【Race Tech】弹簧与避震器 01

Image credit: Soaring Racing

技术指南:弹簧与避震器 1

这个系列是 OPTIMUM G 官网上的一个系列,他们家官网上好多好文章,可惜没法一一拜读,弹簧和避震器的这个相对基础,但是看两遍英文太痛苦,所以干脆翻译了吧。完全不是原创。

在赛道上,你可能会为了提高一秒的圈速而花上整个周末的时间调校弹簧刚度和避震器设置。不过,你如何确定你是在正确的范围内呢,说不定一个完全不同的弹簧避震器组合可以提升两秒的圈速,尤其是面对一辆不熟悉的车?

在技术指南的第一期,我们会探索如何确定弹簧刚度的基准,以确保给打下调校一个坚实的基础。

适乘刚度和单轮轮跳

选择弹簧刚度的第一步是选择你想要的前后偏频(ride frequencies)。偏频指的是车身在无阻尼情况下的固有频率。偏频越高,悬架越硬。所以,这一参数可以被看作是归一化的适乘刚度。以下是偏频选取的经验值

  • 0.5 - 1.5 Hz,乘用车
  • 1.5 - 2.0 Hz,轿赛车和中下压力方程式赛车
  • 3.0 - 5.0+ Hz,高下压力赛车

译者注:从FSAE的经验上讲,大多选取 2.5-4 Hz,我见到的绝大多数选择在 3Hz 左右,大家现在都有空套了嘛

偏频较低时,悬架会更软,并可以获得更大的机械抓地力,然而赛车的响应速度也会变慢(车手反馈会说“缺乏支持”)。更高的偏频使得对于同一条赛道悬架行程变短,使得车身高度可以更低,反过来降低了重心。

前后偏频通常不同,有一种可供参考的理论。下面的两个例子使用夸大的图展示了当车遇到一个颠簸时不同偏频的作用。在图1中,我们可以看到无阻尼情况下,前偏频高于后偏频时车身在垂向上的运动情况。由于阻尼的作用,当观察频率的时候,第一阶段对于一辆车来说是最重要的。

图1 前偏频高于后偏频

前后偏频的不同加重了由于跳动的时间不同而导致的前部与后部在垂向上的异相运动。相位差导致的是车身的来回纵倾。为了减少车轮压过突起时的纵倾现象,后偏频应该更高来“赶上”前偏频,如图2所示。这个概念被称为“flat ride”,表示最小化因为路面颠簸导致的车身纵倾。

图2 更高的后偏频

对于一个特定的轴距和车速,前后偏频的差距比值可以被计算出来。通常的差距为后比前高10-20%。

上面的理论原本是为舒适性优先而性能居次的乘用车打造的,阻尼比低,最小化车身的颠簸。赛车通常有着更高的阻尼比,对于舒适性的考量也低得多,所以一些赛车前偏频比后偏频更高。更高的阻尼比可以减少路面颠簸引起的震动,减少对于flat ride的需求。阻尼比在后面的技术指南中会讲到。更高的前偏频可以获得更快速的入弯响应,更小的前部重心变化(前部空套对于纵倾往往更加敏感)并且获得对于后驱车来说获得更大的出弯后部抓地力。后偏频应该基于对于赛道路面,速度,对纵倾的敏感程度的综合考量决定。

图3 和 图4 展示了一个单自由度汽车模型收到一个突变扰动的简单例子。前后偏频比是10%,临界阻尼70%,车速100km/h,轴距1.75m。

图3 前偏频比后偏频高10%

图4 后偏频比前偏频高10%

偏频选取完毕后,弹簧刚度可以由悬架运动比,单轮簧上质量和偏频来确定。

从最简单的物理方程开始,这是固有频率,弹簧刚度和质量的关系式:

$$ f = 1/(2\pi)\sqrt{\frac{K}{M}}$$

$ f = 固有频率(Hz)\
K = 弹簧刚度(N/m)\
M = 质量(kg)$

对于悬架来说,可以通过偏频,运动比和质量计算出弹簧刚度:

$$ K_s = 4 \pi^2 f_r^2 m_{sm} {MR}^2$$

$ K_s = 弹簧刚度(N/m)\
m_{sm} = 簧上质量(kg)\
f_r = 偏频(Hz)\
MR = 运动比 (轮胎行程/弹簧行程)$

表1 是上述计算的一个例子。表1 展示了传统悬架每个轮一个弹簧,一个运动比情况下的弹簧刚度。悬架角重和偏频变化时,相应的弹簧需求。

现在,你可以为你的车建立基准的弹簧刚度了。下一篇技术指南,我们会讲解单轮轮跳弹簧和阻尼;随着整个系列的结束,平行轮跳,侧倾,纵倾时的弹簧和阻尼情况都会被讲到。

License

Copyright 2021 王鹏维

Next
Previous