White Smoke譯文

懸掛的構造千變萬化，但賽車是永恒的五連桿——兩組橫臂外加一根橫桿的雙叉臂懸掛。

懸掛幾何控制的是什么：

車輪的傾角變化

車輪的平動軌跡

瞬時轉動中心的位置

靜態(tài)側傾中心的位置

側傾程度

縱傾程度

車輛的輪距和軸距

車輪受力的傳遞路徑

我們想從懸掛幾何設計中得到什么？

四輪獨立運動

重量盡可能最輕

最大化結構剛性（避免不受控制的扭曲）

盡可能緊貼路面

車輪起伏時外傾角變化最?。ūＷC車輪直立）

車身側傾時盡可能糾正外傾角（不讓車輪過傾）

讓車身起伏晃動時的前束變化小到可以忽略（起伏/側傾轉向）

讓車輪起伏時輪距變化小到可以忽略（不磨胎）

給予賽車工程師一定的調整空間

壓榨輪胎性能極限

給予車手積極反饋（良好的駕駛感受）

大部分需求互為矛盾，需要設計做折中，不過什么是最佳的折中方案？得先了解懸掛幾何的特性，才能回答這個問題。

瞬時轉動中心

如下圖所示，除非上下叉臂相互平行，否則它們所處的平面必然會相交，平面間的交線與懸掛上下外側球節(jié)所形成的橫平面和縱平面相交之處，就是該側懸掛的橫向和縱向瞬時轉動中心。

橫向瞬時轉動中心

我們來觀察一下輪胎對彈簧和連桿施加的合力。假定彈簧的作用力方向與合力的垂直分力重合。阻礙輪胎垂直運動的，就會是彈簧，而不是懸掛連桿。橫向分力會通過連桿進行傳遞，對彈簧沒有影響，因為其在垂直方向沒有力矩。通過底盤上兩根連桿AB和CD傳遞的合力，也有一條作用線穿過瞬時中心，對其不產生任何力矩。瞬時中心與P點連線偏離了連桿橫向合力的作用線，意味著部分底盤重量由連桿支撐，過彎時會因為重量轉移而產生頂推力。

側傾中心

側傾中心可以通過運動學或者力學分析來進行定位，分別為靜態(tài)側傾中心和動態(tài)側傾中心（geometric/ force based roll centre）。兩者位置不一定重合，尤其是側向加速度較大時。由于這個原因，必然還要通過空氣動力學分析來進行定位。不過先把重點放在前兩者上。最初轉向的時候，如下圖所示，底盤還未傾斜，也幾乎沒有重量轉移。對于質量分布對稱的汽車，其側傾中心位于車輛中線上，簧上質量所受橫向力經過側傾中心，剛好不造成懸掛側傾。

下圖顯示了底盤側傾和完全重量轉移的狀態(tài)（車身重心位于車輪上方），注意負重增大一側的輪胎被壓縮了，減小一側則受到拉伸。瞬時中心產生了位移，兩側輪胎受力大小發(fā)生改變，側傾中心產生了橫移?，F(xiàn)在右側輪所受橫向力大于左側輪，會對底盤產生頂推力，將其推高。由于瞬時中心的位置取決于叉臂外側球節(jié)的高度，有必要對輪胎傾角進行模擬運算。

如下圖所示，簧上重量作用于側傾中心的橫向力被輪胎所受橫向力（地面摩擦力）抵消了。但兩側輪胎對側傾中心的作用力并不相等，于是產生了垂直向上的分力，這個分力雖然輕微，但影響頗深，因為它能將底盤頂推起來。側向加速度和側傾中心足夠高的話，頂推效應會非常明顯。不均衡的頂推作用會改變車身的縱傾角和氣動平衡。（注：由于兩側輪胎作用于側傾中心的橫向力不同，兩側沿ic-p作用線的分力也就不同，左懸ic-p的分力斜向下，右懸ic-p的分力斜向上，后者的垂直分力大于前者）

如下圖所示，前懸的側傾中心因為車身起伏晃動而降到地面以下，是再正常不過的事了。注意，現(xiàn)在側傾中心移向負重較低的一側車輪。于是頂推力反轉過來，會將底盤往下壓。車身沿這條軸線進行轉動的想法有助于定性分析，但正如我們在動態(tài)側傾中心的定位分析中看到的那樣，必須相當謹慎地對待。懸掛幾何并沒有真的發(fā)生橫移！因此，把側傾中心看作是底盤中線上的一個點，并且側傾軸線貫通前后懸的側傾中心，這樣會便于你理解。但要謹記，這是理想化的情況，不均衡的懸掛剛度，與緩沖墊片（bump packer）的接觸，都會顯著改變側傾中心的位置。

動態(tài)側傾中心

如之前的示意圖所示，靜態(tài)側傾中心的位置會隨著情況變化而變化。不過，對那些橫向加速度特別大的賽車而言，因為橫向重量轉移特別大，以上模型可能不準確。在分析縱向重量轉移的情況時，前后制動力的比例必須考慮在內，我們應當考慮到輪胎負重處在變化當中，輪胎接地面所受的橫向力也以非線性的方式在發(fā)生變化。我們需要確定動態(tài)側傾中心的位置。下圖展示的是在理想彈簧模型中，不均衡的輪胎橫向受力。注意，外側輪受力遠大于內側輪，會產生頂推力，動態(tài)側傾中心會下移，并移向外側輪。翻車的時候，動態(tài)側傾中心一定在外側輪接地面附近！

你可能已經發(fā)現(xiàn)了計算動態(tài)側傾中心位置的問題所在。我們怎么知道輪胎的受力有多大？這需要一個完整的車輛動力學模型才行。重量轉移取決于前后側傾中心的初始位置。難點在于我們需要側傾中心的位置來計算輪胎受力，但我們也需要輪胎受力來計算側傾中心的位置。

如下圖所示，底盤的實際側傾中心不是靜態(tài)側傾中心，也不是動態(tài)側傾中心。ic-p的反應線上的任何位置都有可能是側傾中心。如果側傾中心不在車身中線上，頂推力就不在中央位置，這樣會影響車身側傾角度。轉向效應會改變輪上負重和橫向力。在側傾過程中，簧上的質心可能不在車身正中，而是略有偏移。由于外側輪剛度的提升或者與緩沖墊片的接觸，兩側懸掛剛度會有差異。彈性中心是指作用在這條線上的垂向力不會導致車身側傾。因此，在這種情況下，即便頂推力位于正中，也會導致側傾。注意，要確定動態(tài)側傾中心，你必須知道橫向力大小，但這取決于重量轉移，而重量轉移又取決于側傾中心的位置。因此在實際的計算過程中，往往采用靜態(tài)側傾中心的高度以及它在垂直方向上的起伏變化量來進行定位分析。

外傾角的變化

外傾角在起伏和側傾中發(fā)生的變化，與虛擬擺動軸長度有關。SAE將其定義為如下圖所示的水平距離，盡管把它定義為瞬時中心到P點的距離可能更好。輪胎接地面P相對瞬時中心的運動，不止會導致車輪的傾角變化，也會導致P點的橫移，即所謂的“磨胎”。很明顯瞬時中心是變化的，會隨著車身起伏搖擺而四向移動。在懸掛幾何的動態(tài)模擬中，靜態(tài)外傾角大小以及對起伏擺動中外傾角變化的優(yōu)化，是必不可少的。

以上也不是實際發(fā)生的狀況。我們應當把下圖中的幾何構造看作是三維立體的。在車身顛簸晃動之時，所有瞬時中心都會變，車輪的轉動中心也是如此。

縱向瞬時轉動中心的特性

“抗傾”一詞，道出了縱向瞬時轉動中心的定位與控制在懸掛幾何上的真諦。我們可以看到剎車期間，一部分簧上重量通過懸掛連桿在輪間傳遞。只有當底盤保持其俯仰角不變時，剩余的簧上重量才會通過彈性介質進行傳遞，如下圖所示。

在剎車過程中，當懸掛幾何通過連桿對縱向重量轉移進行優(yōu)化時，在前懸稱為“抗點頭”，后懸稱為“抗舉升”，在加速過程中，后懸稱為“抗后坐”?！翱箖A”的程度通常以比例來計算。

“抗傾”程度與下列數據相關

制動力分布的前后比例

縱向瞬時轉動中心的位置

軸距

簧上重量的重心高度

后輪輪心高度（計算抗后坐比例）

“抗傾”比例的計算如下圖所示。注意，車輪在縱向重量轉移時會發(fā)生變形，因此即便100%抗傾，車身依然會產生縱傾。在實際操作中，要想轉向和車輪的運動不受負面影響，需要一定的抗傾力度。還有一個選擇是讓后懸的縱向瞬時中心遠遠超過前懸，這會在起伏路面中產生極其穩(wěn)定的抗后座力矩。

瞬時轉動中心是虛擬的點位，會隨著車身運動而變化，這意味著抗傾的比例也會變。在彎道中剎車的綜合工況中，車身兩側的抗傾比例會不盡相同。但抗傾比例的設定，應當被充分控制。

幾何參數

由于懸掛幾何的變化紛繁復雜，我們需要將其化繁為簡，建立一套可管理的系統(tǒng)，從而進行幾何優(yōu)化。下面的圖標完整體現(xiàn)了懸掛幾何所需的所有參數。各項參數的系數都為四階多項式函數，這些數據可以在車輛動力學模擬中進行分析，從而實現(xiàn)優(yōu)化的目標。