重返巅峰 周深:F1赛车悬挂设计流程简介

F1赛车悬挂设计流程简介

尽管数字计算工具发展迅速，悬挂设计仍然不为大众所知。特别是对于公路汽车，悬挂设计方面的资料非常少，因为悬挂设计需要考虑的因素特别多，而且这些资料往往是保密的。对于赛车悬挂设计来说，公路车辆悬挂的某些设计目标可以忽略，赛车悬挂设计主要着眼于使赛车获得最大机械抓地力，即使如此，悬挂设计仍让是一项庞大的系统工作。

  一般说来，当工程师在设计一辆F1赛车时，通常需要考虑赛车在飞驰过程中的4个动模态特征（赛车的头部和尾部连线为X轴，赛车左侧与右侧连线为Y轴，垂直于地面为Z轴）：

1）俯仰：赛车有绕着Y轴旋转的趋势。

2）侧倾：赛车有绕着X轴旋转的趋势。

3）弹跳：轮胎与地面接触面沿Z轴做上下直线运动。

4）翘曲：轮胎与地面接触面沿Z轴做上下非匀速直线运动。

  上述动模态特征主要由赛车前、后两轴的悬挂刚度和侧倾刚度决定。赛车行驶过程中，当簧下质量与赛道路面间相对运动为零时，可以获得理想化最大的赛车抓地力；换句话说，赛车簧下质量的几何重心的运动轨迹与赛道表面轮廓形状完全平行。很明显，在现实世界的工程应用中，这是无法达成的理想目标，那么尽可能地减小簧下质量与地面间的相对运动就是悬挂设计的主要目标之一，通常设计工程师会在满足所有性能要求的前提下选择最小的弹簧刚度。但同时，设计者为了控制制簧上质量与赛道表面间的相对运动需要选择较大的弹簧以及减震器刚度。所以，为了分别控制簧上质量与簧下质量，关于弹簧和减震器性能选择存在一对无法避免的矛盾，无论是悬挂设计工程师还是赛场调教工程师都需要靠车队多年积累的数据和经验来对两个参数进行优化选择，并根据现场赛道和气候条件做出最终抉择。讲解到此处，还需要引出一个参数名词——弹跳频率（bounce frequency），随着赛车质量而发生变化，从公路民用车到赛车，弹跳频率约为0.8到1.5Hz之间，然而F1赛车的弹跳频率大约为2.0Hz。在设计F1赛车悬挂时，后轮轴的设计弹跳频率都会比前轮轴高一些，这主要是为了在起伏赛道上消除赛车的俯仰趋势。

  悬挂设计的第二个考虑因素就是赛车的重量转移，这由赛车的质量、加（减）速度、重心高度、赛道宽度或轴距长度等参数多方面联动决定的。重量转移与侧倾趋势有着密不可分的联系。尽管消除赛车侧倾的最好方法就是穿过赛车重心点增加一根防侧倾杆，但这样做也有很大的副作用——带来瞬时重量转移。赛车设计工程发展到如今，通过多年的实验与数据积累，与其采取上述方法完全消除侧倾，还不如保留一定数值的可控侧倾趋势，但同时可以最大化地减小赛车的重量转移。其实，也就是在20世纪70年代以后，F1赛车工程师才开始逐渐考虑降低车体的侧倾趋势以提高赛车的平衡性和操控性，较软的悬挂侧倾刚度会降低赛车的抓地力水平。

  翘曲主要用来描述悬挂抗路面畸变性的能力。选择较硬的悬挂可以有效地降低赛车的俯仰、侧倾和震荡趋势，同时也可以有效减小悬挂上、下叉形架上拱或下凹变形，但这样的设置却牺牲了悬挂的抗翘曲性能。随着抗翘曲能力降低，赛车的动载荷变化量以及不可控制动载荷都有相应增加，而且赛车的过弯性能也会所有削弱。

  当赛道路面不平或赛车颠簸时，轮胎—悬挂—推杆传递的振动由安装在底盘（或变速箱）上的弹簧来吸收并传递到底盘上。那为什么非要选择弹簧来吸收并传递震动，何不直接用具有一定柔度的底盘直接吸收震动呢？其实原因很简单，即使设计具有一定柔度的底盘，但最多这只能看作是一个“无阻尼弹簧”，其储能量十分有限，无法有效消除赛车连续的上下振荡运动；而且如果采用这样的设计，底盘需要同时吸收前、后悬挂的冲击和振动，不可避免地产生共振，这对车手舒适度和赛车操控性都带来新的挑战因素。悬挂的冲击和振动由弹簧吸收后，弹簧自然而然存储了能量，那么此时需要减震器来释放存储在弹簧中的能量，以确保整个悬挂总成系统能够连续工作（减震器同时还提供颠簸振荡阻尼和防侧倾阻尼）。如果减震器不能够很好地控制或释放弹簧所吸收的冲击能量，那么弹簧的简谐运动将处于失控状态，弹簧的能量释放也将处于不可预测状态。结果，赛车的簧上质量和簧下质量都开始振荡，这种振荡或跳动会对车身的稳定性和赛车操控性带来极大的负效应。车手在颠簸路段会感觉到底盘剧烈而无规律的振动；在大脚制动时，赛车有向前栽头的趋势；在赛车过弯时，整车的平衡性非常难以控制，当横向加速度较大时，还会有敏感的侧倾趋势。

  目前为止，在所有零件中，F1赛车的减震器的公开发行数据和资料是最少的。不仅是赛车界，就算是民用车或高校教育中也很少有现成的公式能够清楚地计算出确保某种减震特性的减震器所有参数。在20世纪90年代，F1围场出现了主动悬挂系统（active suspension），有了主动悬挂，设计师可以有效地消除上述4个模态特征之间的耦合作用，大大提高赛车的整体性能。知道1993年，FIA禁止各车队使用主动悬挂，外界才对F1悬挂系统和减震器有所了解。毫无意外，各车队工程师当然不愿意放弃主动悬挂系统，但迫于规则，即使非常无奈也必须放弃此优异性能。也就是从这时开始，各车队开始大力研发赛车减震器以获得同主动悬挂同样的性能效果，即便如此，由于F1赛车界各车队的竞争异常激烈，圈外仍旧难以获得赛车悬挂设计和减震器设计的最新有效资料。民用车和所有赛车的回弹率/压缩率（rebound/compression ratio）处于1.5:1到4:1之间，设计者们通常用60:40和80:20来表示这个比率值。多年实践表明，通常设计者会选用3:1来作为设计的起点，即使到了现在这个设计起点数值仍然是首选。在计算分析上，通常用临界阻尼的某个百分比数值来作为赛车悬挂的阻尼率，但涉及到应用时，很不幸，理想的设计阻尼里数值必须根据各条赛道的不同特性来具体分析。即使工程师的考虑已经面面俱到，但仍旧难以在实验室里模拟出赛道的真实情况和环境状态，车队通常靠多年比赛经验和赛道搜集的数据来克服此困难。

  作为开轮式赛车的典型代表，F1赛车选用上、下双叉形架（叉臂或三角架）悬挂，叉形架横梁通常设计为倒机翼形，一方面可以减少阻力，另一方面还可以提供小小下压力。悬挂的弹簧和减震器安装在底盘上，通过拉杆或推杆与悬挂总成连接。整个悬挂系统的重量非常小，结构布局紧凑，完全符合现代F1赛车的设计需求。下面简单介绍一下F1悬挂的设计过程：

1. 现代F1赛车都采用从外到内的设计过程，所以首先要确定赛车主要框架参数，包括：外形尺寸、重量、发动机马力等等。

2. 确定悬挂系统类型，一般都会选用双叉架，主要是决定选用拉杆还是推杆。

3. 确定赛车的偏频和赛车前后偏频比

4. 估计簧上质量和簧下质量的四个车轮独立负重。

5. 根据上面几个参数推算出赛车的悬挂刚度和弹簧的弹性系数

6. 推算出赛车在没有安装防侧倾杆之前的悬挂刚度初值，并计算车轮在最大负重情况下的轮胎变形

7. 计算没安装防侧倾杆时赛车的横向负载转移分布（LLTD Lateral Load Transfer Distribution）。

8. 根据上面计算数值，选择防侧倾杆以获得预想的侧倾刚度和LLTD。

9. 最后确定减震器阻尼率。

10. 上面计算和选型完成后，在重新对初值进行校核。

  现代F1赛车都是采用由外到内的设计理念，首先要计好赛车的空气动力学外壳套件，再根据FIA技术规范规定设计赛车尺寸、重量、动力传动链、轮胎/轮毂，然后再设计赛车的立式导架、转向控制臂以及一些其他附件。

  F1赛车可以说是世界上所有顶尖应用科技的集合，从机械、材料、空气动力学、电子、计算机到光学、无线电遥感科学，您都能在605Kg的F1赛车上找到缩影。理解和掌握赛车设计不是一蹴而就的短期工程，希望大加能共享书籍分享经验。

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