Beyond The Apex

参考:

  • GT赛车 《Beyond The Apex》







最近在PS4上购置了GTSport赛车游戏,刷知乎的时候看到GT赛车附赠了有关于汽车知识的书籍《Beyond The Apex》。出于好奇,在网上下载了这两本书的PDF版本,来帮助我学习相关汽车知识。谢谢网友对书籍的分享!








汽车工程

Engineering for Automotive


汽车的工学

一般人与专业技师对汽车的印象,之所以会有这么大的差异,决定性的因素就在于是否拥有工学的基础知识。因此,接下来我们将解说专业汽车技师拥有的工学基础知识,希望能尽可能填补两者之间的落差。

  • 第一节: 将介绍基本的机械力学,力、力矩、能量等概念,并导入振动的理论。力、力矩、能量是所有工学的基础。
  • 第二节: 将介绍车辆运动力学与悬吊系统的调校。
  • 第三节: 将介绍汽车引擎的基础知识——热力学与统计力学。
  • 第四节: 将介绍空气力学。
  • 第五届: 将介绍流体力学(CFD)。

本书中介绍的工学理论,对于专业的汽车技师来说,都是最基础的内容。不过,对于一般人来说可能比较陌生,要从头看到尾也有点困难。出现这种情况时,请先选择自己感兴趣的部分阅读即可。


力、力量与振动


力与力矩的概念

行驶中的车辆,有各种力矩在作用。理解对车子产生作用的力与力矩,就是理解汽车原理的第一步。


力的定义

轮胎、悬吊系统、引擎……,汽车在行驶时,会有各种力发生于这些部分。这些作用力都是由不同的现象所引发,在直觉上或许会认为其种类也各不同。不过,从物理学角度而言,这些力全部都可以用(力量=质量x加速度),这个简单公式来代表,在本质上完全相同。

所谓力,就是改变物理的速度或运动方向的作用。反过来说,如果物理正在加速或加速,就一定有力在作用。例如,轮胎与地面之间产生的摩擦力可以改变汽车这个拥有质量的物体的运动方向或速度。避震器的阻尼力具有降低车体与轮胎振动速度的功效。


力矩的定义

若在行驶过程中转动方向盘,轮胎会产生与行驶方向垂直的力,车身的方向因而改变。车身会以为轮胎的作用力,而进行偏航运动。这种让有体积的物体出现旋转运动的作用,就称为力矩。所谓力矩,是因与旋转轴的举例,加重作用力力道的力量,以数学公式表示,就是(力矩=旋转轴的距离x力)。

若将车子的重心位置设定于旋转轴,则前轮产生的力矩大小,就等于从重心至前轮的距离x前轮产生的横向作用力。当然,在转向时,后轮也可以发挥从重心至后轮的距离x后轮产生的横向作用力的力矩,让车子朝与前轮力矩相反的方向旋转。

让我们以实际的过弯来思考一下上述的情况。转动方向盘时,前轮的力矩会变大,因而开始转向。而到了弯道定点附近,前后轮的力矩达到平衡;过了顶点之后将方向盘回正,则后轮的力矩会变大,并完成转向。




能量的概念

了解能量守恒定律。


能量守恒定律

关于汽车的物理现象,可细分为力学现象、热现象、电气现象、磁力现象、化学现象……。例如,在燃油引擎的气缸当中,燃油点火爆炸时,气缸内的温度上升、活塞会被推下。此时,气缸内部发生了化学现象、热现象与力学现象。这些物理现象的种类虽然不同,但在这些 现象之间,则有一种与力迥异的共通效应,那就是能量。能量可在不同的物理现象之间相互转换,而其总量在转换前与转换后会维持恒定、不会改变。这就是所谓的能量守恒定律

刹车是将力学能量转换为热能量的行为。


引擎气缸内的能量守恒

若从能量的角度,观察发生于燃油引擎气缸内的物理现象,可说是气缸内的化学能量被转换成为热能与力学能量。换言之,燃油引擎可说是从化学能量当中,颉取出对人有帮助的力学能量的装置。此时,能量守恒会确保经过转换的化学能量的量与新生成的热能量与力学能量的总和相等。而引擎将化学能量转换为对人有帮助的力学能量的比率,称为引擎效率




振动的机制

振动现象的根源是物体的质量与弹性。


从力学角度看振动

为了让内容更容易理解,在此用独立的砝码与弹簧来说明(我们将可产生振动现象的对象统称为振动系统)。


从能量的角度看振动

振动也可以从前文提到的能量守恒定律来观察。若从能量的角度观察振动,则振动可说是由伸缩带动的砝码的运动能量,与弹簧的弹性能量之间的交互作用。




共振现象

共振是指对来自外部的激励无抵抗的状态。

考量悬吊系统与引擎的振动时,必须特别注意的是共振的现象。共振必须尽可能避免。若无法避免时,也必须尽可能降低其影响。


自由振动与固有振动数

试着拉动前面的振动系统,然后放手让它自由震动,这种状态叫做自由振动。不久后砝码与弹簧会以某个特定的频率振动。无论一开始用什么方式拉扯,最终都会以一定的振动数振动。这个振动数,是仅有弹簧的弹性与砝码的质量决定的固有振动频率,因此称为固有振动数。固有振动数是振动系统进行自发性振动的频率,在以这个频率振动时,弹簧的弹力与砝码的惯性力会随时保持平衡,能量也自然会重复交互作用。


强制振动与共振

接下来试着用手强制让前文中使用弹簧与砝码伸缩,这种状态称为强制振动。用与固有振动数不同的振动数,让弹簧与砝码伸缩时,手应该会感受到阻力。让振动系统振动时,若将固有振动数视为自然的振动频率,则对于这个振动系统而言,其它的振动数都是不自然的频率。无论从外部施加何种振动,振动系统都会尝试以对自己最自然的频率来振动,因而会感受到阻力。

如果我们让这种砝码与弹簧用固有振动数来伸缩,结果又会如何?由于此时的振动对于该振动系统来说属于自然的振动数,因此不会感到阻力。不仅如此,振动的幅度反而会配合施加的外力而逐渐增大。因为振动系统对于来自外部的激励,不仅没有抵抗,而且会将其能量完全吸收。若持续以固有振动数对其施加振动则振幅会增加到无限大。

如上所述,若以振动系统本身自发振动时的振动频率,从外部强制让它振动,则振动的振幅将会持续增大,这种现象称为共振,而此时的频率称为共振频率

以悬吊系统为例,共振将会导致接地性与乘坐的舒适度降低;而引擎出现共振,更会导致引擎本身的损坏。因此必须极力避免共振现象发生。防止共振导致损坏的方式之一,就是配置避震器。避震器可以吸收来自砝码与弹簧振动的能量,并将之转换成热能,是放到外部。因此即使产生共振,若阻尼力可却是发挥作用,就可以房子机械损坏。




阻尼力的作用

振动的状态会因阻尼力而变化。


阻尼比不同的自由振动

振动衰减的情况,回音避震器阻尼力的大小而出现差异。而表示避震器阻尼力的大小,对于质量与弹簧弹力的效果有多大影响的量化指标,就是阻尼比

当阻尼比大于1时,表示阻尼力强过质量与弹簧,因此振动系统的运动会朝向非振动收敛。这种状态称为过阻尼(over damping)。在过阻尼的状态下,振幅会随着之间而减少、逐渐趋近于零,属于无周期运动。
而阻尼比小于1时,则阻尼力会弱于质量与弹簧的效应,振幅会随着时间减少、而振动周期则会逐渐拉长。这种状态称为阻尼不足(underdamping)
当阻尼比等于1时,则是振动或不振动的临界状态,这种状态称为临界阻尼(criticaldamping)
当阻尼比为0时,不会产生阻尼力,也就是避震器不会发生作用的状态,因此振幅也不会衰减。




相位差

相位差就是振动的节奏的差异。

汽车通过路面的起伏时,起伏会被悬吊系统缩小,再传导至车体。在这种情况下,通常车体的振幅会比路面的起伏更为平稳。换言之,车体的振幅会先被悬吊系统缩小之后,再传导至车体。由此可知,车体振幅的响应能被缩减到何种程度,应是最重要的着眼点。要讨论振动时,对于入力能以多快的速度回应,这一点也非常重要。


振动的节奏之差异

要评估一个振动系统,对于人力会以多快的速度回应时,使用的基准就是相位差

用固有振动数(共振频率)以外的振动数,轻质针对弹簧与砝码进行激励时,为何手会感受到阻力?手的振动节奏与振动系统的自然节奏不同所致。这种节奏上的差异,就是施加振动的方向与砝码惯性力的方向之差异。这种运动的节奏差异,就叫相位差。




频率响应

应用于悬吊系统与车辆运动的解析。


频率响应与波德图

将振幅、相位差等振动系统对于激励频率(激励振动数)的回应,称为频率响应

在分析汽车的振动现象时,通常会解析其频率响应。而解析频率响应时最常使用的,就是名为波德图的图标。


透过波德图了解阻尼系统的振动

还是使用前面的振动模型,从静止状态逐步提升激励的振动数(频率)。频率极低时的振幅比为1,换句话说,也就是激励的振幅与响应的振幅相同。不过,之后若逐步提升频率,振幅比也会随之变大,这表示响应的振幅比受入力影响而逐渐变大。而达到某一频率时,振幅比会达到最大,这就是所谓的共振。而此时的频率就是共振频率。如果再进一步提升频率,则振幅比会变小、并逐渐趋近于0.换言之,激励的振动数越高,响应的振幅也会随之逐渐趋近于0。




发生于悬吊系统的振动

多自由读之振动。


悬吊系统的振动特性

汽车的悬吊系统有各种机构,但本质上是由质量与弹簧以及避震器组成的振动系统。车体与车辆之间的弹簧与避震器代表悬吊系统;车轮与路面之间的弹簧与避震器则代表轮胎弹性与阻尼。






车辆的运动性能


轮胎的力学

理解轮胎产生的力。


转弯力

让物体滑动或扭转变形的力,称为剪应力;而物体对剪应力产生抵抗的特性,则称为剪弹性。若剪应力对轮胎朝横向作用,轮胎就会朝横向变形。不过,此时轮胎也会产生于剪应力对抗的力,尝试恢复原状。事实上,轮胎就是用抗拒让自身变形的作用力的方式,来产生车子的加速、减速、转向时所需的力。

从图中可以了解,轮胎的旋转面与车子的行进方向之间是有差异的。换言之,轮胎的力,是通过一边旋转、一边横向变形所产生。在此将旋转面如行进方向形成搞得角度,称为滑移角;而与行进方向垂直产生的力,则称为转弯力。车子之所以可以转向,就是因为轮胎可以产生如上述所述的转弯力。

一般来说,若剪弹性较大,即使滑移角相同,也会产生较大的转弯力。不过,当剪弹性过大时,些微的滑移角就可能导致摩擦饱和,使路感与车手的感觉不合;相反,如果剪弹性太弱,则会过度变形,而让车手感到不安。


转弯力与滑移角的关系

在滑移角较小的范围内,转弯力会呈直线增加;而当滑移角大到一定程度时,转弯力则会达到饱和。这种转弯力的变化比率,称为转向功率。只需些微的滑移角变化,便可产生较大转弯力的轮胎,其转向功率也比较大。


胎压与转向功率

一般来说,在胎压较低的范围内,胎压增加时,轮胎的剪弹性会提升,转向功率也会变大。不过胎压的上升,却会导致与路面的接地面积减少。换言之,接地面积与剪弹性,是针对胎压产生的相反效果。当垂直载重较小时,胎压增加造成接地面积较少的效果,会比剪弹性增加的影响更大,因此转向功率会降低。为了将转向功率提升到极限,最重要的是考量轮胎的特性与车重,在各项要素之间取得平衡。


伴随驱动与制动的轮胎横向力

从上方观察汽车时,与轮胎旋转面方向垂直产生的抓地力,称为横向力。理解横向力在驱动或制动时会产生何种变化,是非常重要的一点。踩下油门或刹车时,轮胎的抓地力被用于驱动力或制动力,所以即使在相同的滑移角下,横向力仍然会减少。赛车会随着车手的操控,而频繁进行制动与驱动,因此斜向的摩擦力,容易影响单圈时间。




车子的稳态定圆回转

车子的转向由前后轮的力矩之平衡决定。


转向特性的定义

以一定的转向角与速度行驶的车辆,会维持特定的旋转半径画圆,这称为定圆回转(steady state cornering)。研究进行稳态定圆回转的车辆,将有助于理解车辆运动的基本特性。

假设有一台以特定速度进行稳态定圆回转的车子,我们从此状态慢慢提升其速度。若速度提升时,前轮产生的的力矩变小,则其旋转半径将会随着速度的提升而扩大,若要持续稳态定圆回转,就必须增加转向角。相较于此,若前轮的力矩变大,则旋转半径会随着速度的提升而变小,因此必须缩小转向角。

转向特性:

  • 转向角不足的特性,称为转向不足(US);
  • 转向角过大的特性,称为转向过度(OS);
  • 旋转半径与速度的增减无关、维持一定数值,称为转向适中(NS).

必须注意的是,转向过度的车辆,在特定速度下旋转半径会变为0,也就代表车子会陷入打滑的状态。而达到打滑状态的速度,则称为稳定极限速度(stability limit speed)


转向特性与滑移角的关系

前后轮的滑移角β前轮、β后轮与转向特性之间的关系十分有趣。

  • β前轮>β后轮,则为US;
  • β前轮=β后轮,则为NS;
  • β前轮<β后轮,则为OS。

这种关系,与是否有转弯力以外的横向力作用于前后轮无关,也与转弯力是否和轮胎的横向力成比例无关,而是在进行稳态定远回转的车辆,以几何学来决定的关系。




车辆对转向角变化之回应

车辆的运动只是一种振动现象。


转弯的机制

当转向角发生变化时,车辆会如何回应?
偏航运动并不是在转动反向盘后立即发生,而会因车辆的惯性与轮胎的作用力发生的关系,而有短暂的时间差(相位差)存在。


转向平衡与车子的回应

车子对于车手操控的变化之回应,会受到转向特性与车速很大的影响。

  • US的车辆在达到一定速度后,会产生振动,但不久后就会收敛、并趋于稳态。
  • NS的车辆则不会产生振动,维持稳定的状态。
  • OS的车辆若行驶速度超过稳定极限速度,车子的回应将不会振动而出现发散,因而陷入打滑。


将振动理论适用于车辆运动

事实上,如果用阻尼比或振动频率(固有振动数)等特定的抽象概念,来观察物体的运动,可发现由质量、弹簧与避震器构成的振动系统与车辆的运动,两者完全没有差异,都可视为一个振动系统。换言之,车辆的运动只不过是一种振动现象。

  • US的车辆偏航阻尼的阻尼比低于1,因此会以振动方式回应。
  • OS的车辆偏航阻尼的阻尼比在1以上,所以其回应为非振动性。
  • NS的车辆则位于US与OS的分解处,也就是偏航阻尼的阻尼比为1的临界状态,其回应也属于非振动性。




车辆对周期性操控的回应

以波德图了解车辆的特性。


对于转向特性与周期性操控的回应

车辆的运动只不过是一种振动现象。而接下来,则将利用振动理论检视在一定的车速下,反复转动回正方向盘(进行周期性操控)时,若改变操控的速度(操控频率),车辆将会如何回应,今儿厘清在不同转向特性下的车辆特性。

当操控的频率极低时,不论在OS、NS、US任一特性下,振幅比都会与稳态定圆回转的偏航角速度大致相同。相反,当操控频率提升时,US的车辆会在特定频率达到高峰、振幅比也会变大;而NS与OS的车辆不会出现高峰,振幅比也会随着操控频率的增加而减少。

观察期相位图,可以发现随着操控频率的提升,不论在哪一种转向特性下,相位的延迟都会变大,但US的车辆相位延迟最小。换言之,越是转向不足的车辆,对于操控的回应就会越快。


看波德图时应留意的重点

以偏航角速度的频率为例:

  • 1是极低频率的振幅比。这个数值与稳态定圆回转时的数值大致相同;
  • 2是振幅比峰值的高度。US越强的车辆,偏航阻尼越小、共振则会越大,因此振幅比峰值会比较高;不过在NS与OS的车辆上,则不会出现高峰;
  • 3是共振频率。共振频率越高,回应性愈佳,车手在操控时的路感也会愈明确;
  • 4是相位的延迟。相位的延迟越大,针对转向角的偏航角速度发生的时间也会愈慢。因此,想要确保良好的转向特性,就必须开发出相位延迟较小的车辆。换言之,也就是US的车辆。




车体的滚转与运动

将滚转运动活用于转向特性的调整。

转向中的车子,车体回想外侧滚转。实际上车辆的特性,会因为是否将滚转运动列入考量而出现差异。


相对于载重的转弯力变化

即使施加于车体的载重达到2倍,转弯力也不会增为2倍。这是因为随着载重的提升,转弯力的增幅会逐渐钝化(呈饱和曲线)。车辆转向时,会产生从内轮至外轮的移动载重。不过由于上述原因,左右转弯力的和,会比不考量移动载重的情况减少。换言之,转向造成的移动载重愈大,左右转弯力的和也会减少的多。


前后移动载重不同时的转向特性

轮胎转弯力的产生,会针对垂直载重以趋向饱和的方式变化,因此当前后的移动载重量因滚转运动而出现差异,转向特性也会随之变化。

  • 如果是前轮的移动载重量>后轮的移动载重,则转向特性回潮US方向变化;
  • 相反,若是前轮的移动载重量<后轮的移动载重,则转向特性会朝OS方向变化。

左右的移动载重量,会由于滚转运动相关的外力作用与其相斥的车辆滚转刚性之作用的平衡关系来决定。此一关系主要是由前后的滚转中心的高低、前后的滚转刚性比,以及前轮的滚转中心的高低、前后的滚转刚性比,以及前后的轮距宽度来决定。




簧上质量与簧下质量的振动

悬吊系统调校的振动特性。

车辆的上下振动,是会影响乘坐舒适度与轮胎接地性的重要问题。车体振动太大,会降低舒适度,更可能对接地面形成干扰、导致轮胎失去抓地力,因此必须仔细调校弹簧与避震器。


振动模式

簧上质量是指被悬吊系统支撑的质量;簧下质量是指位于悬吊系统与轮胎之间的质量。在此一次介绍簧上质量的弹跳振动(bounce vibration)颠簸振动(pitching vibration)簧下质量的上下振动

为了便于理解,使用下图所示的模型来进行说明。


因悬吊系统调校而产生的振动模式变化

车体的共振,会导致轮胎的接地性与乘坐舒适度恶化,必须尽可能避免。此外,簧上质量的振动还会影响车体的空气力学性能(特别是对赛车而言,是一项十分重要的问题)。

簧上质量与簧下质量的上下振动,具有以下性质。若能充分理解,对于悬吊系统的调校应该有很大的帮助:

  1. 增加避震器的阻尼力,对于降低簧上质量在共振频率附近的振动十分有效,但在共振点意外的范围,反而会使振动增加;
  2. 提升避震器的阻尼力,簧上质量的共振频率也会略微提升;
  3. 变更簧上质量或弹簧的弹性,则簧上共振会大幅变化,但簧下共振则不太会变化;
  4. 变更簧下质量或轮胎的纵向刚性,则簧下共振会答复变化,但簧上的振动则不会有太大改变。


抑制颠簸运动

车辆直线前进时,从路面传导至后轮的人力,在时间上会出现轴距÷车速的延迟。若将后轮的簧上共振频率设定得比前轮略高,则后轮振动的收敛会追上前轮振动的收敛,可以抑制车辆的颠簸运动。




何为运动性能优良的车子

车辆运动性的关键在于后轮。


偏航角速度的共振频率与转向特性

一般来说,车辆偏航角速度的共振频率越高,车辆的运动性能也就越利落敏捷。要提升偏航角速度的共振频率,可以通过提升后轮的转向功率、降低车子重量,或缩减偏航惯性半径等方式达成。

后轮抓地力的大小,对于车辆的运动性能十分重要。所以在调校悬吊系统时,除了要确保后轮的抓地力之外,也必须配合悬吊系统,将前后轮的抓地力最佳化。这是提升车辆运动性能时的基本概念。


车辆回应性的分类范例






引擎与效率


温度与压力

温度与压力其实都是分子的运动。

热、温度与压力其实是由分子的运动造成的现象。问了正确理解引擎等机械的效率与能量损耗,以及将于后文中说明的空气力学(流体力学),在此最好先能掌握温度、压力相关的分子运动原理。


  • 在密闭空间中不规则飞舞的分子样貌

请各位想象一下被密封在特定容器中的气体。以宏观角度来看,这个容器中的气体,在温度与压力都维持在均衡的状态,这种状态称为平衡状态。
不过,如果站在可观测分子动态的微观角度,观察容器内部的状态,则可以看到无数的气体分子在其中不规则地随意飞舞。有的分子以非常缓慢的速度飞舞,有的则以非常快的速度飞舞。而且分子之间会互相撞击,有时还会撞到容器的内壁,因而改变了速度。


  • 所谓温度,是每个分子的平均运动能量

在容器中,有无数个速度各不相同的分子存在,若从能量的角度观察,即可说是容器中存在有无数个运动能量各不相同的气体分子。事实上,所谓温度,就是指每个不规则飞舞的分子平均运动能量的对应量。

若以数学方式描述,则可写成:每个分子的平均运动能量=3/2kT。(T为绝对温度、k为波茨曼常数(Boltzmann constant,也就是气体的温度、密度、压力、量及种类无关的比例常数))。在这个公式中,力学量——每个分子的平均运动能量;热能量——温度。波茨曼常数才是扮演连结力学量与热能量的重要角色。


  • 压力为四处飞舞的分子撞击力的平均值

气体的分子会不断撞击到容器的内部,它们有些速度快、有些速度慢;有些是垂直撞击、有些则是斜向撞击,所以每个分子的撞击力道也不相同。
不过,我们观察的所谓压力,其实是四处飞舞的无数分子,在不规则运动下的撞击力的平均值。在此要特别说明的是,在平衡状态下,上述分子撞击力的平均值,从任何一个方向测量都会得到相同的数值,不会因为量测的方向不同,压力就不同。换言之,容器中无无数的气体分子,虽然是以完全不规则的方式飞舞,但若以宏观的角度观察,撞击力其实是被平均分配至每一个方向。




何为理想的热机

Heat Engine

完全不会产生无谓热能移动的卡诺循环(Carnot Cycle)

引擎,是可从热能量当中,以对人有助益的形式擷取出力学能量的机器。不过其效率到底是如何决定?在历史上,为了探索这个问题,而实际踏出一大步的,就是法国的卡洛。19世纪初期,卡洛以非常巧妙的论述,阐明了何为效率最高的热机,以及其效率的决定方式。他所提出的结论,成为之后开发热机时的重要指标。


  • 卡诺留意到的两个事实

卡诺在考量何谓理想的热机时,留意到两个热能的性质。
第一,是热机在作功时,必须要有温差存在。如果没有温差,就不会发生热能的移动,也就无法让热机运作。不过,若热机内有撷取时不需要的温度差异在,热能就只会因温差而移动,称为完全不会作功的无效率热移动。因此卡诺认为,在作功时,不靠温差进行热移动的,才是理想的热机。
第二,则是只要物体的体积或形状出现变化,即使没有温差、也可以进行热移动,这种现象称为等温变化(Isothermal change)。卡诺认为,如果能妥善运用等温变化,应该可以在不引发因温差而产生的热移动的情况下,便将功撷取出来。卡诺以上述假设为前提进行实验,并构思出不会因温差而产生无谓热移动的划时代热循环。


  • 卡诺循环

为了明确凸显热的本质,卡诺设想出以高温与低温的热库(heat reservoir),以及由空气充满的汽缸与活塞构成的空气引擎。下图是卡诺所设想出的热循环图:

  1. 让汽缸接触高温的热库,让热能从热库移动至汽缸内的空气,使空气膨胀。不过,由于不能在此步骤中产生温差,必须确保空气与热库的温度相同。此外,空气本身的温度也必须平均一致,不能有不均匀的情况。想要达到上述条件,必须让空气非常缓慢地逐渐膨胀。而这种以一定的温度让气体膨胀或压缩的现象,就是所谓的等温变化。
  2. 必须依照上述方式膨胀的汽缸,与低温的热库接触,但此时不可避免地会产生温差。卡诺因而利用了名为绝热变化(adiabatic change)的现象,也就是即使没有热能移动。若压缩气体、温度就会上升;相反,即使没有热能移动,若让气体膨胀,温度就会下降的现象。换言之,卡诺发现,只要让因高温热库而膨胀的气体,再因为绝热变化而膨胀,在没有热能移动的情况下,将气体的温度降低即可。要注意的是,在这个过程中,必须以非常缓慢的速度,让活塞动作才行。
  3. 当空气的温度下降到与低温的热库相同时,让汽缸与低温热库接触,就可让气体中的热能移动至低温的热库,同事压缩气体。如同先前说明过的,此时当然也不能有温差,所以必须以等温变化慢慢地让热能移动。
  4. 等温变化结束后,则开始利用绝热变化压缩空气,将温度提升上去。等到将空气压缩到与高温热库相同的温度时,在进行步骤1的等温膨胀,重复相同的过程。

如上所述,高温热库的等温膨胀-绝热膨胀让温度下降-低温热库的等温压缩-绝热压缩让温度上升,这4个过程进行一轮之后,汽缸的空气会恢复到与一开始完全相同的状态,在没有无谓的热移动的情况下,将热转换为工。由于以上热循环是卡诺构思开发,因此成为卡诺循环。




卡诺的结论

以令人惊叹的方式将热能抽象化


  • 卡诺循环的理论效率

经过以上说明,卡诺循环是可以达到热机最高效率的热循环。不过,卡诺的卓越之处,在于用巧妙的论述,以理论证明了由他所构思的热循环,也就是在汽缸内有温差的物体完全不会互相接触的热循环,就是最理想的热机,不会再有效率更好的热机。
更令人惊叹的是,卡诺下了一个结论——那就是这个热循环的理论效率,仅取决于高温热库与低温热库的温度。他虽然没有将这套理论定型化,不过之后英国的William Thomson将它整理、归纳为一下数学公式:


  • 将热机终极完美地抽象化

卡诺循环的理论效应,仅仅取决于热库的温度——这个由卡诺导出的结论,还证明了一项划时代的事实。那就是卡诺循环的理论效率,与热机的制作方式无关,仅仅取决于自然本身的性质。
他的理论当中,完全没有不必要的成份,也完全没有遗漏不可或缺的部分,堪称是终极完美的抽象化。




汽车引擎的理论效率

何谓奥图循环、狄赛尔循环的理论效率。


  • 奥图循环的理论效率

在了解了何谓理想的热机之后,让我们来看看一般的汽车引擎。

目前的燃油引擎,事宜Nikolaus August Otto构思出的四衝程循环——奥图循环(otto cycle)为基础。奥图循环包括以下四个过程:1,绝热压缩;2,定容加热;3,绝热膨胀;4,定容冷却。
定容加热、定容冷却,是指在不改变汽缸容积的情况下,将汽缸内的工作物质加热或冷却的作用。‘

与卡诺循环相同,我们准备由高温与低温热库驱动的空气引擎,以非常缓慢的速度让活塞动作,就可以了解奥图循环是如何达到最高的效率。不过,在奥图循环中2和4的定容过程一定会产生温差,因为如果没有温差,从高温热库至空气的热移动,或是从空气至低热库的热移动就不会发生。因此,奥图循环的理论效率会低于卡诺循环,其差距就是上述温差导致热移动部分。

奥图循环的理论效率,可用以下的公式表示:


  • 狄赛尔循环的理论效率

狄赛尔循环(Diesel cycle)是由Rudolf Christian Karl Diesel构思出的柴油引擎热循环。狄赛尔循环主要包括一下四个过程:1,绝热压缩;2,定压加热;3,绝热膨胀;4,定容冷却。
这里所谓的定压加热,是指在不改变空气压力的情况下,将汽缸内的工作物质加热之作用。

迪赛尔循环的理论效率公式为:


卡诺循环、奥图循环、狄赛尔循环,不论采用哪一种循环,都无法制作出可实际达成理论效率的热机。因为非常缓慢的活塞运动,根本就不具有实质上的利用价值。此外,活塞与汽缸无法完全绝热,不仅会因为温差而产生无谓的热移动,活塞与汽缸之间的摩擦,也不可能完全消除。不过厘清理论效率,可以突显热机的本质,为工程师提供重要的指标。




可逆変化与不可逆变化

自然的变化具有方向。

有一个重要的自然法则,会发生能量的损耗问题。请注意。


  • 自然是从秩序朝向无秩序变化

准备高温与低温气体的两个容器。让温度不同的两个容器接触,热会从高温的容器朝向低温的容器移动。保持这一状态,不久后两个容器的温度将会相同,热将不再移动,进入平衡状态。若以微观的角度观察,最初高温的容器中,会有比较多激烈的分子;而低温的容器中,则较少激烈飞舞的分子。而在让容器互相接触时,高温容器内的分子的运动能量会朝向低温容器移动,低温容器内的分子的运动能量因而增加。等到两个容器内的分子平均运动能量(也就是温度)相等时,运动能量(热能量)的移动就会停止。


  • 从无秩序朝向秩序的变化不会发生

接下来再从另一个角度观察。一开始,高运动能量的分子与低运动能量的分子,分处于不同的容器当中,可以明确区别出高温容器内的分子运动与低温容器内的分子运动。换句话说,容器内有可供判别两者差异的秩序存在,而可供区别其差异的资讯,就存在该项秩序当中。不过,达到平衡状态之后,可供判别两者间差异的资讯就会消失,进入所谓无秩序的状态。

事实上,上述从有秩序的状态朝向无秩序的状态之变化,对于自然界而言是十分自然的变化;相较于此,从无秩序朝向有秩序的变化,则不会自然发生。举例来说,让高温的容器与低温的容器接触时,高温的容器会冷却、低温的容器则会加温,这对于自然界而言是十分自然的变化。相较于此,让两个温度不同的容器接触时,高温容器的温度进一步提升,而低温容器的温度反而下降,这种现象绝不会发生。
像这种不论用何种方式,都不可能将现有状态恢复到与原本完全相同的状态的变化,就称为不可逆变化;而可以复原的变化,则称为可逆变化。




尝试让热机逆向运转

可逆循环与不可逆循环的差异。

到底实际上引擎为何无法达到理论效率?在可达到理论效率的热循环中,必须让活塞以非常缓慢的速度动作。


  • 卡诺循环的逆向运转是可逆的

在此,将卡诺循环以1-2-3-4的顺序运作的情况称为顺向运转;而以4-3-2-1的顺序运行的情况称为逆向运转。

让卡诺循环进行顺向运转,让特定量的热从高温热库移动至低温热库,并将过程中产生的功存储起来。接下来再用存储的功,让卡诺循环逆向运转,使在顺向运转中移动的热,从低温热库移动至高温热库,恢复与原本完全相同的状态,不会剩下任何东西。换句话说,也就是将卡诺循环顺向运转产生的功存储起来,再用存储的功进行逆向运转,恢复到与原本完全相同的状态。之所以能做到,是因为在卡诺循环的过程中,完全没有物体相互接触,因而完全不会发生无谓的热移动。换言之,卡诺循环的所有过程都属于可逆变化,所以才能进行可逆的你想运转。


  • 汽车引擎的逆向运转是不可逆的

如果换成奥图循环或狄赛尔循环,有会如何?在此同样让上述循环顺向运转,将过程中产生的功存储起来,再用存储的功进行逆向运转。结果发现即使将在顺向运转中存储的功完全耗尽,也只能让一部分的热复原,无法让所有的热从低温热库移动至高温热库。

原因是它们两者的定容过程中,必然会出现温差。无论如何都会产生无谓的热移动。因此我们可以说奥图循环和狄赛尔循环是不可逆的。而这代表了一个非常重要的观念,那就是热机无法进行可逆的逆向运动,其实也就证明了在该循环中,有发生无法产生工的无谓热移动。




能量的损耗

能量的损耗其实就是不可逆变化。

在说明热机的理论效率时,我们多次强调了必须让活塞以非常缓慢的速度运动,其原因就是为了不要引起不可逆变化。因为不可逆变化,其实就是能量损耗的真面目。


  • 引擎的能量损耗

如果在热机的运转过程中,包含了可归为不可逆变化的现象,则该现象就属于前文提到的无法作功的热移动,也就代表可使用的功会减少。
实际上引擎是通过在汽缸内引发燃烧的化学变化来产生热能,并以该能量让活塞运动、从而产生功。此时产生的热会造成温差,引起无谓的热移动。而汽缸与活塞之间也会产生摩擦,导致声音与扰流。此外,燃油的化学变化也属于不可逆变化。这些现象一旦发生,就绝对无法向影片的你想播放一样,恢复到与发生前完全相同的状态,因此属于不可逆变化。换言之,也就是无法作功的无谓热移动。


  • 机械的能量损耗

先前探讨的对象都仅限于热机,而事实上机器装置的能量损耗,全部都是因不可逆变化而产生。反过来说,效率高的机器,可以说是在运作时尽可能减少不可逆变化的机器。因此,想要制作出效率高的机器,重要的关键之一,就在于理解何种现象属于不可逆变化,并极可能减少该现象的发生。


阿特金森循环是与奥图循环相同的热循环,一般来说,其机制是通过将奥图循环的膨胀行程延长,来产生更多的功。






空气力学


白努利定律

思考流体的压力与速度的关系。

汽车的空气力学特性,对于耗油量、加速性能与行驶稳定性等,都有很大的影响。特别是赛车,其空气力学特性,对于车辆整体运动性能的贡献占有很大的比例。
因此,接下来就要解说作为汽车空气力学解析与设计基础的空气力学理论。


  • 有流体流动时的分子运动

当有气流时,能量均分定理就无法成立。在气流当中,会有较多的分子运动能量被分配至流动的方向,而与气流不同方向的运动能量则会因而减少。如果在气流中量测压力,则在流动方向测到的压力会长高,在与流动垂直的方向量测到的压力则会最低。
在此要注意的是,在流动变化的前与后,分子运动能量的总和是不会改变的。


  • 有流动时的分子运动

由白努利(Daniel Bernoulli)提出的白努利定律,代表当分子的能量分配因流速的变化而改变时,流速与压力的关系。

白努利定律的数学公式如下(P代表压力,ρ为流体的密度、V则是流速):


  • 升力发生的机制

接下来就用白努利定律,来说明翼型(airfoil)产生升力的机制。下图以流线代表翼型周围流场的示意图。所谓流线,是指以流体的速度向量为切线的曲线,也就是流动的路线。从流线的定义可以了解,气流不会横向穿过流线,换言之,被相同的流线上下包夹的区域,无论在哪个位置的流量都相同,这一点请留意。此外,流体存在的场域,称为流场(flow field)。

从下图的流场中可以了解,在翼型的前方,流线为等间隔,但在翼型的上表面,流线的间隔则会变窄。由于气流不会横向穿越流线,所以在翼型的上表面,实际上流路是被缩减的。尽管如此,由于被相同流线包夹的流路,其流量不会出现变化,所以在流路被缩减的翼型上表面,压力会与流速的平方成反比例降低。相反地,若翼型小表面的流线间隔变宽,则流速会下降、压力则会上升。而在此过程中产生的上表面压力与下表面压力的差,就是所谓的升力。




流体的运动法则

流体的运动方程式代表的意义。


  • 尤拉方程式

第一个导出流体运动方程式的,就是将白努利定律正确地以公式描述的尤拉。对于流体力学的进步而言,其重要性远超过白努利定律。因为若能解出气运动方程式,就可以计算出流场的状态。这个由尤拉导出的运动方程式,名为尤拉方程式(Euler equations)。

左边代表流体流动(加速)的效果;而右边则称为压力项,代表压力的梯度。总括来说,尤拉方程式描述的就是流体会沿着压力梯度流动
压力梯度与流经该流场的流体之间的关系,可说是和斜面与滚过斜面的球的关系相同。这里的斜面相当于压力梯度,而球则相当于流体。举例来说,在斜面坡度较陡的地方,球会加速;而在斜面坡度方向相反时,则会减速。同样,流体在压力梯度高的地方会加速,与压力梯度方向相反时,则会减速。


  • 那维尔-史托克方程式

尤拉方程式,虽然已数学方式描述了流体的速度与压力的关系,但并不包括流体实际上具有的黏滞性之效果。而将黏滞性效果列入考量的运动方程式,是在19世纪由Navier与Stokes导出的那维尔-史托克方程式(navier-stoker equations)。

左边是流体流动(加速)的效果;右边第一项为压力项,表示压力的梯度;右边第二项,则称为黏滞性项或扩散项,代表黏滞的特性。

尤拉方程式与那维尔-史托克方程式,到目前为止都还没有通解,所以只能直接适用于非常特殊的流体。在此情况下,要从这些方程式了解一般的流场,目前只能利用电脑以数值方式求解。




涡线与不连续面

回避流体运动方程式的策略。

尤拉方程式和那维尔-史托克方程式,都是可以正确描述流体运动的方程式,不过由于在数学上的难度过高,几乎无法适用于实际的流体,在发展上也出现瓶颈。在此情况下,因而出现了不仰赖上述方程式,来解析流体的动向。接下来就为各位介绍达朗伯特矛盾,与突破此一矛盾的尝试。


  • 达朗伯特矛盾

达朗伯特(Jean Le Rondd’Alembert),尝试以理论求出放置于恒定流中的圆柱的阻力(与流体的速度平行且逆向产生的力),结果他解出的阻力为0.

当然,在实际的流动中,阻力不会是0.尽管如此,在他的计算当中完全找不出错误,无论是由谁重新计算几次,得出的阻力都还是0,结果并没有改变。这成为了之后160年间流体力学上的重大问题,因此也被称为达朗伯特矛盾

如果具备现代的知识,就可以了解他的计算本身完全没有错误,只是没有考量到流体的黏滞性,所以当然会导出阻力为0的结果。如果不考量黏滞性的恒定流,则圆柱前后的气流会对称,压力也会在圆柱前后形成对称,圆柱周围的压力会互相抵消,结果造成阻力成为0。

当时还没有那维尔-史托克方程式,对于黏滞性效果的处理方式,也不甚了解。一直到1904年德国物理学家Ludwig Prandtl提出边界层的概念之后,才完全解决了达朗特矛盾。


  • 涡线与不连续面的概念

不直接针对流体的运动方程式求解,而是以数学的方式处理流体运动、开创出新境界的,就是德国的Hermann Von Helmholtz。他进一步扩展涡旋的概念,并提出新的流体概念。

Helmholtz导入涡线与涡层的概念后,让长达一世纪不得其解的朗伯特矛盾,突然豁然开朗。根据达朗伯特矛盾,平板的抗力应为0。不过,若假设没有不连续面从平板的前缘与后缘延伸,便可将平板的背面视为流速较低的范围,实际上达朗伯特矛盾便不再存在。虽然因为他们过度高估了平板背后的压力,结果并没有成功试算出阻力,不过计算阻力的努力确实是朝正确的方向迈进。




库塔-贾可斯基定律

升力的循环理论。

Kirchhoff与Reyleigh,假设不连续面是由物体的锐角部分所形成。不过,这种不连续面,会发生与物体表面的任何位置,所以也可以说物体表面是由涡层所覆盖。事实上,这种想法与升力理论中的升力之循环理论密切相关。


  • 库塔-贾可斯基定律

由于物体表面的流速,会因为黏滞性而产生很大的变化,所以从物体表面的任何位置都会产生涡线,并成为覆盖物体的涡层。此时,覆盖物体的涡层整体的强度,便称为循环。如此一来,我们就可以将物体周围的气流,分离成均匀流与循环流两种(循环的定义,是指沿着任意的平曲线,将流速线积分后得出的量)。

假设有均匀流与循环流存在,来思考一下将两者重叠的流体。由于在循环流的上方,其流动方向与均匀流一致,所以上方的流速会增加。而在循环流的下方,均匀流与循环流朝反方向流动,若将两者重叠,流速将会降低。结果依据白努利定律,循环流上方压力会下降,下方压力则会上升,所以会产生向上的升力。
上述的流场正与翼型周围的流场类似,在翼型的上表面,流速变快、压力降低;而在翼型的下表面,则是流速变慢、压力上升。事实上,我们同样可以将翼型周围的流场,当作是均匀流与循环流的重叠流场来处理若能得出循环,就可用以下方式计算出升力:


  • 库塔条件

依据库塔-贾可斯基定律,若能解出物体周围的循环,就可以算出作用于该物体的升力。不过,要将该定律适用于翼型时,有一点必须特别注意,那就是基本上流体的方程式,是根据流动是平滑的这个前提导出。而对于尖锐或不连续的流动,通常必须另行考虑。

以翼型为例,翼型的后缘形状是尖的,因此在尖翼的后缘有一项限制,那就是无法满足翼型上表面的气流与下表面的气流会在翼型的后缘平顺汇进这个条件,库塔-贾可斯基定律就无法适用于机翼。而这个上表面与下表面的气流,会在翼的后缘平顺汇进的条件,就称为库塔条件。必须先满足库塔条件,才能决定循环,也才能用数学公式算出升力。
要补充的是,如果针对气流在翼加上攻角,则攻角愈大、要满足的库塔条件时所需的循环也会变大。因此攻角愈大、循环也会自然随之变大,结果也就会产生较大的升力。这就是将攻角加大、升力也会随之提升的机制。




普朗特的边界层理论

摩擦的影响局限于物体的表面附近。

Kirchhoff与Reyleigh计算阻力的尝试虽然失败,但已向成功迈进了一大步。接下来便介绍普朗特(Ludwig Prandtl)提出,最终解决了达朗伯特矛盾的边界层理论


  • 普朗特的边界层理论

想要估算阻力,除了压力之外,如何处理摩擦力也十分重要。而在处理摩擦力时,必须先了解物体表面的气流流动的情况。

率先提出边界层的概念,就是普朗特。他指出受到黏滞性的影响,物体表面的流速会变成0,而摩擦的影响,则仅局限于物体表面的邻近区域,而在其外部,气流基本上不会收到黏滞性的影响,可将该气流视为非黏滞性流体。而这个位于邻近物体表面、会受到黏滞性影响的范围,目前称为边界层

普朗特于1904年发表名为《具有极低黏滞性的流体之运动》的论文,并在这篇仅有8页的论文中,首都提出边界层的概念。他指出那维尔-史托克方程式简化的边界层方程式。此外,利用他的边界层理论,在某种程度上也可以预测流体剥离的位置。
就这样,边界层理论完全解决了达朗伯特矛盾的问题。普朗特于1904年发表的这篇论文,为流体力学开创了新的发展,因而被视为流体力学史上最重要的论文。




普朗特的升力线理论

发生于有限翼的翼尖涡流问题。

Kutta和Joukowski催生了升力的循环理论,并得以正确计算出二维气流中的升力。不过一般来说,翼周围的气流都是三维的,无法直接使用二维流体的翼型理论。在此情况下,就必须构建出翼在三维流场中的升力理论。


  • 有限翼展翼周围的气流情况

翼型也可以说是拥有无限长翼展的翼。这种无限翼展翼,在翼展任何一个位置的循环大小都相同,升力也维持一定,因此无限翼展翼可以直接使用库塔-贾可斯基定律。
不过,实际上翼的翼展是有限的。所以在翼尖,气流会从压力较高的下表面流动至压力较低的上表面,其压力分布会与无限翼展不同。愈靠近翼尖,升力会变得愈小。此外,从翼尖的高压侧转入低压侧的气流会形成纵向涡旋,并朝向背风面流动。这种以翼尖为起点产生的涡旋,称为翼尖流。


  • 普朗特的升力线理论

普朗特提出的有限翼展翼升力理论,成功的赋予了Lanchester建构的模型非常相似,不过普朗特成功赋予了该理论严密的数学描述,这是Lanchester没有做到的。
普朗特构思出的模型,是沿着翼展方向在翼面配置由无数个无限弱的涡线组成的涡线束,而每条涡线均朝着背风面玩去流动。这个无限弱的涡线,就称为升力线。
利用普朗特的升力线理论,可以算出有限翼可产生的升力与力矩。此外,普朗特也证明了由翼尖涡流诱发的下洗(downwash)气流造成的阻力,也就是诱导阻力的存在,并以理论阐明了翼展愈大的翼,其诱导阻力就会愈小。






计算流体力学


CFD的世界

CFD是一个被离散化的世界。

随着电脑的普及,利用电脑求出流体方程式数值解答的手法持续发展。而这也是Computational Fluid Dynamics(计算流体力学、数值流体力学),也就是统称为CFD的学问。目前CFD已成为研发汽车时不可或缺的工具,但一般人对于其机制都不甚了解。所以接下来就简单介绍一下与CFD有关的理论概念。


  • 近似

真实的世界是类比,换言之,也就是平滑而连续的,无论在何时取出任何一个空间的一点,里面都包含了某些物理的资讯。相较于此,电脑是数位的,只能处理不连续的分散数值,也只能保存有限的资讯。因此CFD也只能将原本平滑连续的时间与空间分割,当成不连续的物体来处理。尽管如此,在CFD的世界当中,仍希望能尽量呈现出与真实世界接近的平滑类比世界,所以会通过模型化,来补足电脑没有的资讯。
那么,应通过何种方式,来补足资讯欠缺的部分?答案其实很简单,只要用直线将电脑的资讯连结起来,将资讯欠缺的部分视为直线变化;或是用曲线进行模型化,将资讯欠缺的部分,以曲线变化的方式来补足即可。这种精确来说与原本的资讯有差异,却是在不减损原本资讯的性质下,进行单纯化的作业,称为近似。而通过此一过程所得出的与原本数值非常接近的数值,则称为近似值。在CFD当中,将上述的近似手法,称为数值法(scheme)。


  • Lax等价定理

只要近似值与真值之间的误差够小,在实用上就不会有问题。因此,对于解析气流的人来说,无意义的极小数值可以忽略,而通过模拟得出的结果误差,只要小于必要的精度,以专业的术语来说,只要模拟的计算结果向真值收敛即可。
接下来介绍一个重要的定理,那就是由Peter David Lax证明的Lax等价定理。这个定理的内容是会趋于收敛的唯一数值法,就是稳定且相容的数值法。换言之,所谓的Lax等价定理,可以说就是指稳定性+相容性=收敛性的关系。




有限体积法

运用最广泛的流体模拟方式。


  • 有限体积法的概念

有限体积法主要是针对被分割的个别空间元素,留意其流入量与流出量的平衡(如1秒后容器中的水量=原本的水量+流入量-流出量)。在实际的流体模拟中,处理流体的量之外,对于压力与流速等物理量,也是用同样的方式计算。


  • 数值通量

接下来让我们按照实际的CFD,更具体地观察有限体积法的基本概念。如下图,将空间细细分割,如此分割出来的空间,称为网格(grid)。让我们思考一下流经这些网格的流体。

首先,假设我们知道每个网格在特定时刻拥有的物理量,然后再根据这些资讯,以单位时间的流出量与流入量,来预测未来每个网格中的物理量——这就是以有限体积法模拟流体的方式。
上述流入量与流出量,必须由操作CFD的人,根据当下的物理量之分布,用某种方式来推测出最合理的数值。换句话说,决定这些量的方式,有可供选择的空间,因此单位时间的流入流出量,无法定义为单值。向这种有人为选择空间的单位时间流入流出的物理量,称为数值通量,而数值通量的精度,会大幅左右计算结果的精度。




数值法的特征

单调性与高精度无法兼顾。

数值通量的精度,会因为采用的数值法而出现差异,当然也会影响到模拟的精度。若采用了不适当的数值法,则误差将随着计算你的进行而持续扩大,计算甚至可能发散。


  • 一街精度的数值法

一阶精度的数值法,优点在于可维持单调性,但缺点则是得出的解容易扩散。


  • 高阶精度的数值法

采用高精度数值法得出的解,精度通常较高。不过,愈是高阶,就代表须从更多的网格中取得更多的物理量来进行计算,计算量势必会大增。此外,采用高阶精度数值法得出的解,在部分情况下会出现振荡,反而会导致精度下降,这也是其缺点之一。


  • 戈多诺夫定理

数值法无法兼顾高精度与解的单调性(解不会出现振荡),这一点已经过数学上的验证,也就是所谓的戈多诺夫(Godunov)定理。根据戈多诺夫定理,可同时满足高精度与解不会出现振荡的数值法并不存在,无论如何费心,都无法制作出两全其美的高阶精度数值法。




一阶与高阶精度的并存

设法让一阶精度与高阶精度并存。


  • TVD法

只要配合气流的性质,妥善运用不同数值法各自的优点,应该就能得出良好的计算结果。基于这种想法而实际开发出来的,就是名为TVD的数值法。
TVD是一阶精度与高阶精度的混合数值法,特别注重于避免增加解整体的变动。它可以自行判断气流变化的激烈程度,大部分的气流以高阶精度进行计算,而气流急剧变化的部分,则切换为一阶精度,以维持其单调性。

TVD法不会像高阶精度的数值法般出现预测过度(overshoot)或预测不足(undershoot)的振荡。此外,TVD法也比一阶精度数值法更能控制解的扩散。而且不论与一阶或高阶的数值法相较,TVD法得出的解都更接近真值。
不过,TVD法必须有判定流场变化的作业程序,因此多少会消耗额外的计算时间。




如何解析紊流

设法降低庞大的计算量。


  • 解析涡旋

汽车行驶时,其周围会发生紊流。紊流是由大大小小的空气涡旋构成。无论其结构有多单纯,要计算一个涡旋,至少需要9个网格。如果要直接计算车子周围所有的涡旋,所需的网格数量将会及其庞大,这应该很容易可以想象。


  • 紊流模型

在进行研究分析时,通常会将以上述成果为基础的紊流模型导入CFD,放弃解析构成紊流的大大小小的所有涡旋,而仅计算具有特征的部分,以缩减庞大的计算量。接下来就简单介绍一下目前应用最为广泛的RANS与LES这两种紊流模型。


  • RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)

RANS,是将紊流的流速,分成平均流速与其中的变动成份之紊流模型。由RANS的计算量相对较少,所以是应用最为广泛的紊流模型。不过,它无法正确重现非恒定的气流,所以有较难正确估算剥离等的缺点。


  • LES(Large Eddy Simulation)

在紊流当中,拥有支配性影响力的是大型的涡旋:小型涡旋对于整体流场的影响则相对较弱。而放弃直接解析小型涡旋,只计算大型涡旋,并将小型涡旋模型化的方式,就是所谓的LES。与RANS相较,LES能够以非常高的精度重现流场,但计算量也远超RANS。








汽车结构

Mechanism


车的基本要件

车身骨架和基本结构的皮遏制称作车子的基本性能,从设计初期阶段便已决定,无法轻易更动。这是一辆车的潜能,会大幅影响它的三大性能: 行进、过弯、停止,同时也是用来判断一辆车的行进性能的重要基准。有关基本性能的部分,大多难以通过改装加一弥补,医药一点点规格上的差异,便足以影响上路时表现的优劣。


车身尺寸

  • 轴距(wheel base)

从车身侧边看去,自前轮中心起到后轮中心为止的长度就叫做轴距。
这项特性主要影响车子行进间的安全性。轴距越长越不容易受到路面的高低起伏和横风的影响,在直线行进时具有较高的安定性。一般而言,虽然轴距较短会降低车辆稳定性,但是当方向盘转向时,反应会变得较为敏锐,并可更灵活地过弯。就乘客的感受来说,长轴距可提供舒适的感受。


  • 外悬(Overhang)

从前轮中心至前保险杠前端的距离称为前悬(front overhang),从后轮中心到后保险杠末端的距离称为后悬(behind overhang)
如果有重物位于这个部位,将使得车的偏向惯性力矩(妨碍转向的力量)变大,降低车子的运动性能。因此从结构上来看,重量应尽量设置在轴距内侧较为理想。这一点对于引擎这类重型机具而言更是格外重要。另外,必须保留一定以上的外悬长度,才能处理空力的问题。


  • 轮距(tread)

左右轮间的距离称为轮距。放宽轮距则可降低车身假想重心的高度。
一般而言,轮距越宽,过弯时轮胎的抓地力效果越大。因此,若放大驱动轮的轮距,便有利于将汽车的马力传到到地面。在比赛用车种上,常会将前后轮改装成不同轮距,以改变操控感。另一方面,若轮距相较于轴距在比例上显得极度狭窄,则虽然可以得到快速的操纵反应,却也较容易使车子时区稳定性。


  • 车高(height)

指从路面至车身最高处的高度。
车高越低,则因为重心降低,可以抑制过弯时的晃动(车身横向的倾斜),提升回转反应速度。另一方面,降低车高将会影响车内的舒适性,切回造成难以确保悬吊行程的状况,是的行经赛道路石等处时,发生触底(避震行程完全用尽)的原因。


  • 车重(weight)

这是左右汽车运动性能的重要因素。
车重越轻,引擎负担也会降低,在动力性能面较占优势,且因降低了对刹车曹成的负担,得以提升制动力。另外,更因省去了惯性造成的浪费,让过弯变得更加轻快,好处不胜枚举。
将车重除以最高输出功率的值称为重量马力比。这个值越小,包括出弯后起步在内的加速性将更敏锐,车子行驶起来也更加灵活,且在降低燃料消耗率方面也极具效果。因此从环保性能的角度来看,车重轻量化业已成为开发新车时的重要主题。




重量平衡与驱动方式

驱动方式和车身尺寸同样属于基本的规格。驱动方式视引擎安装位置、驱动轮位置而定。一般分为:FF、FR、MR、RR等种类。决定将车身上最重的零件——引擎安装在哪里?又要让它驱动哪个轮胎,是决定车身重量平衡的重大因素。

一台重量平衡良好的车,可以让引擎动力有效地传导到驱动轮上,对于起步/加速性能都有帮助;刹车时不容易让车身受惯性影响而向前倾,并可以更有效地发挥刹车性能。

重量平衡影响最大的是过弯。由于过弯时离心力会使得车子变得不稳定,因此重量分配不当的车子,在车身过弯离心力增加的情况下,更容易发生打滑等风险。

基本上,车身重量分配的理想值为前后、左右各为50比50。将引擎安置在车身前部,驱动后轮的FR式配置较易实现上述50比50的比例。另一方面,将引擎和驱动机组集中在车身前方的FF(以及4WD)式配置,则较易呈现中心在前的倾向。引擎和驱动机组集中在车身后方的RR式配置,则较易呈中心在后的倾向。因此,部分FF配置的车种为了改善重量分配的问题,会可以将横向安置为主流的引擎,改为纵向方式安置。


驱动方式的种类:

  • FR(Front engine Rear drive)
    引擎安置于车厢前方,并驱动后轮的配置。
    最易实现前后重量50:50的理想数据。除了具备优异的操作感受外,由于操舵轮和驱动轮的分离设计,因此不需要特别去习惯操舵感觉,则是它的另一优点。然而,随着路面状况不同,这种配置也会发生难以获得驱动力的情形。


  • FF(front engine front drive)
    集中在前方的引擎驱动配置。
    由于结构上将沉重的引擎和变速器都收纳在引擎盖当中,因此,虽然可提供更宽广的车厢空间,却无可避免地将使重量集中于车体前方。又因为前轮必须同时扮演了驱动和操舵轮两种角色,以致在过弯时,车胎的抓地力必须兼顾维持直进与转向两个部分。正因如此,这样的配置通常不太适合大马力的车种使用。


  • MR(Mid engine rear drive)
    引擎装在车身中央来驱动后轮,也称为中置引擎(middle-ship)配置。
    通过将引擎安装在车身中央附近、缩短引擎与车辆重心距离的方式,让车辆发挥锐利的过弯性能。且无论在加速或减速时,前后轮都能发挥最大的抓地力。这种配置对于车子行驶最为有利,是纯跑车、赛车常见的固定配置。


  • RR(rear engine rear drive)
    引擎安装在比后轮更后的后悬部位来驱动后轮。
    这样的做法会导致车辆重心偏后。然而,由于引擎和变速器的重量将后轮牢牢地压在路面上,因此反而容易取得驱动力,今儿获得更优秀的加速性能。但相反,由于前轮缺少负重,因此在过弯初期容易发生转向不足的问题。又因为后轮负重较重,因此在后胎超过负荷时,会产生激烈的打滑现象,想要从这样的状况中恢复正常,需要极高的驾驶技巧。


  • 4WD(four wheel drive)
    通过前后左右四个轮胎进行驱动。
    这种配置架构除了增加车辆总重量的小缺点以外,可以说是姿势和起步与加速的驱动配置。然而,高度的稳定性却也意味着不容易过弯。






车的心脏

在组成汽车的零件中,引擎扮演着最重要的角色。能够正确掌握引擎的原理,搭配上正确的操作,才能百分百发挥出车子的性能。


构造与原理

几乎所有的燃油引擎车都搭载4衝程的往复式设计。往复式引擎当中配有汽缸,靠着汽缸中的活塞往返运动来产生动力。而所谓的4衝程设计,便是因具采用了进气-压缩-燃烧-排气等4到反复程序设计而命名。

首先,在活塞到达汽缸上死点前,进气门便会打开,而在活塞达到死点后开始下降,因此会自动开启的进气门吸入空气与汽油的混合气体。当活塞降至最下方,进气衝程即告结束,进入压缩衝程。此时,在所有气门都已关上的气缸当中,活塞开始加压前述混合气体。
当压缩混合气体的活塞抵达稍微超过顶点的位置时,火星塞即会进行点火,于是便告进入燃烧衝程。此时汽油引擎的气缸内部甚至可以达到摄氏2000度以及200个大气压力。这样高温高压的能量会将活塞往下推,并推动曲轴以产生回转的动力。
活塞抵达下端后,排气门便会打开,展开排气衝程。在此衝程中,与其说是活塞把气体推排出去,不如说是这些排出气体因本身夹带了高温、高压动力,自动地从排气门喷出。排气后, 顶点的进气门有会打开,于是再度回到进气衝程。

4衝程引擎即使在怠速状况下1分钟,也会执行数百次这4道步骤,在全力运转的状况下能够以1分钟数千次的速度转动曲轴,以持续产生动能。




气缸配置的种类

  • 直列型(in-line engine)
    将复数汽缸配置成一列的设计。
    所有的汽缸均共享一根曲轴,可让气缸体机组成为整体化结构,因此有着结构简单、且较能降低重量的优点。然而,若汽缸数量越多,则本体长度也会随之增加,同事会影响空间上的运用。


  • V型(V engine)
    将汽缸左右交互配置呈V字型。
    这种配置可以缩短曲轴的长度,优点是在多汽缸的情况下,也能有效缩小引擎本身的体积。且无论汽缸数量有多少都不易震动,而较短的汽缸区块和曲轴长度,同时可让结构更为坚固。


  • 水平对向型(flat engine)
    将汽缸左右交互进行水平配置的型式。
    各汽缸以曲轴为中心左右对置,且对向的活塞呈现左右对称的动作。就好像拳击场上两名选手交互打出的拳击一般,因此也被称为拳击手(boxer)引擎。另外,由于引擎高度较低,因此也有这适合低重心化的优点。


  • W型(W engine)
    原本是指1根曲轴对应3列气缸呈扇状安置的引擎设计,不过,现在也可用来称呼结合了2组狭角V型引擎的机组。这种配置的宽度大于V型引擎,但是在汽缸数超过12颗以上的多汽缸架构下,此种配置可以缩短曲轴长度(即引擎全长),并带来更大的好处。




气门驱动方式

4衝程引擎当中,有着在进气衝程中开启以自外部引入混合气体的进气门,以及在排气衝程中开启以将燃烧气体送出外部的排气门。气门设置在汽缸盖的位置,负责在适当的时机阻隔/连接燃烧室与外界。

现代引擎一般选在将凸轮轴设在引擎的上半部,以更加正确地驱动气门。关于气门的数量,目前几乎都采用2个进气门、2个出气门,共计4气门的设计。不过,今后为了追求在低转速领域的燃烧效率,像进气门、排气门各1的2气门设计,仍很有可能重新面世。
另外,近来潮流倾向于采用可变气门正时系统。原本在低转速和高转速领域间转换时,气门开闭正时也必须随之变更。然而,之后已进步到可随着引擎回转连续不间断地变换气门开闭正时和扬程深度。而自BMW推出可变气门扬程系统后,市面上一系列最新的可变气门结构,更能在不通过节流阀的情况下调整输出功率,这项进展得以进一步地提升效率。


气门驱动方式的种类:

  • DOHC(double over head camshaft)
    DOHC(双凸轮轴),使用两根凸轮轴分别驱动进气与排气门的设计。此设计减轻了凸轮轴的负担,不仅能更加确实地执行开关气门的动作,同时可以降低气门结构附近的往复运动质量(即惯性),以获得高转速表现。该配置也容易取得高输出功率,因此今日几乎所有的高性能引擎,都采用这种设计。


  • SOHC(single over head camshaft)
    在汽缸盖上设置1根凸轮轴的方式就称为SOHC(单凸轮轴)。依照燃烧室的形状不同,又可区分为凸轮轴直接驱动气门,或由凸轮轴通过一种像跷跷板的零件锁臂(locker arm)驱动气门。它拥有更可靠的气门运作表现,且可获得更高的转速。


  • OHV(over head value)
    OHV(顶置气门式)。顾名思义,气门机组设于汽缸盖上方。它与SOHC、DOHC引擎之间的差别,在于凸轮轴不是位于顶部,而是在汽缸旁,并从这个位置通过一种叫做推杆的长棒和锁臂来驱动气门。虽然此中结构较为简单、且便于维修,不过,在高速运转的状态下却缺乏可靠性,也因此通常不适合被赋予大功率输出。




转子引擎

转子引擎(rotary engine)基本上也和往复式引擎一样,通过反复进气、压缩并燃烧、最后排除废气的过程来取得运转能力。然而在这样的过程中,转子引擎所用的原理却和往复式引擎完全不同。

在转子引擎当中有著名为转子室的茧形空间,完全取代了汽缸的功能。三角形的转子就安置在这个空间当中。在转子于其中进行偏心旋转时,转子和转子室之间的空间大小会有所变化,在此进行压缩-燃烧-排气过程。
一般引擎之中通常拥有复数组的活塞反复运动,因此不仅难以控制作用力,同时也成为振动与噪音的起因。然而,由于转子引擎利用了旋转运动的原理,因此运转起来较为平稳顺畅。又因为不具备气门机组,所有有着零件总数大幅减少的优点。不过,随着往复式引擎近年逐步地趋向轻量化,相较之下,此优点并不显得格外突出,然而不可否认的,这种引擎整体而言是较为小巧的。
转子引擎进气与排气的时机,取决于设置于转子室壁面与侧面的气埠(混合气体的通道)的形状而定。调节转子引擎的进气/排气时机,基本上便是通过改变气埠的位置和形状来进行。又由于回转引擎中不具备排气门,而是让排气动能直接自排气埠排出,因此非常适合搭配涡轮增压器。
另一方面,转子引擎普遍被认为在节省燃料费用方面的表现不如往复式引擎。这是因为转子引擎的燃烧室容积与表面积比例相对较大,容易让热能散失,因此导致转换成回转动能的比例较低。




增压器

若能让引擎吸入越多空气,便能提升越多马力。因此增加功率最简单的作法,便是从提升排气量着手。

然而有种东西可以不必提升排气量,便可获得相同的效果,那就是增压器(compressor)。这种装置可以大略分为机械增压器(supercharger)涡轮增压器(turbocharger)。不过,大致上都是将空气压进引擎中(称为加压),以达到与提升排气量相同的效果。
加压空气时的压力称为增压,提升此压力,便能得到更大的输出功率。

大气压为1气压时,记为1bar。因此,若过增压为1bar连同大气压在内合计有2bar的压力,意味着会迫使2倍的空气进入引擎当中。

增压器的缺点在于随着增压提升,燃烧能量亦会提高,但同时却也会对引擎造成较大的损伤,例如偶发性的异常燃烧现象等。因此,装有增压器的引擎当中,大多会同时补强引擎内部零件的强度,或是降低压缩比例,以减少发生异常燃烧的次数。
另外,空气经压缩之后将会夹带热能,使得密度降低,尤其在高负荷运作的条件或夏季时会特别显著,而此时点火亦无法得到巨大的爆发力(马力输出功率)据说进气温度每上升1度,便会损失1ps。因此,通过装设中冷器来降低压缩空气的温度,已被车坛视为常识。

由于增压器使用排气端的废气来推动增压器,因此在产生增压之前会出现一段延迟时间。另一方面,使用引擎曲轴作为动力来源的机械增压器虽然无此烦恼,但却会丧失些许引擎本身的功率输出。
近来颉取两种增压器的长处:在低转速领域使用机械增压,但到了高转速领域该用涡轮增压的新引擎设计,开始受到业界注目。


  • 机械增压器(supercharger)
    自引擎曲轴通过皮带来驱动增压器(compressor),并将空气压缩后供给引擎的装置,便称为机械增压器。
    由于增压器的动力来自于曲轴运转,因此和涡轮增压器相比,具备在低回转领域有着极大的增压效果加速反应灵敏等优点,并且相当适合搭配自动变速器。

图为鲁式(Rootsblower)机械增压器,其它还有李式(Lysholm)双螺管机械增压器、涡卷式(Scroll)等不同种类。


  • 涡轮增压器(turbocharger)
    Turob意即涡轮机,通常是指利用通过排气管所排出的排气压力,来推动涡轮云总的增压器。
    由于使用排气动能作为动力,因此没有像机械增压器那样,会发生在高转速领域损失驱动力的缺点。但相对来说,由于排气的动能较低,在低转速领域不足以转动涡轮,就算想要开始加速,也必须等待涡轮转速升高。这就是所谓涡轮增压延迟现象的成因。为了克服此问题,技术人员想出了各种不同的系统架构,现在也仍不断地改进当中。目前欧洲地区仍持续推出可提升油耗表现的小型化涡轮引擎。




混合驱动系统

混合驱动系统的目的在于并用引擎与马达以降低燃料消耗率。日本走在这个领域的前端,所开发出来的混合驱动车种清一色都是所谓的环保车,不过随着欧洲的车厂也开始研究,也许有朝一日这种系统会成为核心设计。

这种系统的弱点,在于引擎怠速和起步时的效率较差。不过,马达即使在零转速的情况下也能发挥最大扭力,且效率亦高,可以有效弥补引擎不擅长的低回转领域。而在速度上升之后,引擎运转的效率也随之提高,而相对低马达的输出效率则会下降。因此为了让两种机组都能在各自擅长的领域有所发挥,以充分提升能源的使用效率,混合驱动车便应运而生了。
车上同时装载马达和电池的优点,在于可以回收能源再利用。这样的机制称为回生,在未踩油门/刹车时,会运用轮胎的转动能量带动发电机为电池充电,而这些存下来的电能,则可于再度驱动马达时使用。原本刹车产生的热能只能任其丧失,如今却能够回收成电能并再度利用。
本系统的另一个优点,在于马达可以弥补引擎的性能,发挥近似于增压器的功能。欧洲车厂制作混合驱动车时,大多着眼于此。它们推出的这类车种,在设计上大多不使用增压器,改采用电动马达来呈现大排气量车种的驾驶感。



混合驱动系统种类

  • 串联式(series hybrid)
  • 并联式(parallel hybrid)
  • 串并联混合式(series-parallel hybrid)




车子性能的关键字

车辆的规格表上通常列出了许多数值与专有名词。必须充分掌握这些资料的意思以及解读方式,才能了解车子的引擎性能,并且推敲出车子锁蕴含的潜能。


马力(horsepower)

最能直截了当地表现出引擎性能的数值,便是以ps为单位的马力。1马力代表能将75KG重的物体在1s内举起1公尺的工作效率。
也就是说,1台100马力的引擎可以将1T中的物体在1s内举起7.5公尺。马力是由扭力x引擎转速求得,所以即使引擎的排气量小,只要转速高,一样能够发挥出输出功率。顺便说一句,国际通用规格使用kW来换算马力(1ps:0.735kW)。


扭力(torque)

用来表示回转力的数值称为扭力。
将长1公尺的扳手,对于位于1公尺源的螺帽施加1KG的力使其旋转时的回转力写做1kg-m。就引擎而言,扭力通常用来表示曲轴所拥有的回转力。扭力几乎等同于燃烧能,以自然进气引擎而言,大致上可以得到等同于排气量的扭力。
一辆车的扭力越强,表示维持引擎回转的力道越强,如此一来我们便能说,这对驾驶人而言是一辆好驾驭的车子。


排气量/汽缸数(displacement/cylinder)

从排气量可以得知引擎能够吸入多少混合气体。这在往复式引擎来说,即活塞运动中往返的圆柱体积x汽缸数

当引擎排气量越大,获得的输出功率也越大。然而若单个汽缸的容积过大,相对也会妨碍到运转。未解决此问题,一般采用的方法是增加汽缸的数目,来降低每个汽缸所需的容积。若汽缸数目增加,曲轴每回转1次在汽缸中的引爆次数也会随之增加,因此有着令引擎回转更加顺畅的效果。
一般而言,一个汽缸的排气量以350-600cc较为理想,然而多汽缸引擎的成本非常高。因此,实际装载的汽缸数目大多依据车身尺寸和车款价位而定。


缸径衝程比(bore stroke ratio)

将汽缸内的衝程除以缸径所得到的值就叫做缸径衝程比
当此值小于1时,称为短衝程引擎;大于1时,称为长衝程引擎;等于1时,称为方型引擎。缸径衝程比会影响引擎的特性,一般来说,长衝程引擎在低中转速领域较容易产出扭力,但在高转速领域却不太能发挥功率;短衝程则相反。
顺便说一句,当活塞运动到气缸内的最上部时称为上死点;降至最底部时称为下死点。


压缩比(compression ratio)

所谓压缩比是用来表示引擎将吸入的混合气体压缩至多少程度的数值。引擎的功率将大幅受此压缩比左右。
将活塞被推至最下方时汽缸中呈现的最大容量(汽缸总容量),除以活塞推至最高处时汽缸中呈现的最小容量(燃烧室容量),即可求得此比例。所谓汽缸总容量,则是将活塞运动中上下往返的圆柱体积(排气量)再加上燃烧室容量。

以一个2000cc的4汽缸引擎为例,1个汽缸的排气量=汽缸容量(500cc)。假设燃烧室容量为50cc,则将总容量500cc+50cc=550cc处理燃烧室容量50cc,可得知压缩比为11
通常,自然进气式汽油引擎的压缩比大多设定在9-11之间,超过10的即可视为该引擎的排气量做了较高输出功率设定。若是装有增压器的引擎,一般则倾向于7-9之间。






将动力转化为速度的驱动装置

为了有效地引出引擎功率并转化成速度,必须拥有适切的齿轮和驱动力配置。因此驱动系统的零件会大幅左右引擎效率。


变速器

引擎每分钟可以达到数百甚至数千转,这样的速度如果直接用来转动轮胎则嫌太快,因此我们需要靠着变速器(transmission),通过搭配齿轮(gear)以依照状况自引擎取出所需的速度与动力。

让我们回顾一下齿轮的原理。如果将某个此轮搭配上比它大的齿轮,那么虽然大齿轮的转速不如原本那么快,但却可以增大运作的力道;如果搭配的是比较小的齿轮,则虽然较小的齿轮转速较快,但相对取得的动力也比较有限。
变速器靠的便是这样的原理。车子需要最大动力的时间点起步时,相反地,再告诉状况下维持固定速度行进时,则只需要少许动力即可。

因此在起步时让引擎搭配能产生较大扭力的大此轮(较大的减速比),才能确实地让车子往前推进。
大齿轮虽然对于扭力有倍力的效果,但是转速较慢。这解释了为什么在打1档时,就算把引擎转速踩到极限,车辆的时速也只能达到数十公里左右。因此在变速器中北邮复数此轮,以逐渐缩小搭配齿轮(降低减速比)的方式,让使用者可以因应行进情况,自由地操纵车子的速度和动力。
实际上在汽车当中,是靠着引擎正后方的变速器,以及驱动轮前方的最终传动齿轮两者间的搭配组合,调整出齿轮比例。变更此一齿轮比例,便能大幅影响车子的行进特性。特别是在赛道奔走时,为顺应赛道特性选择合适的齿轮搭配,往往是缩短时间记录的重要关键。




终传齿轮

介于引擎和驱动轮间,在驱动机组中做最后一道减速步骤的此轮装置,就叫做终传齿轮。从整体驱动机组的角度来看,他和变速器有着相互补强的关系,也可以把它看做是将引擎的转速再减速过一次之后,才传给轮胎的装置。在纵向配置引擎的车种中,最终传动齿轮则还肩负著将动力传导的方向转换90度的责任。

由最终传动齿轮独立在变速器之外,因此比较便于拆装更换。换言之,当我们想要大幅变更车子的特性时,最终传动齿轮便是必须考量的重要因素之一。一般而言,若重视车子的运动性能,只需要调高最终传动齿轮齿轮比,就能提升车子的加速能力(到达极限会降低)。相反,若以降低燃料消耗为目标,则只需降低齿轮比,便可收到降低引擎转速的功效。




双踏板式变速器的种类

  • AT(Automatic transmission)
    自动变速器。
    利用扭力变换器(流体离合器)调整引擎断断续续输出的动力,能够顺应车速和引擎转速,自动切换成适当的变速比率,而在内部则配有行星齿轮,通过油压进行控制。虽然优点在于能够顺畅地进行变速,然而却也会因为使用油压带来打滑或浪费功率的问题,在油耗上比较不理想。


  • CVT(Continuously variable transmission)
    无段自动变速器或连续可变变速器。
    不像一般变速器通过切换齿轮达到变速效果,这种变速器通过变化金属带和链条等连接成的2组滑车和滚轮的直径,来连续地变换变速比。这种变速器在变速时不会产生震动,且在各种行进状况下,都能选择效率最佳的引擎回转域来行进。


  • DCT(Dual clutch transmission)
    双离合变速器是将手排变速器的操作以2具离合器加以自动化之后的产物。
    通过将奇数档分在不同轴上,以双离合器分别瞬时切换,在变速性能上可以超越手排变速器。在自动变速器当中,受限于行星齿轮的回转性能,引擎的最高转速也受到限制。然而,双离合变速器却能够搭配高转速的引擎。正因如此,跑车以至于环保车种都能有效地发挥此种变速器的性能。




差速齿轮

对于左右两侧都有驱动轮的车种而言,差速齿轮是不可或缺的零件。虽然这在完全直线行进时派不上用场,但是会在过弯时发挥重要的功能。

过弯时,弯道外侧轮胎行走的距离比起内侧轮胎要来的长,这就是所谓的内轮差。如果不顺应这样的差异,对内/外胎设定不同的回转圈数,那么内侧轮胎将会卡住,车子根本无法转弯。能够吸收这种差异的,便是这里要介绍的差速齿轮。差速齿轮通常和终传齿轮整合为一,装置与左右驱动轮之间。

平时在车子直线前进时,主动此轮会配合终传四轮旋转与边此轮周围绕行,以将引擎动力传导至边齿轮。此时分配给左右驱动轮的扭力是相同的。
而当开始过弯进入回转状态时,位于弯道内侧的轮胎将产生阻力,而这样的阻力会通过传动轴传至内轮的边齿轮。此时,原本只会绕着齿轮周围公转的主动齿轮会同时展开自转,以调整外侧轮胎和内侧轮胎之间的回转差。
如此一来,分配引擎动力时,将只传给产生阻力的弯道内侧较少的动力,而给外轮胎更多的动力,以弥补两者之间的回转差。




限滑差速器

前面介绍了差速齿轮在弯道的作用,不过这种机组在结构上存在著弱点:在装置了差速齿轮的驱动轮之中,只要有一个轮胎离开地面,就无法将驱动力传导给其它驱动轮。这是因为此时离开地面的轮胎将会空转,而差速齿轮则视图修正空转胎的回转差,将驱动力全部传给这个轮胎。路上常可以看到卡在泥泞或雪地上的车子,大多是因为差速齿轮的这种特性造成的。

因此,当左右驱动轮之间的回转差大于某个范围时,能够限制差速齿轮功能的,便是所谓的LSD(限滑差速器)
LSD的原理,是借由装上能够限制两侧边此轮转速差的装置,达到确实将驱动力分配各两轮的目的。具体的方式可以细分为多板离合器式、电子控制式、以及通过齿轮咬合和转轴方向产生的摩擦力,所作动的粘性耦合式等设计。
LSD机制运用在跑车车种上时,与其说是为了从泥泞中爬出来,不如说是为了确保驱动力并提升操控性。


LSD的种类:

  • 扭力感应式(torque sensing type)
    采用特殊齿轮组合的方式。当左右驱动轮间产生扭力差时,便会增加齿轮的齿面阻力,以限制差速效果。由于这样的差速限制力相当大,运用在像赛道上行进这类对车子负担较重的场面特别有效;切实际产生限制差速效果的反应时间也相当迅速。此类除多踏板离合器式之外,还有扭力感应式、螺旋齿轮式等。


  • 回转感应式(revolution sensing type)
    不限制差速齿轮运作,而是利用高粘度矽油的方式。除了最具代表性,利用油类剪阻力(物质内部抗形变的阻力)的粘性耦合式之外,还有利用油类通过孔穴式。和扭力感应式相较之下,此类的差速限制力比较和缓,反应速度也比较迟,但是相对的也比较适合用在低摩擦系数的路面上。


  • 动态控制式(active control type)
    就是电子控制式。由电脑通过收集自各种感应器的资讯,主动地进行差速限制。通常用在越野赛车等竞技车种当中。一般都用于世界越野锦标赛(WRC.






支持汽车行进的骨架

车身结构对行进性能造成的影响大于引擎和变速器,操控性优良与否也取决于此,可说是一辆车的基础,也是最根本的部分。


车身应具备的性能

能与车身、引擎、以及悬吊并列足以左右车子个性的要素,则是一辆车的骨干。一般来说,我们要求车身必需兼具刚性强度,还得同事追求轻巧。这里所说的刚性简单来说便是不易变形的程度,而强度则是不易损坏的程度

上述特征中,刚性对行驶性能造成的影响特别大。当一辆车通过凹凸路面,或处在过弯等对车身造成负担的状况下时,若车身仍不会轻易变形,则可以说这辆车刚性高。
就算车身变形了,只要能够瞬间恢复原状,悬吊便可以正确地运作,也能提升轮胎接地性。车身刚性够高,动力便容易传达到路面,车子行进更加安定,也较容易驾驶。
加诸于车身的冲击力并没有固定的模式;有些缓慢的到来,也有突然发生的。而在车辆的产品型号上有着弯曲刚性和扭曲刚性这类标示,这些大多是针对缓慢到来的冲击力而言的刚度。然而,真正具备高刚性的车身,即使受到剧烈摇晃这类瞬间的冲击力,也必须能够承受。
另一方面,所谓的强度即硬度或坚固的程度。强度过低时,发生冲撞时对车身的伤害较大。然而,若因此便让车子具备有如坦克车般的强度,则虽然让车身毫发无损,但激烈的冲击力却会相对加诸在乘客身上。
一辆车的车身,必须将刚性和强度的平衡追求到及完善的境界。如果只是要单纯地提升刚性和轻度,有许多简单的补强方法。然而,却无可避免地会让车身变重。


  • 框架式车身(frame body)

也称为非承载式车身车身与车架分离式结构
这种结构是将引擎和变速器、悬吊等装置在固定的车架上之后,再架设上理你性制作的车身。除了梯型式,还有背骨式、周长式、平台式等。而其中又以梯型式较能压低制造成本,同时又能确保强度,所以许多越野车种喜欢采用。


  • 车体式车身(monocoque body)

车架和车身一体成形,是现代车身结构的主流。整个车体的强度来自于车身板件等多项结构零件,有如蛋壳般地支撑了车身的整体强度,不仅轻巧且也具备了高刚性。这种架构的另一个优点在于可以降低底盘高度,而在发生冲撞时也易于吸收能量。由于引擎和悬吊直接安装在车身上,使得过去这样的架构在乘坐舒适性和噪音抑制方面,一直比不上框架车身。然而,随着悬吊不断演进及组装技术提升,这些缺点已成为过去式。






用来降低车速的热交换器

减速就是将车子行进的动能转化为热能。除了让车子停下的功率理所当然地必须大于引擎功率外,对于过热问题也必须做好万全的处置,因此这是车上最重要的零件。


结构与原理

汽车的刹车,说穿了就是将动能转换为热能,以降低车速的装置。这种装置也有固定车身、防止静态状态下的车子产生移动的功能。

组成刹车的基本原件为接受驾驶员命令的操作装置、传导操作力的液压回路,以及最重要的制动装置。近来的刹车系统则还会在液压回路中额外加装能够放大操作力的倍力装置,以及能够防止轮胎锁死的ABS系统。
刹车踏板和制动装置之间通过液压回路相连。由于液压回路仰仗帕斯卡原理运作,因此啥词踏板前端连接著一个大剖面积的刹车总泵。这个刹车总泵中产生的压力在放大过后,再传导给刹车来令和蹄片。刹车来令和蹄片是摩擦介质,将它们压在刹车碟盘或刹车鼓上之后,才能将动能转换成热能,以降低车速。
流动在液压回路当中的并不是一般油类,而是专用的刹车液。针对刹车时的热能,刹车液必须具备不易沸腾的特性,也因此主要依沸点分为几种不同种类。
随着高速道路的逐渐普及,小客车主流的前刹车设计,已由鼓刹转为碟刹。碟式刹车主要是通过在刹车卡钳当中的刹车来令片从两侧家住刹车碟盘,已发挥制动力。


  • 碟式刹车(disc type)

通过从两侧来令片家住转动的金属制圆盘(刹车碟盘)产生摩擦力,以发挥刹车效果。最大的优点在于包括刹车碟盘在内,几乎所有的结构零件都露出在外,所以通风性、散热性十分优秀,不容易过热。另一个优点在于当水附著在刹车碟盘上的时候,可以靠著碟盘本身的旋转将其挥散,因此不至于使摩擦系数降至过低。不过,这种刹车虽然易于通过调整脚踩刹车踏板的力道来微调制动力,然而,自身却没有产生倍力效果,以至于如果停车时的制动维持力不如鼓式刹车。


  • 鼓式刹车(drum type)

这种刹车系统,乃是将刹车蹄片由内侧压在和轮圈一起转动的圆筒型刹车鼓上来取得制动力。由于散热性不佳,比碟刹更容易发生过热的情形,且若刹车内部进水,需要一段时间才能恢复摩擦力。不过在制动时,刹车蹄片会自动朝向咬住刹车鼓的运动方向,因此可以发挥极大的制动力(这称为自我倍力作用)。在小客车上 ,通常装载刹车负荷较小的后轮为多,而在大型车中则会把它装载后轮碟刹的内侧,作为驻车用的刹车。




摩擦热引起的刹车问题

  • 过温衰退现象(fade)

当过度使用刹车时,造成制动力急速下降的现象。具体而言,这样的现象时因为用作摩擦截止的来令片和刹车皮过热后产生气体,而这些气体在刹车碟和鼓之间发挥了近似于润滑剂的作用,导致摩擦系数降低。


  • 气阻(vapor lock)

过热的来令片和刹车皮上的热能使得刹车液沸腾,使得刹车油管内产生气泡的现象。此时即使踩刹车踏板也无法将正规的压力送出刹车液,最糟的状况下甚至无法取得制动力。




刹车碟盘的种类

  • 实心碟盘(solid disc)

仅使用一面碟盘,是最基本的结构种类设计。虽然散热效果不如通风式刹车,不过由于制造成本地,所以用于许多轻型汽车的前刹,或者在4轮碟刹系统中负责制动时符合较小的后刹。比起通风式刹车碟,此类设计对摩擦热承受度较强,并以散热效果高的钢铁材质为主流。


  • 通气式碟盘(ventilated disk)

结合两面刹车碟盘,并在其中设置多个散热孔。原本是为了赛车所开发、运用,不过现在许多客车也采用此种刹车碟盘。由于和实心碟盘相较之下,碟面温度大概降低了30%,因此可以进一步提升耐热性(以及防止过温衰退),并延长来令片的寿命。缺点在于碟身较厚导致重量较重。


更加进化的通气式通气式刹车碟:

  • 针孔式碟盘(pinhole type)

一般用来指在通风式刹车碟盘的摩擦面上打更多的洞,以提高散热性、冷却效率的刹车碟盘。而这种也叫做攒孔刹车碟(drilled disc)的碟盘设计,同时频繁使用在赛车和高性能跑车上。这些洞孔对于排除制动时产生的摩擦粉也很有效。而另一种在表面上挖满槽的画线式碟刹(slit disc),在设计上也是出于同样目的。


  • 螺翼式碟盘(spiral fin type)

在贴合的2面刹车碟盘内侧将散热排成螺旋状。翼片的形状是经过解析刹车碟盘内气流数据之后做出最佳化的设计,可以伴随着车辆转动有效地排除摩擦热。除了常用在高性能跑车以外,也会用在车重较重的大马力车种上。




刹车卡钳

  • 浮动式刹车卡钳(floating type)

这是在刹车卡钳内部只有单边具有将刹车来令片推出的刹车活塞的型式,因此也叫单活塞式。承受来自于刹车踏板油压的活塞只存在于机组的一侧,对面的来令片则靠反作用力压制住刹车碟盘。在这种刹车卡钳当中,与刹车碟的解除位置是常时在调整的,且左右两侧来令片之间不存在著时间差的变化,每次都能得到同样的刹车感。由于这种刹车卡钳本身体积较小,重量也较轻,因此可以顺应高温扭曲变形的碟刹做出应变。虽然在赛道等连续行驶的状况下会导致效果降低,但是从性能上来看,在一般使用情况下丝毫没有问题。


  • 对向活塞式刹车卡钳(opposite piston type)

左右皆装有刹车活塞,从两侧将来令片夹上刹车碟盘的型式。由于这种结构体积较大,必须选用吕质刹车卡钳,因此仅以维持刹车卡钳的刚度。用在赛道等跑车的行驶条件下十分有效,单向有发挥原本的性能,如果不一并把刹车碟盘改装成浮动式,碟盘会因为热变形而倾斜,导致来令片无法确实著力。随着刹车碟盘直径逐渐变大,市面上也有不少采用4活塞设置6活塞这类复数刹车活塞、以及来令片总面积较大的车种。从吕质轮圈的空隙间能窥见的大型对向活塞,可说是一台高性能车的有利表征。






控制车身动态的缓冲装置

伸缩乍看之下是种简单的运作原理,然而车上要是没有悬吊,不仅无法正确操作,甚至无法正常行驶。


构造与原理

从结构上来看,悬吊位于车身和轮胎间,一边支撑着车身,一面吸收来自轮胎的冲击力。这重要的机制大幅影响着车子行进间的操纵稳定性。

悬吊可以大略分为左/右轮动态会影响到另一轮的固定式悬吊,以及左右轮个别作动的独立式悬吊。而这两类悬吊又各自有几种具代表性的形式,如固定式车轴式、吊环式、扭力梁式等。而独立式则有支架式或双叉骨式等等。
悬吊本身由弹簧、减震筒、连杆支臂等结构组成。弹簧能够缓和来自 路面的冲击力,减震筒则是可以抑制弹簧的弹跳,提升搭乘的舒适感与稳定性。连杆支臂则用在限制轮胎的动态,让轮胎能以最佳的方式与地面接触。悬吊还有另一个重大的用途,是通过弹簧的反作用力将轮胎压在地面,以稳定轮胎位置。


  • 弹簧(spring)

除了具备先一步吸收加诸于行进间车身的冲击力、缓和震动的功能之外,还有维持固定车高的功能,是会影响操控性、方向盘性能、动作稳定性的重要因素。因此我们可以说,就算只调整弹簧设定,也足以让车子的个性不大相同。而一般除了金属制的线圈弹簧以外,还包括利用空气压力的气压式悬吊。


  • 减震筒(shock absorbers)

线圈状的弹簧在承受负重时,虽然可以通过伸缩原理加以缓冲,然而光是如此却无法消弭上下的运动量。而抑制这样的动态便需要减震筒(也称阻尼装置)的责任。一般常见的减震筒种类是仰赖活塞在密封于筒内的油类和气体中上下运动时遭遇的抵抗力来运作,可通过慢慢伸缩、慢慢恢复的动态,来缓和弹簧激烈的上下运动。因此减震筒和弹簧同样左右着车子的操作性和稳定性。


  • 悬吊臂(suspension arm)

这是控制轮圈动态的零件,也称为控制臂。这种零件借由安装在车身与轮轴之间,可以依照各种不同的形状分为A臂和I臂等不同种类。基本上使用压合钢板,不过有时也会使用强度更加的锻造制品。在双A臂式悬吊这种上下成对的悬吊组当中,上方称为上臂,下方称为下臂。


  • 稳定杆(stabilizer)
    利用扭杆弹簧的扭曲来抑制车身晃动的安定装置,也称为防倾杆。两端安装于悬吊的下臂上,只会在左右车轮动态相異时作动。例如在过弯时,外侧车轮下沉,内侧车轮将会拉高,此时稳定杆就能控制左右车轮成为相同的动态,让行车姿势更安定。也有人会可以利用稳定杆的这种效果,调校成可以用来应变转向不足、转向过度的设定。


  • 悬吊衬套(suspension bush)

用于构成悬吊的金属制连杆和悬吊臂等的结合部位,或是装著于车身部位的缓冲材质。如果衬套硬度不足,将会因过弯等情况下庞大的负重而变形,使得悬吊产生不必要的动作,影响车子的操作性和稳定性。因此,衬套的材料一般都选用冲击吸收性佳的橡胶材质,不过在竞技用车种当中,为了减少不必要的动作,较常改用鱼眼(pillow ball)这种金属球面轴承。衬套是能够引导出弹簧和避震装置性能的重要零件。




悬吊的种类

虽然各种不同的悬吊同样具有保持车高、介绍行进间的负重和冲击的功能,不过彼此间的性能和特性却是各不相同的。这些性能与特性的差异,会影响到过弯、行驶性能、与安全息息相关的操控性能、以及乘客乘坐时的舒适性。
悬吊正日新月异地进步,目前已发展出了许多不同种类。虽然结构复杂并非就等同于具备了高性能,但是为了实现理想的悬吊能够瞬间追踪路面的凹凸起伏,保持轮胎能够维持在正确的接地状态的目标,目前各方专家仍在持续努力研究改进的技术和手法。


  • 固定式(rigid axle)

所谓固定式悬吊,即通过车轴连接左右轮和轮圈的结构。由于轮胎的动作将会传达给另一侧的轮胎,因此容易降低接地性。且因轴梁和轴殻本身重量也重,在比较簧下重量时便较为吃亏。不过一你诶这种结构成本低、且强度优异,尝尝用在低价位的后轮驱动车种中作为后悬吊。


  • 独立悬架式(independent system)

能够让左右车轮独立上下运动,在应付凹凸起伏路面方面的表现亮眼。特别是在后轮驱动车种中,可以有效地将动力传导给左右车轮。除此之外,还能减轻运作部位的重量。能够兼顾操控稳定性和乘坐舒适性的特点也让人激赏。


常见于跑车款中的独立式悬吊:

  • 支柱式悬吊(macpherson strut)

基本上是由弹簧和避震装置以及下臂组成的简单结构。strut的意思是承受作用力的支柱,在此指的是减震筒与弹簧装置。减震筒的上端通过缓冲橡胶支撑车身,下部则由下臂支撑。不了零件数量少,得以控制重量之外,也因为易于确保衝程距离,可吸收较大范围来自路面的震动。


  • 双A臂悬吊(double wishbone)

由上下成对的悬吊臂悬架起车轮的结构。使用双悬吊臂,而因为V字型排列的悬吊臂就像鸡的锁骨的形状,因此便以之命名。随着悬吊臂形状和配置位置不同,可以比较自由地控制加速/减速时车子的姿势和车轮矫正的变化。另外也因为这种悬吊便于追求高刚性,所以常用在重视操作性和稳定性的跑车当中。然而,相对的也因为零件数量较多且结构复杂,需要较大的安装控件。


  • 多连杆式悬吊(multi link)

虽然这属于双A臂式悬吊的进化形,不过相较于双A臂式悬吊仅由上下2根悬吊臂组成,这种悬吊则由3-5根的连杆来决定车轴的位置。由于各悬吊臂互相分离,配置的自由度极高,方便进行更细腻的调校。并且在由数根悬吊臂共同支撑的情况下,可以严密地监控悬吊系统几何的变化,轮胎接地性亦佳。在高性能的FF驱动车种一季大马力的后轮驱动车种当中,常以此为后悬吊,以维持在高速领域的动态稳定性和确保马力。




车辆矫正

如果你身边的家具或椅子上装有移动的车辆,请稍微留意一下。从正上方俯瞰,便会发现车轮的中心轴与它被装在家具上的轴心位置并未对齐。在移动家具和椅子时,车轮之所以不会乱摆,而能朝着固定的方向前进,这是多亏了这样的位置差。

另一方面,假设我们把轮胎拆下来,任其在地面上滚动,那么躲过滚动时轮胎的接地面紧密地沿着地面,轮胎便会直线前进;然而若转动时只使用到一部分的接地面,就会发现轮胎会朝着特定的方向转弯。
这说明了当轮胎固定在车身上时,只要给予各种不同的角度,便能让轮胎在适合车子的运动条件下运作。这就是所谓的车轮矫正(whell alignment)(悬吊系统几何)。
行驶-过弯-停止的基本原则建立在4轮矫正处于正确地装置状况下,这道决定轮胎位置的手续将可引导出轮胎的性能,设置发挥决定车子特性的效果。

具体而言,车轮校正的代表性因素共有如下所列4项:

  • 从车身上方俯瞰时轮胎的角度————束角;
  • 从车身侧边看去时悬吊的倾斜角度————倾斜角;
  • 从车身正面看过去时轮胎的扁平度————外倾角;
  • 车身正面看过去时轮胎的扁平度————外倾角。

这些角度都必须以0.1mm0.1度的精确度加以管控,只要有些许的误差,便会影响车子的直进性能,或让操作感觉起来有异。因此,务必谨记这些因素会对车造成的影响。


  • 束角(toe angle)

自车身上方俯瞰时,左右轮朝外侧展开的角度。当轮胎朝向行进方向的外侧展开时,称为外束角(toe-out),而朝内侧收敛时,称为内束角(toe-in)。此角度会大幅影响直进性,设定角度过大时将会使轮胎产生偏磨损。


  • 后倾角(caster-angle)

从旁看向车轮时前悬吊的倾斜角度。这个角度除了有抑制轮圈横向震动的效果之外,还具有自校准扭力(self-aligning-torque),打方向盘是会尝试着将轮圈转回直进状态的作用力的功用。如果左右轮的此角度不同,则车子会偏向角度较大的那一侧,导致在制动时无法操作方向盘的现象。


  • 外倾角(camber-angle)

从车子正面看去,轮胎下册变宽的状况较做负外倾,而上侧变窄的状况则称为正外倾。在正常状态下,为了防止负重时轮胎呈外八字行,因此会实现设定为上方较开的角度。


  • 内倾角(king-pin-angle)

从正面看向轮胎时,固定轮圈轴心的倾斜角。这个角度基本上用来输入自路面的作用力,以防止方向盘失去控制。主要影响车子的直进性、操作方向盘时的复元力(自校准扭力)、方向盘操舵力。






汽车与路面的交会点

TIRES

引擎动力经由传动系统和悬吊,最后通过轮胎传到地面。无论是什么车种,行驶时都无法超越轮胎所能负荷的性能。


高性能轮胎的条件

轮胎的功能主要分为4项:

  • 支撑车身重量的负重支撑功能
  • 缓和来自路面冲击力的缓冲功能
  • 开始行进与停止的制动/驱动功能
  • 安定地在直线与弯道上行进的路线维持功能

改装轮胎时,必须在确保上述4项功能之间取得平衡后,才能按照各种轮胎不同的性能与特性进行调校。

就重视行驶功能的跑车轮胎而言,如果提升制动/驱动功能和路线维持功能,也就是有关开始、行进与停止的项目,显得格外重要。具体的做法是提升接触地面的橡胶的抓地力,并且提高刚度以抑制轮胎负重时的变形程度。如此一来,以过弯时为例,就可以让车子对方向盘操作的反应变得更敏锐,大幅提升回转速度。
当然,高抓地力的轮胎也有其缺点。这种轮胎虽然在过弯时负荷极限较高,但是一旦超过了极限就会变得难以控制,因此需要箱单的驾驶技巧。另外,这种轮胎也会增加多悬吊与车身的负荷,打破抓地力的均衡,使得过弯中的翻滚量变大。这意味着要使用这种轮胎,车子也必须有足以支撑的负荷的能力。而且由于轮胎与路面的摩擦力较大,使得磨损迅速,会使得搭乘感受恶化,噪音也大。
在泾滑路面上行进时,刻在轮胎接地面的满纹将会大幅左右其性能。这些满纹的目的在于排除存在于轮胎与路面间的水分,然而排水性能和接地面的刚度之间却有着相对的关系。在跑车轮胎中,两者间的平衡特别难以取舍。
汽车无法超越轮胎所能负荷的性能行驶,因此必须具备相关知识,才能选出符合自己的驾驶风格的轮胎。


  • 胎面胶料(tread compound)

用于接地面的橡胶。高性能轮胎使用抓地力强的软质橡胶,由于与路面摩擦力大,磨损迅速。而另一方面,一般车种使用的则比较表示耐磨损性,选择的硬质胶料就仅有一般水准的抓地性能。另外,虽然橡胶在未升温到某种程度时呈现坚硬的状态,不易发挥原本的抓地力,然而过热时也会使抓地力降低。


  • 胎面花纹(tread pattern)

即雕刻在接地面上的纹路。主要目的在于(随着转动)将路面的水排出去。许多汽车为了提高排水效果,还会特别采用具备指定方向性纹路的轮胎。另一方面,由于胎纹是造成接地面刚性降低的主要原因,所以高性能轮胎通常会省去细微的纹路,全部采用较粗的胎纹。而有些轮胎甚至会使用左右非对称的纹路,减少在过弯时会被强力地压在地面外侧部分的胎纹以提高胎面刚度,并将较多的胎纹设置在内侧以改善排水性。


  • 胎身刚性(casing rigid)

轮胎的横剖面有胎面、胎臂、各胎体层组成有如一容器状,而这种结构的刚度就称做胎身刚性。来自路面加诸于胎面的力将会传达到各部位,最后由胎圈底部承受。也就是说,在加速/减速、过弯这些对轮胎造成庞大负荷的场合,为了不使轮胎发生不必要的扭曲,重要的是提升轮胎整体的刚性(胎身刚性)。然而,刚度越高,虽然能提升车子的运动性能,却会损及搭乘时的舒适度感。这也是为什么调校轮胎时,必须考虑其扮演的角色和使用目的。






以吕制为主流的轮圈

WHEELS

簧下重量每轻1KG,收到的效果是簧上重量轻量化的15倍。
想要彻底在起步、加速、制动、过弯发挥出完整性能,绝对少不了选用轻巧的轮圈。


簧下重量

吕制轮圈装饰性意义虽强,但一方面也仍对形式心梗造成不小的影响。

车子需要最多动力的时机在于起步时。想要让车子由静止状态稍稍开始移动,需要极大的动能。如果轮圈较重,则不易使其转动;所以轮圈越轻,便只需少量的动能(引擎马力)便可让它转动起来。
因此这项条件就称为簧下重量,会大幅影响车的运动性能。轮圈和轮胎越轻,不仅起步、加速性能会提升,制动时也容易停止轮胎的转动(刹车较为有效)。另外,悬吊的运作也更加流畅,路面运动表现和搭乘舒适感也都会获得改善,更能节省燃料费用。
目前成为主流的吕制轮圈,在优良的导热性、热容量以至于排除刹车热的效率方面的表现都十分出色,而且比起铁材料,耐腐蚀性更是优异。
而在更换轮圈时,要特别注意尺寸变大导致重量增加。特别是尺寸大幅提升时,通常也会使得簧下重量大幅增加。因此必须审慎考虑扁平轮胎所带来的好处,以及随之增加的重量所带来的坏处。


结构:

  • 单片式(one piece)
    轮框部位和轮盘部位一体成形,是最基本的结构。由于在制作上于锻造后进行切削加工,因此尺寸精确度极高。虽然在设计上自由度较小,不过因为零件数量少,重量较双片式和三片式来得轻,在重量平衡方面表现也相当优异。

  • 双片式(two pieces)
    分别制作轮盘部位和轮框部位,使用螺丝和螺帽,或用焊接方式连接两者的结构。这种作法允许在轮盘和轮框分别采用不同的材质(镁、铝、钛…)和制造方法(锻造、铸造),因此在调整偏距值和设计轮盘的自由度上较高。

  • 三片式(tree pieces)
    焊接起表面的轮框部位和内侧的轮框部位,再用穿孔螺栓组装轮盘部位的结构。具有双片式的特征与优点,但在重量上较为不利,因此许多重视时尚设计感的轮圈都采用此结构。


制法:

  • 铸造(casting)
    将高温融化的铝液注入模具中使其成型的制法。用在双片式和三片式轮圈当中,可以提高轮盘部位的设计自由度。反过来说却也因此必须为了维持强度而增加厚度,使得原本该材质相较于钢铁材质在重量面的优势变得比较不明显。由于制作成本低,是为目前铝制轮圈的主流方法。

  • 锻造(die casting)
    用数千吨的高压压缩金属块(令金属分子重新排列),使其变成高韧性、高硬度的材质。由于成品强度由于铸造,所以可以牺牲厚度换取亲量化。然而却也因为高硬度的特质,使得成品虽然抗拉力机枪,但是对扭曲变形力的承受力却较为脆弱,且制作成本较高,设计上限制也多。在材料方面不至于铝制,在赛车和部分跑车当中,设置还可以看到选择了比铝还轻的镁制轮圈。






对车身作用的空气力

AERODYNAMICS

车身设计的影响力足以全盘改变汽车的高速性能。从极速、稳定性以至于经济性能都与此息息相关。现在讨论车子时,空气力学已是无法忽略的一大主题。


空气阻力与异力

在高速行进间,空气阻力将发挥极大的影响力。这道肉眼看不见的空气墙,在车速越快时,会夺走越多车子的行进动力。

空气阻力所造成的影响大约从时速80公里以上便开始无法忽视,之后更随速度提升等比放大。也就是说当速度提升为2倍,阻力便成为4倍;速度提高3倍则阻力可达9倍。虽然实际上还必须将轮胎的转动阻力等因素考虑进去,不过,当引擎马力无法冲破这道空气墙时,那就是这辆车的极速。因此对重视极速与高速性能的带车与跑车而言,如何减低空气阻力的重要性自然不在话下。就连对以讲求节省燃料费用为诉求的车种来说也不容小觑。
车高较低的阻力较小,而车身外型则以能够顺畅地将行进气流送往后方的流线型与楔形较为吃香。还有一种去除车身表面多余的凹凸起伏(齐平表面处理),同样是可以降低空气阻力的设计。
仍需留意的是,空气阻力较小的车身,从侧面看去通常会呈现像是飞机主翼的形状。在这样的车身上,流动在上方的空气快于下方的空气,导致产生让车身往上方浮起的作用力(昇力的问题),然而要抑制昇力却又必须增加空气阻力。因此,如何在空气阻力和昇力之间取得平衡点,便是开发车子时的重要关键。
另外,在高速行进间会打乱车子直线行进的横风,也是无法忽视的重要因素。在空气力学方面,必须考虑进包含空气阻力、昇力以及偏向力矩各种条件在内的整体平衡。


  • 正面投影面积(frontal area)
    从车身正面望去时的车身剪影。此面积越广,必须承受越多的行进风阻,阻力也就越大。跑车之所以将车身压低,就是为了尽量缩小正面投影面积。因此箱型车或小货车在这方面必然较为不利。


  • Cd值-风阻系数(constant drag)
    这是用来表示当风吹在某个物体上时,气流流动的顺畅程度的系数。实际上在行进间会造成问题的空气阻力,就是一次空气阻力系数乘上正面投影面积所得。因此即使跑车的Cd系数高,只要正面投影面积小,承受的空气阻力便小,而向房车这类车种可说刚好相反。


  • CL值-昇力系数
    这是用来表示高速行进间的行进风产生的让车身上浮的作用力的系数。而相反地,将车身往下压的作用力则称为下压力负昇力。想要获得下压力,必须增加空气阻力,因此为求稳定车子的动态,必须将车身前后的下压力调整到最佳平衡。


  • CYM值—偏向力矩系数(constant yawing moment)
    行进间所承受的风力不仅限于前方。当风力来自各种方向时,产生在车身中心轴周边,视图使其回转向的作用力=妨碍直线前进性能的力就称为偏向力矩。CYM值小的车种比较耐横风,而一般来说重心高度较高的高车身车种在此方面较为吃亏。








改装汽车

Tuning and Settings


提升引擎的战斗力

一味提升引擎马力,只会让车子更难驾驭,无助于让它奔驰得更加快速。因此必须先看准了追求的目标为何,如何炒理想迈进,才能做出符合车子用途或赛道条件的完美调校。


微调

更换引擎电脑与改善排气系统的效率,可以说是为了提升引擎基本体力而做的处理。这些处理会成为之后针对引擎本体进行机械调校、加装增压器等正式调校工程的基础。虽然这些处理无法大幅提升马力,但效果却会展现在转速提升速度变得更敏锐、油门反应速度更快等,让驾驶员操作起来更舒适。另外,这些调校对于引擎造成的负担较小,且具有在高负荷运作下保护引擎的效果,可以带来提升引擎耐久度的好处。


  • 电脑(computer)

通常是改写存有控制引擎的相关资讯的ROM中的资料,也称为记忆体调校。当提升增压器的增压质、更换进排气系统的零件以及对引擎本体做过变更之后,就有必要进行记忆体调校。


  • 火星塞(spark plug)

想要对燃烧室内的混合气体点火使其正常引爆,需要产生强力的火花。即使是一般引擎,如果持续使用一般火星塞在高负荷下运转,便会导致过度燃烧。特别是在通过调校提升过马力的引擎当中,爆炸力增强将使燃烧室温度上升,导致变得容易发生异常燃烧现象(pre-ignition,也称预燃)。因此必须提高火星塞的耐热度,选择高价的火星塞。


  • 空气滤清器(air cleaner)

空气滤清器能够去除引擎进气中含带的灰尘与异物。一般款式的阻力较大,会对马力输出造成不利影响,因此更换成阻力较小的竞赛用款式较为理想。这样带来的效果与其说是提升马力,不如说是会提升高转速领域的引擎反应速度和加速时加速性能方面的表现。同时,吸气音也可变得更大声。


  • 排气系统(exhausut system)

降低排气阻力能够使引擎转速上升的速度、踩踏板时的油门反应速度变得更加敏锐。此调校对于利用排气动能驱动涡轮增压引擎来说效果尤其显著,甚至只靠着调校消音器便能提升1-2成马力。不过,在更换零件后引擎的扭力特性也会随之变化,因此动手调校引擎前应该要根据调校目的,预先设想调整后想得到的特性。


  • 机油(engine oil)

高马力引擎内部各处都必须承受极大的压力,因此也必须使用高性能机油。机油除了润滑之外,还负有冷却、保持气密性等功用,因此若发生油膜破裂等情况,将引发缩缸导致马力降低。而在高速运转的金属零件之间,如果来不及润滑,很容易便会烧毁。另外,在选择机油时,影响摩擦损耗的黏度也是重要条件之一。




检修

在以量产为目的的引擎当中,一般状况下的运作精确度可能未臻完美,导致无法发挥原本应有的马力。要改善这种状况,可以通过把引擎全面拆解为零件,重新加以精密组装,以压榨出引擎的所有性能。这是称为检修(overhaul)的作业步骤,若同时配合调整各零件之间的平衡与轻量化,可以收到更显著的效果。若调校条件对于排气量没有特别限制,借此机会同时提升引擎汽缸本身的容量,可望更有效率、更合理地提升马力和扭力。


  • 提升排气量(scale up)

这是在对引擎本身进行调校时,可以最确定收到最高的效果的工程。让引擎燃烧更大量的混合气体,便可得到更大的马力。
在做法上则可分为削薄汽缸内径,该用大口径活塞的扩大缸径式,或是更换曲轴与连杆等零件以增加活塞衝程的衝动式两种。虽然同样是增加排气量,但两者在特性上相当不同。前者适合增进提升转速以取得马力,后者适合用以提升中低转速领域的扭力。最近的引擎由于普遍经过轻量化处理,汽缸体的零件厚度变得较薄,因此想要大幅地提升内径更加困难了。


  • 调整平衡(balancing)

在一般状态下,每个汽缸的活塞和连杆之间都存在着些微的重量误差。而曲轴的旋转平衡若不佳,则会产生阻力,成为损失马力的主要原因。因此,调整平衡所要做的就是分解引擎,并精密地测量、同一每个零件的重量,以及修正旋转平衡来确保引擎运转顺畅,并有效率地引导马力。如果只靠加工零件无法达到上述目的时,甚至必须更换全新的零件。对于参加无法大幅改造引擎的统一规格赛的赛车而言,调整平衡可说是必备的已向调校作业。


  • 轻量化(lightweighting)

惯性会出现在以超高速运转的引擎零件上,造成摩擦损耗而折损马力。能够解决这个问题的便是轻量化处理。基本上,轻量化必须与调整平衡作业同时运行,不过,若过度轻量化削薄零件的厚度,将会发生耐久性发面的问题。


  • 强化(build up)

在大幅调校引擎之后,随着燃烧力变大,会对各部位零件造成庞大的负担,甚至有造成损坏之处。为此,虽然提升零件强度势在必行,然而在另一个方面,也不能忽略要保持轻盈的原则。经常被用来解决这个难题的,是以钛合金为首的各种新材质,以及用锻造工法制造的强化零件。它们具备一般零件难以相比的轻巧度,且能兼顾强度与刚度。在赛车用火调校过的引擎当中,使用铝制锻造活塞、钛合金值连杆等零件,已成为标准。




高转速化

由于马力=扭力x转速,所以想要提升马力,可说如何提升引擎转速。这个调校工程主要是和汽缸盖有关,关键在于提升高转速领域的进排气效率。主流做法是更换为凸轮运作角度更大的高角度轮轴,同时补强凸轮周围的结构。这样的处理可以收到与扩大进排气门相同效果,能够在高转速领域带来压倒性的马力。


  • 气埠(port)

进气/排气埠分别是混合气体与燃烧后废气的通道。理想状况下,这个部分应该尽可能接近光滑;然而基于成本考量,在一般引擎中很少会讲究到这个部分,因此往往会对进排气造成阻力。造成问题的主要是铸造制品表面特有的粗燥起伏、与气流通道的尺寸大小或变形等。因此,有必要把气埠研磨成有如镜面般光滑,让进排气变得更顺畅。研磨气埠即可改善高速运转时的操驾感,然而若没针对汽缸整体同时进行更换凸轮、研磨汽缸表面等调校,则难以收到原本的功效。


  • 气门(value)

在研磨气埠以及更换凸轮的同时,建议同时考虑扩大气门。扩大进气门的开口面积,可以增加进气量,提升填充效率。当然,气门尺寸越大便会越笨重(惯性作用力越强),因此大多会选择以质轻的钛材料制造,来解决此问题。


  • 气门弹簧

为了防止引擎在高转速运作时,气门弹簧发生异常震动,也就是所谓的激振(凸轮的运作跟不上弹簧伸缩速度的状态)想象,势必得要补强弹簧。在搭配高角度凸轮轴时更是如此,否则要是持续使用一般弹簧,将无法承受增加的气门扬程量,最糟糕的情况将会使得弹簧紧靠上凸轮导致锁死,或者让气门与活塞互相接触。但是若搭配国语强力的弹簧,又会造成引擎的阻力,或是加速气门周边磨损,因此必须特别注意。


  • 凸轮轴(camshaft)

凸轮轴时负责开关进排气门的轴,而所谓的高角度凸轮轴=高扬程图轮轴,则是指高凸轮的抬举部分,以延长气门开启时间的凸轮轴款式。选用这种凸轮轴,可收到和扩大进排气们相同的功效。这虽然会降低在低中速领域的扭力,但是却能大幅提升高转速领域的马力。虽然无法否认这是种极端的特性,不过确实是在提升自然进气引擎的马力时最基本的调校手法。




高压缩化

在引擎当中,当活塞上推以压缩混合气体的力道越强,燃烧力也就越强,进而能引出更强大的马力和扭力。针对这个部分所做的调校,主要以汽缸盖的燃烧室容量设计为重点。不过要是过度提升压缩比,除了会造成引擎运转时的阻力,也可能导致异常燃烧。因此在调校时,也必须调整燃料、延迟点火正时、换成冷式火星塞、补强活塞和连杆等部分,以对抗更强的爆炸力。


  • 活塞(piston)

在提高压缩比时,最具代表的调校手法便是更换成高压缩比活塞。不过,在压缩比提高后,混合气体的温度、燃烧温度都会变高,容易发生引擎爆震现象,所以必须采取改善混合气体动线等相关措施加以因应。


  • 燃烧室

在针对燃烧室所作的加工方面,比较简便的做法是把它修整成排气和点火效率优良的棱顶形状,但以因提高压缩比例预防异常燃烧所做压缩涡流加工为主流。这种加工方式是削薄燃烧室内压力变高的挤流区,稍微降低一些压缩比。但是在进行压缩涡流加工之后,各个燃烧室的容量将会出现差异,所以必须精密地重测各燃烧室容量。


  • 汽缸盖(sylinder head)

0.1mm的细小单位研磨汽缸盖的底面,这种手法称为盖面研磨。基本上这么做的目的在于减少燃烧室容量以提高压缩比例。盖面研磨的另一种用途,在于用来修正当引擎在过度严苛的热能条件下运作时,发生在汽缸体和汽缸盖之间的变形现象。


  • 汽缸床垫片(head gasket)

结余汽缸盖与汽缸体之间,用以保持气密性,防止压缩气体外漏的金属板,就叫汽缸床垫片。将这块金属板磨得比一般状况下更薄,也能收到与盖面研磨相同的效果——即减少燃烧室容量以提高压缩比。最近常见通过选用热传导率高、强度优异的不锈钢作为汽缸床垫片的材质,以同时达到防止压缩气体外泄和调节压缩比的目的。


  • 涡轮增压(turbo boosting pressure)

显示涡轮增压器能够吸入多少空气、并加以压缩的数值,即称为增压值。这个值以压力的单位kg/cm²加以表记,愈高表示能够引出愈大的马力。然而,在吸入大量空气的同时,也必须要提供足够的燃料与之搭配,因此需要借由电脑调节燃料供给,并更换能够喷出大量燃料的喷油嘴等零件。而引擎内部也必须具备足够的强度以承受增加后的爆炸力。


  • 高流量涡轮(high flow turbine)

扩大用来压缩进气的压缩机轮部分,以争取更多风量的涡轮。基本上都采分解一般涡轮,只更换其中的压缩机轮部分的做法。由于涡轮经过削减处理惯性重量减轻,因此擅长于快速地发挥增压效果。这种做法几乎不需要牺牲引擎反应速度,便能提高马力。




增压器

只需要提升增压和加大增压器自身的大小,便可发挥提升排气量相同的效果。如果搭配机械调校一起实施,则可望更加显著地提升马力。然而增压器加诸于引擎的负担甚至大过自然进气式,因此必须做出相对的因应措施。在自然进气引擎当中,提升马力的关键在于提高压缩比,不过,在使用增压器的引擎当中,反而得要降低压缩比,才能防止异常燃烧、或增加的爆炸力造成零件损坏。若使用的是涡轮增压器,泽荣旗产生动力迟滞现象,为了避免使引擎反应速度季度恶化,还得特别下工夫加以处理。


  • 大容量涡轮(big turbine)

由于涡轮的大小决定了它的极限功率,所以这种调校手法就是直接将它更换成更大容量的涡轮。虽然可以飞跃性地提升马力,然而,却相对地因为要转动更大的涡轮,将使得引擎反应速度变得较为迟钝。除此之外,除非具备足以产生大量排气动能的排气量、或引擎本身具有足够的潜藏性能,否则这样的调校手法会使得地转速领域的扭力降低,并且只有在高转速领域才能得到增压下过。这样会让车子变得难以驾驭,是进行此种调校手法前应要事先考虑的部分。


  • 中冷器(inter cooler)

能够冷却受涡轮增压器压缩而变得高温的空气,以提高引擎填充效率,进而提升马力的套件,便是所谓的中冷器。这种装置在市售车种当中亦属必备,尺寸越大、冷却效果也越强。不过如果因此装上过大的中冷器,会让压缩空气停驻于内部的时间变长,导致增压下降。这种现象叫做压力损失,依据条件不同,可能成为让增压值下降10%-20%的肇因。


  • 机械增压器(super charger)

机械增压器和涡轮增压器同样采用将压缩空气压入引擎当中获得马力的设计原理。也就是说,在使用机械增压器时,只要提升增压值,同样可以提升更多的马力。机械增压器和涡轮增压器一样,都只要用螺丝便能装置在自然进气引擎上,可以轻易地大幅提升马力。由于结构上的设计,不易在踩踏油门时产生动力迟滞的状况,所以在技术赛道上非常占优势。




转子引擎

调校转子引擎的重点在于提升进气效率,也就是如何扩大进气埠,将更多的混合气体送入燃烧室。这和在往复式引擎当中改用高角度凸轮轴得到的效果类似。不过值得注意的是,在转子引擎上扩大与移设气埠后得到的效果较大,同时车辆特性改变也较明显。在转子引擎上同时调校气埠和涡轮增压器,两相搭配之下可望引出跟多引擎的潜藏性能。


  • 调校平衡(balancing)

转子引擎的结构比起往复式引擎相对简单,零件数目也比较少。因此,只要提升各零件的精确度,仔细地加以组装,便能够引导出引擎的潜藏性能,而改装重点则在于叫做sealset的作业。这是讲相当于往复式引擎活塞运动的三角气封加以重新组装,让它们具备相同的间隙。借此可以让转子室中的转子在保持着正确压缩比下,以极度顺畅地方式回转。反过来说,若气封发生问题,将造成马力降低,最糟糕的情况下将会导致烧毁。


  • 侧边气埠(side port)

通过扩大设置在殻体侧边的进气埠口径,可以比平常更早开始吸入混合气体,进而提升马力。这种做法可以获得与在往复式引擎上该用高角度凸轮轴同样的效果。


  • 桥状气埠(bridge port)

这是调校侧边气埠的手法之一。由于好像在磨削过的气埠间架起了桥梁一般,因而获得此名称。之所以在2道气埠开口之前设置桥状的通道,是因为要预留在气埠扩大到接近极限时,供三角气封通过动线范围。


  • 外环气埠(peripheral port)

以特殊接著剂将通常位于普通引擎殻体侧边的进气埠塞住后,再将它移至转子室上部的做法。由于这可以让混合气体直接送入转子室内,因此优点是在高回转领域可以引出强大的马力。然而,另一方面却会失去在一般配置下,依据低回转/高回转区隔不同的混合气体进气方式以确保常用转速领域下扭力的功能,今儿使得引擎特性走向极端,变成在高回转领域能够发挥压倒性的马力,但低回转领域却几乎无法产生扭力。


  • 组合式气埠(combination port)

结合了侧置气埠和外环气埠的调校手法。采用序列式控制,让低转速领域当中只有侧置气埠作动,而高转速当中只有外环气埠会运作,兼具了双发的优点。






调校驱动系统

驱动系统负责将引擎效能转化为速度。除了必须具备良好的效率,将马力尽可能原封不动地传导至路面,害的要具备能够确实承受高功率的强度。


终传齿轮比

想要将引擎动力按照重视速度、或重视加速的需求加以分配,可以通过改变终传齿轮的齿轮比来进行,亦即改变动力系统的终传比。特别是针对终传比进行低速档化,将可以更容易地引出拥有高转速、高马力效能的极端引擎特性,并可显著提升加速性能。


引导出引擎的性能。

  • 高速档化(high geared)

这种手法可以提升在低引擎转速下的车速,因此在重视极速的情况下较为有利。另外,对于降低燃耗也很有效果。然而反过来说,想要提升引擎转速取得马力或扭力带时,将会产生时间延迟,所以不可否认地在加速上确实较为缓慢。在出了狭窄弯道后重新加速之类的情况下,将会因不易引出有效的马力与扭力,导致难以获得充分的加速力。

  • 低速档化(low geared)

这种手法即使在3速和4速这类较高的档位下仍能轻易保持高转速,所以虽然会牺牲极速,但却能有效地引导出马力和扭力、提升加速性能。而在过弯时也能充分发挥引擎性能,使车子能在出弯时重新加速,因此十分适合用在以狭窄弯道为主的技术赛道。不过,随着引擎对油门操作的加速反应更加灵敏,必须留意转速提升过快的情况。




变速齿轮比

一般而言,针对变速器所做的调校,主要指的是将齿轮进行密齿比化(让相邻齿轮的比率更为接近),方能够比较容易地维持有效的马力带。这样做虽然能大幅提升加速性能,但根据与终传齿轮之间的搭配方式的不同,可能容易发生转速过快、需要频繁地换挡的情况。


  • 密齿轮比(close ratio)

调校手排变速器的各齿轮比,使其具有相近比率后,这样的变速器通常就称为横向变速器。当比率愈接近时,在切入高档次时引擎转速下降幅度愈少,可以更有效率地引出马力。用此方法再搭配高角度凸轮轴的助力下,可以说是特别适合用在马力带狭窄的自然进气引擎的此轮配置。通常要采用此方法时,会顺应赛道结构等情况,搭配终传比一起进行设定。

  • 疏齿轮比(wige ratio)

和高速档化一样,一般市售车款重视降低燃耗,因此会为了抑制转速而刻意地将各档齿轮比设定得比较大。在如此设定下,即便是切入高档位,引擎马力却仍旧只能和缓地传导至地面,也等于是牺牲了车辆的加速性能。不过,通常不会将1到5档,甚至包括6档在内的所有档位都改为疏齿轮比设定。比较常见的做法是将用于起步、加速的1、2档设定为密齿轮比,在3档以上设定为远齿轮比,再顺应引擎特性和赛道配置,来选择搭配较密或较疏的此轮比率设定。




离合器

减少驱动力损失,提高引擎反应速度。

想要将调校过后所增加的马力,尽可能地在未经损失的情况下传导给变速器,并确实执行换挡,则必须要补强离合器。离合器只要稍微打滑,便会导致车辆的加速性能下降。因此,合理的做法是配合马力/扭力提升的比率,提高离合器片的摩擦力与离合器压板的压著力。


  • 离合器片与离合器压板(disc cover)

要想补强离合器,最传统的做法是将离合器片与离合器更换成强化过的款式。通过提高离合器片的摩擦力和离合器压板的压著力,可以更确实地将引擎马力传导给变速器。这些是引擎马力提升过后必备的零件,在家时跑车等严苛的离合器操作条件下,也不会产生反应变慢的情况。另外,离合器片目前以摩擦系数高,耐磨损性优异的金属制碟片为主流。


  • 多片式离合器(multi plate)

相对于一般的离合器采单片式,补强过的离合器大多配有复数碟片,以扩大摩擦面积与加大压著力,来提升引擎马力的传导效率。多片式离合器从双片式到四片式都有,而增加的摩擦力大小与碟片数量成正比,摩擦力愈大便适用于马力愈高的引擎。此举虽然会提升动力系统的反应速度和耐久性,但在操作上却会产生缺点。如需更重的踏力,以及更细微的离合器接合动作等。




飞轮和传动轴

想要提升引擎提高回转的速度、反应速度以及加速性能,将驱动系统加以轻量化可以带来相当大的效果。然而极度轻量化的飞轮,在爬坡时将难以产生足够的扭力,因此为了补强该特性,需要特别加以调校。


  • 轻量化飞轮(lightweight flywheel)

装置在曲轴后端(离合器前方)的滑车称为飞轮,主要用途在于抑制引擎回转的落差。飞轮重量越重,回转起来越顺畅。然而飞轮的种类却会对追求速度方面带来负面影响,因此加以轻量化才是理想做法。虽然如此一来会让飞轮回转的顺畅度受到影响,也会使引擎扭力减少,但相对的却能使得转速提升速度和引擎反应更加敏锐。

  • 领量化传动轴(lightweight propeller shaft)

介于变速器和差速齿轮之间,传导引擎马力的传动轴在经过轻量化之后,也能带来提升引擎反应速度和加速性能的好处。轻量化传动轴的材质主要为碳纤维和强化塑胶(FRP),重量约只有一般款式的一般。减轻重量固然重要,不过是否保持正确的回转平衡则同样不容忽视。




限滑差速器

将动力确实地传导至路面。

想要追求快速过弯的目的,绝对少不了能将引擎马力确实传达给路面的限滑差速器(LSD)。而在各类限滑差速器当中,能够发挥最大差速限制能力的,是利用多片式离合器产生压著力的机械式限滑差速器。这种限滑差速器最大的优点,在于能够自由设定开始生效、乃至生效为止的引擎反应速度。换言之,它能够配合驱动系统配置等车辆特性,驾驶风格与赛道配置,取得最适切的驱动力。然而,在发挥极大的差速限制力的同时,对于内部零件的负担也会增加,所以更要确实做好更换机油、全面检修等定期保养措施。


  • 锁定比(lock ratio)

锁定比是用来显示LSD功效的数值。0%时为使用一般差速齿轮时的状况,而100%则表示差速器锁死。此数值越高,表示差速限制力越大。但一般来说并不是锁定比愈高愈好,理想值和驱动方式、车高和轮距等,都有很大的关联性,也会因为希望将车子调教成何种特性而有所不同。如果锁定比设定超出了理想值,则会在入弯初期呈现强烈的转向不足特性,并显著地影响过弯性能。一般来说,车辆在锁定比设定为约50%左右的情况下最容易操控,同时也能得到充分的差速限制效果,不过,仍有必要通过反复的测试,从错误中找出最合适的数值。


  • 介入扭力(initial torque)

介入扭力指的是差速齿轮箱内部压制碟片的压力。提高或降低此压力,可以变更LSD达到锁死前的时间。提高介入扭力,可以让对油门操作的反应速度变快,转瞬间便能使LSD锁死;降低介入扭力,则能使LSD平缓地达到锁死,乘驾感较为舒适。在调校汽车性能的过程当中,提高扭力是基本需求。不过,若因此而使得转向性降低、或在FF式驱动车种中造成扭力转向增强等缺点,也同样不容忽视。附带一提,近来在低扭力领域当中,能够发挥极高差速限制效果的车种,有愈渐增加的趋势。


机械式LSD的种类

  • 1WAY
    只有在踩踏油门时运作的LSD。由于不会在放开油门时运作,所以可以运用一般差速齿轮所具备的内轮差修正功能,更加顺畅地攻略弯道。这种LSD特别适合用在转向不足现象较强的FF式驱动车种上,不过会使得册子在踩踏/放开油门的情况下动态出现显著差异。

  • 2WAY
    在踩踏/放开油门两种情况下都会生效的LSD。在初期会发生较强的转向不足现象,不过,由于在减速时能够确保车身动态稳定,让人可以放心地攻略弯道。引擎反应速度也极为优异,让驾驶员可以积极地踩踏油门过弯。

  • 1.5WAY
    具有1WAY和2WAY双方特性的LSD。除了能够保持在加速方向的LSD效果,也能抑制LSD在减速方向的效果,同事也考虑到了在攻略弯道途中转向的容易性。可称得上是不会让驾驶人感受到车子的特殊习性,且能够应付各种状况的LSD。






为车瘦身

轻巧、高刚性的车身,是高速奔驰的基本要件。无论提升了多少引擎马力,若搭配的是笨重脆弱的车身,还是难以发挥速度。


高刚性/轻量化

为了将车子的运动性能提升至极限,无可避免地一定得对车身做轻量化以及高刚性化的调校。车身轻量化不仅对提升加速性能而言十分重要,也对改善刹车和过弯性能有很大的影响。另外,为了确保悬吊在高负荷状态下能够正确运作,同时兼顾轮胎的接地性,高刚性化同样是不可或缺的步骤。为了让驾驶员能够瞬间掌握车辆动态,采取正确的操作,也绝对需要一具不易变形的坚固车身。附带一提,在路面阻力系数极低,且有著来自纵横两方向的强力G力的纽堡林赛道,若尘神未具备坚实刚性,很可能连一圈都没办法顺利跑完。


  • 拉杆(tower bar)

连接悬吊和车体相连部位(轮胎室上端)左右两侧的长棒叫做拉杆。车子装上拉杆之后,将能提升车身前部的刚性,并使悬吊能够正确运作。对于方向盘操作的反应也会更加锐利。基本上,拉杆应该在针对减震筒、弹簧、襯套等悬吊系统进行调校时一并装上。一般来说,拉杆通常只装在车身前方,不过若只考量到提升刚度的需求,最理想的做法是在车身前后都装上拉杆。


  • 点焊(spot welding)

车身是用冲压过的金属板件接合起来所制成的。在所有接合手法中,最具代表性的就是每个固定的间隔设一个点建议焊接,称之为点焊。不过,由于市售车种为了讲求生产效率,必须尽可能减少焊接部位,所以容造成车体刚性不足的问题,因此,增加焊接部位的强化手法,就称为增加焊点。这能让车身板件间的接合部位更加坚固,可望大幅提升车体刚性,此外,由于不用增加新的零件即可执行,所以也不需要担心会导致车身变重。


获得正确的操纵性。

  • 防滚笼(roll cage)

防滚笼原本的功用在于保护驾驶员不受变形的车身伤害,但在提高车身刚性时,它也能发挥很大的效果。不过先决条件时这款防滚笼和车顶与车柱之间必须毫无缝隙,稳固且确实地焊接在车身上的设计,而不是只通过螺丝固定的款式。另外,若能尽可能增加支撑点,并架设成有如立体攀爬架的状态,则可提升更多的刚性。


  • 底架(member brace)

底架是看完去和变形的金属制长棒,在强化车舱地板下部刚性的同时,也能通过连接车身底座,限制悬索的多余动态,已完全发挥悬吊的性能。换句话说,就像拉杆从引擎盖内部支撑悬吊和车身一样,底架则是从车身下部支撑着。和栏杆并用不仅效果更佳,还能进一步地提升车身动态的稳定性。


  • 轻量化(lightweighting)

想要提升车子的加速/减速/转向等所有行驶性能,最有效的调校手法莫过于减轻车体重量。在做法上,依照轻量化程度的不同,从最基本的省略空调等行车舒适设备和隔音材质,乃至于将车身板件换成轻质量的铝制或碳纤维制材质都有。或者更讲究一点,还得将车殻本身改为碳纤维材质,并把车架换成铝制。不过,为了在保持均衡的状况下提升行驶性能,轻量化与高刚性化因该要同时进行。另外,若能一并考虑重心高度(低重心),并主要针对车体的上部进行轻量化,效果会较为显著,效率也跟高。






增强制动力

调校刹车应该和提升马力同步进行考量。唯有具备足够的制动力,驾驶员才能放心踩油门。调校刹车时不仅得要强化制动力,对于热能也要有万全之策。


强化制动力/耐过温衰退性

一辆调校过引擎、提升了绝对速度的车子,相对的也会需要更强大的制动力,以及更高的耐过温衰退性能。最基本的做法是更换来令片,而若要追求极致,则得将整套刹车系统换成大排气量赛车专用的套件。根据调校的需求层级不同,有许多的手法可供选择。不过,即使是赛车用的零件,也未必在各种用途上都能发挥完备的性能,还是应该要按照使用目的来选择零件。一味地加大刹车碟和卡钳的尺寸,可是会增加簧下重量,妨碍车辆运动性能。虽说刹车性能的铁则是必须高于引擎马力,但若因此就在轻量级的车种上装置大容量的系统,则明显大材小用了,极有可能会破坏车辆行驶时的整体平衡。


  • 来令(pad)

刹车来令是在强化刹车时最基本的零件,会大幅影响制动力与耐过温衰退性。来令种类繁多,从街道用到竞赛用都有,然而在如此多样化的选择当中,适温(能够发挥最大制动力的温度)和耐热温度都各有不同,如果不能按照使用目前的选择最合适的种类,则很有可能效果不如预期,甚至对行驶造成不良影响。当然,跟一般的来令片比起来,特殊的来令片磨损较快,对刹车碟的伤害性也较高,为了确保制动力的平衡,通常会前后一起更换。

  • 刹车油(fluid)

用在油压式刹车当中的作用油。为防止气阻现象,竞赛用的刹车油沸点必须在200度以上,但如此一来却也会使得吸湿性极高而容易裂化。
刹车油的DOT级数越高,沸点也就越高,干同事也更容易因吸收湿气而裂化(沸点下降)。因此,竞赛专用的DOT5刹车油,在使用时必须以很短的周期频繁更换。需要特别留意的是,DOT值越大,并不表示制动力本身也跟着提升。


提升刹车的整体性能。

  • 刹车油管(hoos)

刹车油管是刹车油的通道,一般为橡胶材质。因此在紧急刹车等油压升高的状况下,刹车油管将会膨胀,使得刹车踏感变得暧昧不扎实。能够排除这种现象的便是称为不锈钢網的刹车油管。这种刹车油管当中在铁氟龙油管外部披上网状的不锈钢,使其在保有和橡胶同等的柔软性之下,又能防止膨胀。这在竞赛用车种当中是必备的补强零件,并能经常维持直接而正确的刹车踏感。


  • 刹车碟盘

在提高制动力的手法当中,最有效的的便是提升刹车面积,也就是加大碟盘直径以产生更大的摩擦热。然而,换用铸铁制的大直径刹车碟盘同事却会使得簧下重量增加,降低车子的行驶性能。因此,最近市面上开始出现以陶瓷或碳纤维为主要材质的轻量化刹车碟。刹车碟盘是随着使用逐渐磨损的耗材,想要得到应有的制动力,就得定期更换或者研磨。


  • 刹车卡钳(caliper)

对刹车卡钳本身进行的调校手法之一,是干脆升级整个刹车系统。一般而言是将卡钳更换成能够将两侧来令片推夹刹车碟的对向活塞式设计,让刹车来令能够确实紧压刹车碟。而从许多市场车款也采用6活塞式刹车来看,课件活塞数目愈多,愈有助于同一队来令表面施加的压力,达到提升制动力的效果。另外,在对向活塞式刹车系统中,刹车卡钳本体可采一体成型,固定在车体上无需移动,这种配置当中刹车卡钳的刚性高,即使在严苛的使用条件下也能发挥稳定的刹车性能。






补强车底结构

补强车底结构是重要的调校工程,可以在严苛的行驶条件下稳定车辆的动态,带来正确的操控性。这道步骤的效果足以使得车辆特性大幅转变。


变更驾驶特性

在竞赛行驶目的下对悬吊所做的调校,通常意味着为追求速度而牺牲部分乘驾的舒适感。如果只会跑在像赛车跑道那种平坦的路面上,那么车高愈地,将使重心下降,车辆的动态便会愈安定。而悬吊越硬,就越能减少加速、减速、与转向时不必要的动态,让操控性更锐利。当然,实际上若悬吊完全不发挥功用,则重心便不会移动,让车辆的操控性变得极为糟糕,因此,在调硬悬吊阻尼时,应确保在能够运用重心移动的范围之内,并考量前后左右的均衡才是上策。随着车辆特性和路面状况不同,有时为了提升轮胎的抓地力,会刻意地调软悬吊。


  • 弹簧(spring)

除了最基本的利用重心化来提高运行性能之外,同时是抑制过弯时的车身晃动、起步/加速时的后沉现象等,用以稳定车辆动态上所不可或缺的零件。


  • 车高可调试悬吊(height adjust suspension)

拥有了可任意伸缩弹簧长度的车高调整功能,有些还同时具备可调整阻尼衰减的减震筒。各两件搭配的方式种类繁多,可以因应行驶情境做出细微的调整。调整车高的方式则可分为螺丝式、C环式、托架式等。


  • 减震筒(damper)

通过赋予比一般减震筒更大的阻尼硬度,以确保在承受巨大负荷的高速行驶状况下,仍能维持车辆动态的稳定性,并提高操控性。更换与调校减震筒应该要与弹簧同时进行。


随心所以掌握操纵性能。

  • 平衡杆(stabilizer)

通过调高比例,可以进一步提升平衡杆原本具备在过弯时抑制车身晃动的效果。若仅调高前方的比例,则可以使车子呈现出转向不足的特性,仅调高后方的比例,则会呈现出转向过度的特性。


  • 悬吊襯套(bush)

通过强化装在避震装置和悬吊环等零件与车身相连处、以及各连杆的连接部位的缓冲材质(襯套),可以抑制悬吊的多余动态,给予驾驶员直线性的操盘反应与操控性。悬吊襯套的材质以橡胶或聚氨脂等树脂类为主,也有在可活动部位使用金属球(一般称为鱼眼)的种类。






轮胎的高性能化

高性能轮胎的抓地力虽高,但是超出极限时却也极难控制,可说是有利有弊。因此在选择轮胎时,必须审慎考虑车子特性和动力间的平衡。


  • 胎面加宽(width up)

加大胎面宽度能增加接地面积,则抓地性能自然会提升。不过轮胎的抓地力不仅来自于和地面的摩擦,同时也会因为轮胎的负重而大幅变化。例如,在车重较轻的车子上装上胎面极宽的轮胎时,因对轮胎施加的负重不足而导致无法获得高抓地力,也不是什么稀奇的事。而若是在马力不足的车种上装上尺寸过大的轮胎时,常会因轮胎的抓地力吃掉马力,反而使得车速变慢。因此,配合车重与引擎马力选择适当的轮胎相当重要。




提升抓地力/轮胎刚性

高性能轮胎的要件是抓地力与刚性。将这两项条件追求到极致的境界的,是竞赛专用的光滑胎。这种轮胎的接地面胶料会因为摩擦热而融化,让车胎与路面紧密接触,而为了确保地面的刚性,这种轮胎上没有任何胎纹。这样的作法同样可以套用在公路胎上,凡是强调高性能的轮胎,无一例外会选用软质的胎面胶料,并且具备满较浅的粗胎纹。不过,为了确保在湿滑路面上的排水功能,胎面上势必还是得保留胎纹,且胎纹愈多、愈深,排水功能愈强。对轮胎而言,行驶性能和应付湿滑路面的性能时两种相斥的性能,如果将其中的平衡调整到极致境界也是一大学问。


紧紧地抓住地面。


  • 升级轮圈尺寸(inch up)

所谓inch up,指藉由降低轮胎的扁平率(轮胎宽度相对于高度所占百分比),而在不需要变更轮胎外径的前提下,加大轮圈尺寸的手法,但这种手法未必等同于加宽轮胎宽度。主要的有点事当胎肩宽度(高度)变窄时,会减轻轮胎的过弯或刹车时的横向变形程度。这也可说是藉由提升刚性来改善操作方向盘的反应速度与操纵性。然而,极端的inch up将会因轮圈尺寸加大,导致簧下重量增加而显著折损运动性能。附带一提,竞赛用车种当中,inch up本来不低在于藉由扩大轮圈直径,以装载更大容量的刹车系统。


  • 胎面胶料(compound)

用在轮胎接地部位的橡胶材质称为胎面胶料,对于轮胎抓地力有决定性的影响力。重视抓地力的高性能轮胎会使用容易紧贴于路面的软质胶料,特别是赛车胎的表面会因为与路面抹茶生热而融化,利用融化后的黏性牢牢地抓住地面。然而软质胶料虽然能够产生极高的抓地力,但相对地磨损也快。硬质胶料则具有完全相反的特性。选择轮胎时,应该对此基本特性有充分认识。另外,轮胎会随着时间经过而硬化,使得抓地力从全新品的状态开始逐渐劣化。越是软质的胎面胶料,这样的倾向越明显。


  • 胎纹(groove)

刻在轮胎接地面上的满槽称为胎纹,具有在潮湿路面上排水,以保持接地面与路面间的抓地力的功能。另一方面,在干燥路面上进行过弯、刹车或加速等增加轮胎超负荷的动作时,胎纹只会带来使轮胎横向变形等坏处而已。最明显地说明了此一事实的,是赛道用的光滑胎上完全没有任何胎纹。而在试车会与假日车赛中使用的准赛车胎上,为了确保接地面的刚性,仅在胎面上刻上浅浅的、最低限度的胎纹。






提升空气性能

为了提升高速领域的行驶性能,空气调校不可或缺。反过来说,如果这方面的调校稍有失误,则只会带来不好的影响。想要得到预期的效果,调校必须及其精密。

化解风阻并加以活用。


空力调校

一般而言,安装空力套件大多是为了装饰目的。不过对正式地进行大幅调校的车而言,这道步骤发挥了非常重要的功能。空力调校的主要目的是降低在高速领域使车速变慢的风阻、抑制让车身浮起的升力,以提高行驶性能。其中,安装空力套件后产生将车体向下压的作用力(下压力),是提高车身动作稳定性、强化轮胎抓地力时不可或缺的力量,对于提升操纵性有很大的贡献。不过,进行空力调校时,必须注意与包含悬吊在内的车辆整体之间的平衡性,若空力调校不当,往往反而使得行驶性能恶化。


  • 前扰流器(front spoiler)

加装前扰流器的目的在于抑制流入车身下方的空气,以降低升力。不过,在一些稀有的案例当中,帮车子装上外型未充分改装的空力套件,又将是离地高度降低以放低重心之后,加压过的气流不断流入空间变窄的车身下方,反而在车身前方产生升力,造成和原本预期的完全相反的效果。这在最糟糕的情况下,甚至会让车子失去控制。


  • 后扰流器(rear spoiler)

这种空力套件的功用在于优化后保险杠的形状,以抑制车身后方产生的涡流,引导气流更顺畅地通过车身。有的后扰流器和后保险杠一体成型,也有一部分装设在保险杠下方。一般而言前者称为后保险杠扰流器(rear bumper spoiler),后者则称为下扰流器(under spoiler)后裙(rear skirt)


  • 尾翼(rear wing spoiler)

装置在车身后方上部,除了具有引导气流顺畅地通过车身的整流效果,还能抑制产生于车身后方的涡流。扰流尾翼的形状和能够产生升力的飞机主翼恰恰相反,因此尺寸越大,能够产生越大的下压力,并可借此提高后胎的抓地力。


  • 侧扰流器(side spoiler)

也称做侧扰流裙(side skirt)侧扰流梯(side step),装置在车身两侧下方(侧油封附近),具有减低车体两侧风阻的效果。


  • 扰流尾翼(rear diffuser)

这种整流板的作用是有效率地将车身下方的气流自后保险杠下导出,以产生负压进而获得下压力。扰流尾翼是赛车必备的零件,车身下方和路面间的间隔越窄,则效果越显著。






根据汽车特性改变设定

改装一辆汽车必须根据车辆本身的特性来进行合适的设定与调校。每一辆车不同之处、驱动方式可能对于操控与车辆动态造成最大的影响,在改装前了解不同驱动方式的差异是相当重要的。


驱动方式

车辆的驱动方式,指的是引擎位置——整车最重的地方,以及连接驱动轮的部分。不同的驱动方式拥有不同的优点与缺点,即使在高度改装的性能车上,操控特性与车身反应都无法不受到驱动方式的影响。改变车辆的驱动方式相当困难,但依旧可能藉由结构变动与调校,来改善驱动方式先天上的差异。最佳的改装与调校,就是要能在既有的驱动方式、悬吊、空力效应方面,提供比量产车更为优异的特性。


  • FR前置引擎后轮驱动

假设车辆的配重均衡的话,一辆FR(前置后驱)的汽车,可以提供顶尖的弯道表现与稳定性。如果想要提高车速,提升后轮循跡性,让车辆在加速过程中不发生后轮偏移的情况也是一种方法。另外针对非驱动轮的前轮,可以调整为转向不足的特性,有助于让整体转向特性趋于均衡,这尤其在车辆减速时可以让驾驶人更容易控制方向。


  • FF前置引擎前轮驱动

在一辆FF前置引擎前轮驱动的汽车上,尽管转向与驱动轮均在前轮,但也不能完全忘记后轮的反应。。在高速赛道的情况下,后轮需要更高的稳定性,降低在极端的情况下,后轮因为重量较低而产生偏移的几率,而车辆的调校必须让驾驶人松开油门后,让后轮回到可控制的反应范围内,并且协助前轮望准确的转向方向去,FF前置引擎前轮驱动车,可利用单向限制差速器,并且仅与车辆加速时作动提升车辆循跡性。


  • MR中置引擎后轮驱动

让引擎位于车辆的中心,可以提供车辆优异的加速与减速性能。但是在经过调校的情况下,若车头的负载较轻也可能让车辆出现转向不足的状况,车身后半部的偏移速度也会较快。所以当进行改装时,重点应该放在车辆入弯时容易操作的特性,之后才是车辆出弯时的循跡性,此外车辆的前方与后方的下压力也应该注意平衡。


  • RR后置引擎后轮驱动

将引擎放置在后轮上,并且采用后轮来驱动,这样的驱动方式,基本上会让车头更轻也可能出现明显的转向不足,但若在弯道操控时逼近极限,车尾可能出现钟摆效应,进而使整车出现瞬间转向过度的情况,通常改善的方式,是提升对于入弯时的控制能力,让车辆的转向趋于中性。


  • 4WD四轮驱动

在各种不同的四轮驱动方式上,可能让车辆出现的过弯特性截然不同,但一般而言,让一辆车四轮驱动转弯更不容易,所以在设定方面往往都将焦点放在入弯控制的能力,通常会在前轴采用单向限滑差速器,并且在后轮导入双向限滑差速器,来解决先天上的问题。






逐项基本设定

仅单纯地装置高性能组件,并无法让车变快,性能设定必须考虑到整车的均衡性表现,这样才能够发挥车辆各部分性能提升后的潜力。


悬吊


车辆高度/弹簧系数

改变车身反应。


假设路况够好,车辆的重心降低,将让整车的稳定性明显提升,这会降低车辆加速或减速时的车身俯仰程度,藉由改变悬吊行程的长度,影响前后轮的高度,也会影响到提升整体性能。
举例来说,若让前悬吊明显低于后悬吊,弯道上产生的进入制动会令前轮贴紧路面,使进弯的动作更顺畅。在FF前置引擎前轮驱动汽车上,可藉由提升加速来抑制车头俯仰程度,来改变车辆入弯的特性。

弹簧系数同样对于车辆的反应影响甚大,理论上悬吊设定更硬会提升过弯性能,但也不永远总是这样。较硬的悬吊可以让车辆在入弯时降低车头俯仰的幅度与车身的晃动,但是若降低悬吊高度太多,也可能会影响到车辆入弯时接触地面的面积与悬吊几何,结果影响到车辆的循跡状况,所以弹簧系数适当与否对于车辆入弯或出弯的表现影响甚大。
弹簧系数也将对操控表现影响极大,提升弹簧系数可能导致转向不足,而且也可能提升后轮转向过度的几率,有时藉由调整阻尼系数,也可以补偿原有的特性。




阻尼系数

控制弹簧的压缩比。


若增加负载的压力,避震器会控制悬吊弹簧扩张,而执行这项任务的应力,便被称为阻尼系数,通常这股力量减震筒内所封存的气体压力进行活塞运动来决定,阻尼系数愈高,表示弹簧的活动速度反应会变快,若被压缩地位置愈地,或是活动行程加长,避震器的反应会较为和缓。
阻尼系数的设定独立施力,让车身反应与操控更精确,假设阻尼系数利用弹簧压缩,也会影响悬吊系统的反应时间、车身晃动与俯仰角度,也可以让车轮尽速脱离不均衡的状态,另外一方面,提升阻尼系数,也可以降低前悬吊在短时间内的反应幅度,维持车轮与地面的接触面积。

操控特性同样也可藉由改变阻尼系数的压缩或延伸还加以改变,也可以影响前后轮的反应状况,若藉由减少对前悬吊的压缩来改变阻尼系数,车辆大部分的重量将向前移,导致转向不足。
降低后轴弹簧反应的阻尼系数改变,则可能让车身重心后移,提升转向过度的几率,这必须藉由事先的调校与设定才能改变车身的反应。




轮胎定位/外倾角

最普遍的轮胎定位设置,就是轮胎外倾角的调整,负外倾角所指的是胎面与地面接触的面积,大于轮胎上半部;而正外倾角的状况正好相反,主要是轮胎轴心与铅直中央夹角向轮胎外侧扩大。

当车辆转弯时,离心力会导致车辆往弯道的外侧倾斜,假设在车辆转弯时出现负外倾角,表示转弯时轮胎胎面与地面接触面积较大,也代表可以提供较佳循跡表现,所以一般来说提升外倾角,指的就是造成负外倾角效应。
然而,负外倾角在车辆直线行进时还是有缺点,由于直进时轮胎并未与地面保持垂直,所以可能会造成车轮在此时接地面积比转弯时小,也代表影响到循跡表现,进而对操控产生不利的影响,同时行进时轮胎的滚动阻抗会予以提升,直接影响到车辆的加速性表现,更甚者会让同样的速度情况下,车辆需要更长的距离与更强大的制动力才能刹车,进行极端的调整前要注意上列的利与弊。

当采用负外倾角定位时,最重要的就是考量到车身前后配重,对于弯道操控与车身反应造成的影响,若车头负载较重,前轮负外倾角应该要增加,而且后轮外倾角则应该减少,这样可以降低转向不足的风险。

正外倾角几乎很少用到,因为会降低轮胎的抓地力,而且会容易让车身反应过于灵敏。




轮胎定位/束角

束角主要是当由上俯视轮胎时,与车辆前进方向之间所产生的夹角,束角的重要性,在于其在维持车辆稳定性方面,扮演十分吃重的角色,而且在轮胎左右对调时也将产生戏剧性的影响。

当内束角时,代表着由上方俯视车轮,车辆的方向呈现八字的状态,反之亦然,当前后轮均设定为内束角时,代表着会在转弯时造成较为明显的转向不足状态,若后轮为外束角时,代表着前轮呈现内八、后轮呈现外八字的状态,这时候则较为容易造成转向过度。
束角的状态与轴距、轮距、外倾角以及动力输出等因素都有关联,其中一个因素变化,都可能导致束角产生的差距,将对于车辆在过弯状态下的转向特性产生改变,所以也影响驾驶人在弯道操控的掌握程度,通常在轮胎定位时会先调整或校正正前束角,之后才决定后束角的修正状况。




平衡杆/增加刚性

平衡杆的本身就是拖拽臂结构中,连结下控制臂与左右两侧悬吊机构的部分。
拖拽臂本身是运用扭曲力道所造成的阻力来运作的金属杆,主要作用为降低车身晃动状态,让轮胎的胎面可以保持与路面接触面积较大的相对稳定状态,并且提升车身抗扭曲性表现,而平衡杠同样也具备安定车身反应的功能。

当调整平衡杆系数时,别让弹簧系数高于悬吊的弹性系数相对来说十分重要。
假如平衡杆强度愈高,悬吊弹簧会因此无法应付其所需要处理的状态,会让重量所产生的应力向轮胎外侧方向移动,导致内侧的悬吊组件举起平衡杆而丧失循跡性。
这当然可能在调校前后平衡杆时繁盛,但这些调整方式主要是藉由调整悬吊的弹簧系数或是阻尼系数来大城其目标,提升平衡杆的刚性当然也可能达到同样的效果,但相对来说这一部分的调校,应该是完成其他部分的调整之后,才需要在最后检视时处理的程序。




驱动系统(限滑差速器)

初期的扭力输出,决定了限滑差速器的介入的时机,若扭力输出较大,限滑差速器就愈容易做动,而且也让弯道加速过程更容易进行,反之,扭力输出较低,限滑差速器就较不容易作动与介入。

一般而言,提升初步扭力输出能强化车辆驱动配置的特征,然而过度转向在这样的处理方式下,却更容易在高速过弯时产生,而且前轮也可能因为驱动轮扭力输出过大,而产生较为明显的转向不足现象。
所以初步扭力输出比例的调整,将可能影响到驾驶人希望车辆对于弯道反应的速度与幅度。

另一种调整,也可以藉由限滑差速器介入的时机与力道,来调整加速或减速时的扭力输出力道,加速设定将使得加速器与动作过程中反应更为强烈,而且驱动系统也会传送更多引擎输出的力道至驱动轮,这可以让入弯时驱动轮藉由取得更多的扭力,更容易入弯而达成提升过弯速度的能力。
然而,这也可能影响到驾驶人的弯道操控乐趣,因为让车辆更容易克服弯道,而降低驾驶技术对于训练弯道过弯的能力。

减速过程中对于限滑差速器的设定,也将影响到弯道中减速之后车辆的反应。限滑差速器在减速过程中作动的反应提升,将可能增加弯道减速过程中刹车系统的作用力,这可能让驾驶人在入弯时用更快的速度进入弯道,因为驾驶人可以在任何情况下对于刹车力道有更高程度的掌握,然而此设定会使过弯难度提升,虽然是适用于驾驶技术较优异之职业或半专业驾驶者,但也是解决初期转向不足的必备技术。




驱动配置(齿轮比)

  • 利用密齿比维持动力输出

为了应付各种赛道状况,由于蜿蜒的赛道具备更多的弯道,也充满各种加速直线道,为了让爱车引擎可以在这样复杂状况下适应反应,改变动力系统输出的比例便显得相当重要。这通常包括改变变速系统的终传比齿轮比

当驾驶在较高比例的低速加速道与弯道上时,驾驶人的焦点将放在提升出弯速度,而非提升整体行车速度。变速系统在这种情况下,必须持续地在各档位、各种速度下维持相近的齿轮比,让驾驶人可以随时掌握动力系统较高的扭力输出状态,这样的设定就被称为密齿比
另一方面,若是驾驶在直线加速道比例较高的赛道上,就需要针对五档或六档来提升高速反应,即所谓较疏的齿轮比设定。

最高档位的齿轮比会决定变速系统的做动方式,假设最高档位齿轮比被提升,这将提升车辆的最终速度时所具备的加速力道,当开始调整齿比时,应该调整的是最高档位的终传比,这样才能让车辆在直线加速道时,于最高档位获得较高比例的动力输出以提升最终速度。




空力效应(下压力)

  • 提升高速反应

当实行高速驾驶时,驾驶不可忽视气流对于车身产生的影响程度,空力效应主要对于车身造成二种影响:空气阻力将限制车辆的速度另外也可能在高速时抬升车身,进而影响到车辆行驶的速度。所以维持空力效应的均衡,将让车辆在高速行驶时更为顺利而且稳定。

此外,在高速行驶时所谓的下压力,也对于车辆行驶的稳定性造成相当重要的影响。下压力提升可以让车辆在高速行驶的情况下,提升车轮与地面接触的面积,也有利于提升车辆各轮的循跡性与稳定性。
尽管下压力可能压制最终速度,但是在高速过弯时却有助提升车辆的动态稳定性,所以减少下压力,会降低车辆过弯的速度,但却可以容许车辆在直线高速道时维持较快的车速。
下压力也可能受到赛道路线形状的影响,但若出现在起步时却不见得有利于车辆加速。最理想的状态,是提供车辆在不同的行驶状态下可以提供当时最适切的下压气流力道,在小排量动力的车辆上,通常藉由降低下压力来提升最终速度。

利用车身前后不同的下压力改变,可以用来提升车辆高速过弯时的操控表现,提升车身前端的下压力将增加车轮的抓地力,并且提升转向过度特性,相反地增加车身后半部的下压力,将较容易导致转向不足。各种不同的调整,将让车辆在高速赛道中拥有不同的反应特性。






依照目的状况进行设定

针对特性的赛道或路况进行跳帧,其实是为了替身整体驾驶技巧,以及对于车辆各种状况下反应的掌握。反应速度较快的悬吊与驱动模式,将可以让车辆在赛道上产生令人难以想象的改变。


高速赛道

  • 提升极速

在高速赛道上,理想的车辆设定,将让赛车可以在高速弯道中维持较高的行驶速度。悬吊系统避震器必须较为强固,而且保持车身高度较低。然而,若车身高度太低,则也会影响到悬吊弹簧的作动效率,悬吊系统会难以吸收车轮与地面接触所传处的震动,减低悬吊系统原本带给车辆的优点。

若使用较为硬的悬吊设定,降低防倾杆的刚性表现,将会让轮胎因为车身小幅度的滚动效应而提升抓地力,但另外一方面,若使用较软的悬吊设定,在崎岖不平的路面上,悬吊系统与避震器也会有较大的作来吸收来自路面的震动,这是因为平衡杆可以补偿悬吊系统弹簧能力的不足。当然,轮胎定位也十分重要,提升后轮的束角,也是提升车身稳定性的方法。当驾驶在高速赛道上,降低车辆在全力刹车时对于悬吊系统与避震器的负担,却也同样重要,因为这样可以维持车辆的反应与结构耐久程度。
至于变速系统的齿轮比,其调校也是为了同样的目的:维持车辆动力系统,在较宽阔的高扭力输出范围,以提供随时都可以拥有强大的加速力道,藉由调整最终传比的设定,也可以让车辆及时在最高档位具备较强的扭力输出表现,当然提升下压力,也可以提升车辆在高速行驶时的稳定性,进而在高速赛道上追求更高的行驶速度,但必须避免在弯道与刹车时丧失稳定性。


  • 建议悬吊设定
    依照车辆特性不同亦有可能有所差异。




技术赛道

  • 让动力更有效率地传达至路面

所谓技术型赛道,通常代表着赛道上不满高难度的玩到,所以调校的目标将是让车身反应更为灵敏,而且让车辆在弯道时因为传输所丧失的动力比例降到最低,首先针对赛道状况设定适当的车身高度相当重要,当然也必须维持最佳的贴地性,但同时又必须考量悬吊系统与避震器,可以在任何状况下动作良好。

在这样的情况下,若是后轮驱动车辆,建议前轮弹簧应该调软,后轴弹簧应该调硬,以提升车辆过弯性能,另外在轮胎定位的部分,前路你应该增加束角角度,这样可以提升驾驶掌握车辆入弯时的反应,但也必须注意到车辆在过顶点后出弯的车身反应,负外倾角也可以适当地运用,但也同时必须考量到弯道行车与刹车时车辆的循跡性。
变速系统应该提供较为紧密的齿轮比,让车辆随时可以维持较高的扭力输出,而且终传比例应该调低。
若引擎调校的宜,那应该维持各种转速领域下可以输出的最大扭力,以便于车辆在各种状况下都可以获得最大的加速力道,空力效应中的下压力,作用于前后轴都应该维持在较强大的状况,已提供车辆在连续过弯之后拥有较佳的稳定性。


  • 建议悬吊设定




转向不足之对策

  • 了解为何车辆无法转弯

一开始为了定义何时开始出现转向不足,车辆何时开始转弯、靠近顶点,或是何时开始加速出弯都是关键。

假设转向不足在车辆入弯时发生,前轮抓地力必须尽可能增加。这可能藉由调软前轴悬吊弹簧以及增加避震器内部的延伸量,以及减少对弹簧的压缩量来增加对于轮胎的负载量,进而达成提升前轮抓地力的目标。
各项与悬吊系统相关的变数,包含限滑差速器也同样可以让车辆,在这一个阶段出现转向不足,降低限滑差速器锁定的比例,或是限缩的扭力输出比例,也可予以纠正。
如果是FR车辆使用双向限滑差速器(系统会视驾驶人踩踏油门踏板与否决定限缩输出比例),试着在车辆减速时,使用单向凡是控制限滑差速器。在车辆高速过弯时,提升前轴的下压力提升前轮抓地力,也可以达成同样的效果。
若转向不足发生于车辆接近顶点,应该予以负增加外倾角,让前轮确认可在此时增加对于地面的抓地力,或是降低后轮束角也可以协助平衡前后轮的抓地力提升前轮距同样也可能达成效果。
若转向不足发生于后轮驱动车准备加速出弯时,降低前轴车身高度则可以抵销其作用力,或是提升悬吊阻尼系数,促使避震器提升前轴行程,或压缩避震器行程也可以达成,若发生在FF前置引擎前轮驱动车上,提升限滑差速器的作用效果也同样可以解决此问题。


  • 建议悬吊设定




转向过度之对策

  • 后轮驱动车固有的麻烦

FF车与四驱车很少苦于转向过度。这个问题几乎否发生在后轮驱动车上。

如果以甩尾驾驶为主并注重操控性,前后轴的悬吊系统都必须强化到足以控制因为转向过度导致的偏滑或可能失控,然而在小场地的竞赛中,则需要计算维持循跡性的各项因素,才能顺利地让车辆前进。
大部分发生转向过度的原因是因为后驱车,在加速过程中发生了后轮失去循跡性的状况,这将让传输的动力浪费在加速过程中发生的车辆打滑现象。
弹簧与阻尼系数也可以藉由调校以降低转向过度,后悬吊应该调软,而避震器的阻尼系数应该降低压缩比例,并且提升延展性,这同样可以降低后平衡杆的刚性,增加转向内侧车轮往往行进方向移动。若可能的话,增加后轮距也是个方法。若前悬吊过软的话,后轴的负重比例可能向前移动,所以前悬吊应该强化来提升后轮的抓地力。
若车辆皮质后扰流,可增加其角度,以提升车身后半部的下压力效应,但这也同时表示车辆可能必须牺牲最高车速。


  • 建议悬吊设定




湿滑路况

  • 重视轮胎表现

就像你可以想象的,在雨天时道路的摩擦力都已经降低了,当然轮胎的抓地力也会大受影响。在此就来看看有哪些设定在这样的路况下必须改变,让车辆可以充分地在湿滑路况发挥作用。
包括弹簧系数、下压力与平衡杆的强度,都应该尽可能在干燥时事先降低,在部分的情况下,后平衡杆还必须完全拆除。过硬的悬吊可能让车辆更不容易掌握抓地力,当路况相当湿滑,车辆不容易维持抓地力时,悬吊设定愈软愈好。
外倾角应该在还处于干燥的情况下略为增加,确定轮胎在路面湿滑的情况下,无论是加速或减速时都可以维持与路面最大的接触面积,当然车辆的空力套件也必须予以调整,前后下压力都应该增加,以尽可能地提升前后轮的抓地力。
另外要降低气候对于汽车的负面影响,还有一个方法就是调整轮胎,若在大雨的情况下提升轮胎的负载,可以提升车轮的抓地力,相反的在雨小时,降低轮胎可以提升性能表现,随时注意并且调整前后胎压,在面对湿滑路面或大小雨气候时,都是调校过程中的优先考量。
若可能提升动力调校的话,应该重视的是中低回转域的扭力输出表现,而非一味追求高速表现,而仰赖电子辅助系统的协助,在恶劣的湿滑路况下,更容易发现电子控制刹车系统的效果。


  • 建议悬吊设定




砂砾路面

  • 增加控制

当车辆必须在砂砾路面行驶时,针对车辆各部分的调校应该赋予最大的弹性,因为在这类路面上有太多难以预料的变化。可能在环境细微的变化,都必须针对车辆进行些许的调整,才能够让车辆顺利脱困并且降低应付路况所浪费的动力输出比例。

此外,在车辆加速的过程中,可能因此又随时改变了车轮与地面的抓地力,进而影响到循跡性,这也是砂砾路面随时可能变化的原因之一,所以对于车辆的调校与改变各项设定,在行驶砂砾路面时尤其重要。
针对砂砾路面进行的调校中,必须注意的另外一个重点是当松开油门踏板之后,车辆所产生的反应,包括所产生的各种转向特性,这有被称为转向过度的调校,主要是为了要控制加速时的转向特性,这可能藉由使用双向限滑差速器或是调整前后刹车力道的均衡来达成。
转向不足或过度同样可能发生在砂砾路面或柏油路面上,车身高度调整要视路面情况而定,尽管降低有其益处,但必须考量到在这类砂砾路面上,降低车身高度,会对底盘相关零件与结构造成的危机与损伤,当然在这样多变的情况下,车身空力效应依旧扮演重要角色,引擎的调校重点并不在于最高输出,而是可以在各种情况下保持最佳反应。


  • 建议悬吊设定







赛道