steering design

[name=撰寫人:李承恩/底盤組/7-9代][color=#d904ed]
前情提要： 6-8代的轉向系統是沿用的，並無進行更動，8代換上不同條輪胎的情況下轉向及懸吊系統幾乎沒有變更，轉向部分只有因為軸距加長而修改阿克曼幾何，讓轉彎半徑與之前的一致，所以在一般情況的操駕是不會覺得有推頭或轉向過度的情形，但激烈操駕很容易發生。 如果上一代賽車的轉向系統並無太大問題，基本上可以不需要有大更動(前提是車重、輪胎、軸距、輪距沒有更改、重心位置沒有明顯變動)，只需優化及迭代設計即可。

設計開始前要先了解上一代賽車有什麼問題，從試車及比賽回收的數據來了解有哪些部份需要進行更改，或是從車手回饋來了解駕駛時有什麼問題，根據測試數據確定這賽季要更改什麼或是要優化什麼。

• 上一代的問題

  • 方向盤轉動力矩過大

    • 主要原因是因為輪胎從Continental C16換成Goodyear D2773(或D2704)，換輪胎造成懸吊幾何錯誤(輪胎大小不一樣造成的結果)以及輪胎本身的自回正力矩過大，因此在轉動方向盤時非常吃力，還有一個原因是方向盤很難完全握住，也會加大轉動方向盤時所需的力道。

  • 轉向幾何錯誤

    • 主要原因也是因為換輪胎，因為每一條輪胎的特性都不相同，因此在選用不同輪胎時轉向幾何也會不同，而8代在拉長軸距的情況下，轉向部分只把最小轉彎半徑調整至與上一代接近。

• 9代設計更動

  • 優化轉向幾何

    • 根據新輪胎的特性進行阿克曼幾何設定，以及檢查bump steer等數值變化。

  • 完善轉向數據計算

    • 計算車輛配置最佳轉向數據設定，並調整幾何及定位設定。

  • 轉向力矩計算

    • 計算輪胎產生的自回正力矩及方向盤力矩，調整機構至合適大小。

  以上是8代的問題及9代的設計更動

轉向分為四個部分：

• 參數計算與設定
• 輪胎研究
• 幾何設計
• 機構建模

• 參數計算與設定

  首先在一開始要進行的是全車規格設定，像是軸距、輪距，沒有全車基本數據啥都幹不了。
  • 軸距(前後輪的距離)： 軸距越長對車輛轉向越穩定，越短轉向則越靈敏，而學生方程式的賽道是低速多彎、多繞錐，所以轉向越靈敏越佳，因此軸距絕對是越短越好，所以如果可以就做到規則的下限是1525mm，但還是要與各組配合決定。
  • 輪距(左右輪的距離)： 輪距越寬對車輛轉向越穩定，越窄轉向則越靈敏，雖然上述有說越靈敏越佳，但輪距會影響左右輪的荷重轉移，所以不是做越小越好(後面會細講原因)，而且車檢有一項檢驗是傾斜測試，測試是會將車輛左側輪或是右側輪抬高傾斜至60度不能翻車，此測試是模擬車輛過彎時側向g力1.7g的車輛穩定性，而做得寬一點雖然可以增加車輛穩定，但有可能會有較窄或是半徑就小的彎過不去，因此輪距適當就好，通常設在1200至1300mm之間，我們因為工廠門寬限制所以極限就是1260mm。
  • 輪胎： 現在學生方程式的輪胎基本上只剩10吋跟13吋可以選擇，使用10吋簧下重量輕，對動力有優勢，對於空力設計越小越好，因為輪胎產生的亂流較少，但對於底盤設計13吋空間大，比較好對輪邊做設計。

• 輪胎研究

  輪胎是賽車唯一會接觸地面的東西(空力或車架磨地板忽略，正常不應該磨到，但有可能因為賽道關係磨到)，因此基本上輪胎的極限就是賽車的極限，所以輪胎非常是重要的。
  • tire data(這邊只會針對轉向部分所需要了解的，詳細的之後會做) 學生方程式的輪胎數據可以跟TTC購買，裡面有大部分的輪胎，確定輪框尺寸後要選擇輪胎性能符合設計目標或配置的，要比較性能就必須要從TTC抓取tire data來進行比較。(車隊已經有買了，nas已經有好幾條輪胎的數據了，如果nas沒有想看的輪胎要TTC帳號找底盤組長) 設計轉向時主要要了解的有FY(側向力)、FZ(正向力)、SA(側滑角)、IA(外傾角)、MX(傾覆力矩)、MZ(自回正力矩)這些數據。FY是過彎時輪胎產生的力，FZ是指輪胎荷重，SA是過彎時輪胎變形的角度，IA是輪胎外傾角，MX是輪胎側向力作用在輪胎上，使輪胎有向外或向內傾的力矩，MZ是輪胎當輪胎產生側滑角會產生一個試圖將輪胎轉回直線行駛方向的力矩。 SA示意圖 不同數據圖表可以得知設計時所要的參數，像是SA vs FY可以了解轉向的極限，及了解轉角設定，SA vs MX及SA vs MZ可以了解轉向時產生的轉向回正力矩(MX可以當作參考，有caster才會有產生轉向力矩，MX主要還是產生傾角變化的力矩)，FZ可以了解不同荷重時數據的變化，IA主要是觀察不同camber的情況輪胎性能的差異。 上圖是不同輪胎特性，左圖荷重大時SA的峰值較小，荷重小時SA的峰值較大，此特性的輪胎是適合使用正阿克曼幾何；右圖荷重大時SA的峰值較大，荷重小時SA的峰值較小，此特性的輪胎是適合使用反阿克曼幾何。下圖是D2704的SA與FY的數據圖，不同顏色代表不同正向力，此圖可以了不同荷重下的側滑角表現，不同的曲線變化轉向幾何設計也會不一樣。