【毫无热度的技术贴】拉杆前悬挂几乎一定会出现在2022年新车上?
我实在是不知道用什么标签,起因是因为迈凯轮的单体壳显示他们似乎会使用拉杆前悬挂,然后找了很多10年前的资料,看着这看着,嗯。。发现有些资料虽然比较敏感,但能回答为什么说拉杆前不被多数车队采用的原因,哪怕说他真的有用。
现在几乎实锤的就是麦克拉伦的照片
你说他是翻译吧,也算,说他是文艺复兴一波吧,也算。四不像了属于是。
正文
故事还要从麦克拉伦车队拍了等于没拍的Mcl36的单体壳说起,斯卡伯格从麦克拉伦的单体壳中发现了一些玄机。2022技术新规相对于过去的规则是颠覆性的,因此车队必须要另起炉灶,它可以让设计师重新发现旧规则搁置的解决方案,比如拉杆式前悬挂。
McLaren MP4 / 4 及其前悬架拉杆
F1工程师的研发颇有毛式研发的影子,靠着之前废案就能找到未曾充分利用的黑科技,因此拉杆悬挂本身也不是什么新鲜的东西。
早在20世纪的70年代,戈登·穆雷(前布拉汉姆和迈凯轮的设计师,MP4/4和Mclaren F1超跑的设计师)就在其布拉汉姆赛车上采用了拉杆悬挂。拉杆悬挂优势在于更低的重心,空气动力学上非常线性,拉杆很薄。但是摇轴非常的重,穆雷缩短悬臂增加悬挂刚度,阻尼/弹簧被安置在底盘内。80年代早期的赛车设计更加追求赛车的低重心设计而非空气动力学设计,拉杆的技术方案成为车队的普遍选择,直到1983地面效应曲面底盘被禁止。
之后,穆雷通过将拉杆倒置发明了推杆悬挂。现在杆子不再拉动摇轴,而是推动摇轴,后者被安置在底盘的上部。尽管推杆方案即使有重心较高的缺陷,但是由于允许支柱倾斜安装用于减少悬架系统的形变。90 年代所有车队都改用了这种悬挂方案用于适应抬高设计的鼻锥。
推杆/拉杆意味着轮胎的运动被传递到弹簧和阻尼系统的差异。这根杆以一个摇轴控制悬挂叉臂的运动,并与防倾杆和抬升结构组成现代F1的悬挂系统。
2009年之前,赛车前后悬挂都为推杆结构,而红牛的RB-5则在赛车尾部重新引入拉杆悬挂。红牛在赛季初期并没有安装和布朗GP等车队所发现的双层扩散器,但性能上却能和他们相媲美。
很多人将此归功于红牛的高鼻锥,收窄侧箱、吹扩原型诸如此类,但却忽视了这台赛车在后悬挂上采用了少有的拉杆悬挂,而在前端他们依然采取了更为成熟的推杆前悬挂。
2009空力规则大改导致扩散器的通道更小,而且可以紧邻尾部轴线,也就是变速箱主体。纽维想通过使用拉杆悬挂将弹簧和减震器安置到更低的位置来释放减震器上方区域的空气动力学研发潜力。使用拉杆并不会干扰到扩散器的通道,因此尾部也就不需要一个“巨大”的扩散器,事实上他们当赛季的扩散器尺寸甚至没有利用到规则所允许的上限。
但这个技术方案和布朗的双层扩散器并不兼容,这种情况下空气动力学部件会更长(本质上双层扩散器就将扩散器和底板的踢线位置向前延伸,增大了扩散器的尺寸),并且弹簧和减震器的存在会阻碍气流流动。赛季中期红牛对于扩散器的升级即使薅掉纽维不少头发,效果也一般。
当2011年双层扩散器退出历史舞台,之前使用推杆后悬挂的车队清一色的改用为前推杆后拉杆的悬挂格式(法拉利为此献祭了一位意大利工程师,名字叫阿尔多科斯塔,身为技术总监的他背了法拉利后拉杆悬挂的锅)
(2010年法拉利依然采用了推杆后悬挂的设计)
拉杆悬挂的好处大家都知道,可也只有少数车队使用了前后拉的悬挂格式,包括卡特汉姆和法拉利,麦克拉伦也在2013年短暂使用过拉杆前悬挂。赛车尾部变速箱低矮的位置让拉杆的几何学更容易实现,但赛车前端距地面高度为30cm,这在工程实现上造成了巨大的问题。
法拉利F2012上非常激进的前端拉杆悬挂设计由Pat Fry主导(是英国人呢)。拉杆悬挂杆安装在最上方的悬挂叉臂处,与底盘最下方几乎水平连接,本质上是倒置的推杆悬挂。前部的推杆悬挂的推杆安置在下方悬挂叉臂处,随后以一个极为陡峭的倾角(记住这个陡峭)与底盘上方连接。
当轮胎运动时,拉杆几乎很难让摇轴运动,但拉杆实际上与悬挂叉臂共同创造了一个三角构型,所以叉臂和拉杆之间的角度创造了位移。将法拉利的前悬挂拉杆的集合构型和推杆前悬挂做对比,相对角度是相同的,因此两者对于摇轴的作用实质上也是相同的。从车手的反馈来说推杆或者拉杆动态操控实际上非常相似。
拉杆的空气动力学增益来自于几乎水平放置的拉杆用于管理空气动力学。与呈倾斜的推杆相比,水平的拉杆在梳理气流方面更有效率。同时相对于推杆悬挂,由于没有拉杆从刹车通风导管区域穿过,刹车通风导管周围的布置更加简单。
前面说了半天也只是介绍拉杆悬挂的基本结构以及它的优势,包括气动、设计、配重,乃至是升温,但是没有证明为什么它没有和后拉杆一样被车队广泛采用,以及为什么导致了转向不足的属性。
关于拉杆前悬挂,最为出名的说法无外乎“推头快乐车”或者“畸形车”,意思是指拉杆前悬挂的赛车会导致赛车前端抓地力的丢失,适配头哥的驾驶风格。
(看看以前虎扑的高水平)
头哥的驾驶方式确实有他的独到之处,总结起来就是离经叛道但实用。调教上前防倾杆极硬、前轮内束和内倾都很小,赛车配重极端靠后。
他会选择提前进弯,当轮胎因重心转移达到所谓咬合点时突然横打方向盘瞬间让轮胎极致形变压榨抓地力,利用转向不足和滑移来进一步减速,前轮始终保持滚动避免抱死。
转向不足的赛车前端指向性不足且弯心速度极慢,他会选择比标准线更宽更靠外中高速弯角走线,过中低速弯则选择坚定的用前轮冲内侧路肩以求尽量缩短行进距离。
出弯则是依靠稳定尾部坚决踩油门,赛车重心会因为加速而后移,提升出弯的牵引力表现。
回到F2012设计的缺陷,赛车前部单体壳被抬高到了规则允许的最大高度,之前提及拉杆和推杆相比微乎其微的气流管理优势是要在几乎水平放置的时候实现的,那么最后被牺牲的一定是叉臂的安放斜率,也就是之前提及的陡峭。
(14~15的叉臂安放斜率的巨大差异)
如今的推杆前悬挂在叉臂的安放上趋近于水平
陡峭安放叉臂的结果就是前悬挂上臂要承受更大的力,因此需要更硬的调教,这被认为是转向不足的源头。按照阴阳人加里安德森的说法就是“我不知道出于什么原因,法拉利这几年的赛车身上总是伴随着极其强烈的转向不足,而他们却根本不在意。”
调教难度上,调节拉杆弹簧必须要移除避震器和防倾杆,这会花费大量时间。这也是之前所谓的调教难度大的由来。(就这样,法拉利更换破损拉杆的速度是3分钟,红牛十分钟修悬挂有什么可以吹的?)
两种方案差异在于当赛车过弯发生侧倾阶段,推杆做压缩运动,而拉杆做牵引运动。与牵引力相比,牵引往往会使连接车轮和车架的横向元件承受更大的应,因此必须要加强结构强度,或者以不同的倾斜度安装,以减少产生弯曲的力分量,前端做加固加厚,这会额外增加差不多15公斤的配重,并且丢失因为水平放置拉杆所获取的空气动力学优势。
总结:拉杆前悬挂在重量分配上的优势能够适配过去低重心为王的设计理念,但是当今F1在设计思路上逐步接近于航空航天,14年之前抬高鼻锥引导高能气流进入赛车底部再到扩散器,14年之后哪怕是降低鼻锥高度,车队设计思路依然如此。过高的鼻锥导致拉杆前悬挂在调教上天然偏硬、并且增加了非常多的固定配重,这损失远远超过了超过了重心下降的利益。
最初对于拉杆前悬挂的讨论是源于这个模板赛车,当时就是我这个翻译这文章的人在写其他帖子的时候,发现说他们用了拉杆前悬挂,同时也发现国外论坛也在说这事。也有几个人在讨论拉杆前悬挂是不是有使用的必要?
2022 预计各个车队会对规则有不同的理解,然后在后面几周到几个月的时间快速趋同演化(生物演化的事能叫抄吗?趋同,趋同)。
McLaren MCL36的单体壳,红色箭头标注的新气箱更为紧凑,绿色箭头表示冷却进气口,而黄色则突出显示机械师可以在前悬架的放置舱,这种设计通常是见诸于前部拉杆的赛车上。
法拉利F2012单体前部结构
而作为最后一支还使用拉杆前悬挂赛车SF-15T的法拉利,他们不是非常的确定前悬挂继续使用推杆是不是一定更好(有很多消息指向他们会用拉杆前悬挂)?
无论是14年之前还是之后,车队在设计中都会更加倾向于抬高车头,用以最大限度地减少前翼中性平面后方气流的阻塞,因为推杆能把弹簧和阻尼元件抬高,所以这个方案在当时被广泛使用。
尽可能多地照顾该区域以免阻塞通过该区域的流体至关重要。需要非常关注的上下文是鼻架,后者必须包含在参考体积中,这将迫使技术人员降低该元件。此外,主要影响将是悬架的几何形状。直到现在,即使 2021 年的赛车被认为是低档的,所有车队也一直在前桥上使用推杆方案。
2022年的规则非常严格地规定了鼻锥的形状,而在鼻锥的上表面将不再水平,并且会比我们在最近几个赛季看到的更加缓慢地下降。前端设计废除了前翼中性平面以及Y-250涡流发生器赛车前轮和车架的可用空间更小,从空气动力学的角度来说,这会阻碍通过前端流入赛车文丘里底板的气流量,因此该区域的设计的一个重点就是悬挂的几何形状。
仅仅是简化前端并不足以让车队放弃使用多年的技术积累而另起炉灶。自从2014年开始,赛车前鼻锥下探实际上给了拉杆前悬挂设计的空间,但是当时车队自从2015年以后坚定的使用了推杆悬挂。原因在于车队希望保证更多的气流能够流入赛车的中部破风板区域。该方案包括一个挂在车架上部的摇臂上的支柱,后者是一种特殊类型的转子,然后将运动传递给缓冲和其他部件。
2022赛车非常重要的研发区域是赛车底盘入口硕大的文丘里管,在文丘里管之上的就是冷却入口。在2017年,法拉利将赛车的防撞结构下移形成如今围场标配的高位侧箱,但新的规则约束这个防撞结构必须上移6厘米,因此高位侧箱也将成为历史,取而代之的是更为传统的就是类似于梅奔W-10这样的技术方案,或者说就是麦克拉伦MP4-27的进气口格式。
2022 年规定的较低底盘高度促使几支车队为前轴考虑不同的悬架解决方案。这就是为什么经常被认为不符合实际情况的经常被谈论和误解的拉杆计划可以发挥作用。
引用链接:
http://blog.sina.com.cn/s/blog_8e68a09b0100yfpp.html
https://tieba.baidu.com/p/1424208157?red_tag=0147478049
https://bbs.hupu.com/46372966.html
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/338929650
还有一部分链接不方便展示,怕得罪头粉,也不想给头黑吵架的素材
Y250涡流
· 南荷兰省推杆拉杆只是用于连接弹簧阻尼的,本质上说对于悬架性能没有影响。影响悬架性能的是上下叉臂的内点外点。就算有那么一丝丝影响,其实也无所谓,过去十几年F1赛车完全是空气动力学支配性能,悬架设计早就以气动性能作为主导了。如果上下叉臂接近水平,那么推/拉杆和水平方向的夹角越小那么理论受力就越大,重量是小事,粗壮的叉臂和推/拉杆阻碍气流是大事。过去十几年不同的设计就是对于悬架区域的气流如何处理有不同的想法罢了。新规鼻锥那么低,拉杆很有可能。新规里主要的性能来源应该就是地效扩散器了,估摸可能到整车下压力的六七成。新规里用推杆可能比拉杆更加粗壮,但是推杆本身可能可以一定程度上避开扩散器进气。这里面怎么取舍就是考验每支车队的了。
国际汽车运动联合会
· 浙江好贴留名,希望以后更多一些技术贴!