整时的唯一参考。对赛车而言，在静态条件下设定外倾角是非常必要的，然后还需进行测试，最后依据测试结果调整静态设定值。
确定赛车外倾角的最佳方式如下：首先在赛道上将赛车推至极限完成一定的圈数，然后立刻测量胎面(Tire Tread)温度曲线，胎体内边缘温度稍高于外边缘是较为理想的状况。然而，确保轮胎升温至合适的工作温度远比得到一条"理想的"温度曲线重要得多。因此额外的负外倾将有助于轮胎升温至其工作温度。




左上:正外倾,轮胎底部间距小于顶部间距;右上:负外倾,轮胎底部间距大于顶部间距;中:如果悬挂在变形时无外倾角的话,弯中倾斜将使车身处于严重的正外倾中,车子的操控特性将会变得非常古怪;下:战胜恐惧:悬挂在变形时获得的外倾角能够在一定程度上抵消车身侧倾;悬挂动态外倾角的调校是悬挂调校中的魔法

重在测试
Testing Is Important

汽车制造商通常都会有推荐的最佳前束，后倾角和外倾角。这些参数都是经过大量测试得到的。不过车厂的目标可能不太切合你的竞技需要。某条赛道的最佳调教亦可能在另一条赛道上一无是处。所以最"佳"调校是由你自己决定的——这些全部来自测试和以往的经验。

fissa

好啊~~更明晰了一些概念和原理奖励！

martinqq

非常好~~~~顶~~~~

枪手与国王

详细！~~！~！

fissa

确实，写的很有条理~~老外办事就是认真。。。

warbb358

鼓掌~~~~~~~~~~~

清风细雨

不错。。。。。。。。