织梦CMS - 轻松建站从此开始!

2018新版北京赛车系统大全论坛

当前位置: www.jnhlbe.com > 赛车配件 >

聊聊对于赛车动力学的事

时间:2019-07-26 15:32来源:织梦技术论坛 作者:消息 点击:
导语:近来陷溺《rFactor 2》不行自拔,每全国班回家都要插上方向盘跑几圈山路。恰好《赛车计划 2》即将发售,《Forza 7》也不远了,再晚些还有《GT Sport》,算是拟真向竞速游戏可贵的大年。本文将会从轮胎谈起,对赛车能源学进行非常浅近的先容,目标是希望
导语:近来陷溺《rFactor 2》不行自拔,每全国班回家都要插上方向盘跑几圈山路。恰好《赛车计划 2》即将发售,《Forza 7》也不远了,再晚些还有《GT Sport》,算是拟真向竞速游戏可贵的大年。本文将会从轮胎谈起,对赛车能源学进行非常浅近的先容,目标是希望能够帮助那些对这类游戏感兴趣,却忧虑缺乏基础常识而不敢上手的新玩家,希望大家都能享受拟真赛车的兴趣。

由于笔者工作之后从事的平台更方向电控与仿真,对能源学方面的常识没有更加精进,再加上长时间不消招致的影象偏差,难免会在文中发掘错漏之处,希望关联平台的大佬们斧正。

一、为什么是轮胎

按照老例先心疼一下头哥

看到一辆赛车,大多数人眷注的核心往往是它炫目标配色与浮夸的气氛能源学套件,对付开轮的方程式赛车来说,懂行少许的朋友可能还会去钻研暴露在外的悬架的形式与结构,但静静地趴在地面上的四条轮胎,却是险些全部人都邑选定性轻忽的存在。既然如此,为什么还要从轮胎谈起呢?

事实上,对付一辆赛车的机能阐扬来说,轮胎是最紧张的单个部件之一,乃至能够把“之一”去掉,其对整车机能的影响胜过大多数人的设想。原因也很简单,轮胎是一辆车上唯一与地面接触的部件,其余全部部件,诸如策动机、分散器、避震器,对赛车产生的影响都要通过轮胎与地面相接触的这四片巴掌大小的面积来实现。正因为如此,全部的赛车在设计过程当中都邑对轮胎的选定极为谨慎,而那些专一于轮胎手艺的厂商,也把赛车轮胎的机能钻研到了至高无上的水平。

二、抓地力是如何产生的

说到轮胎,赛车游戏玩家们的第一反馈往往是“抓地力”这个词。抓地力(下文应用更为正式的名称“附着力”)代表了一辆车在游戏中最基础的感受,即加快滑不滑,过弯稳不稳,以及在雨雪路面下保持不失控的才气有多强。辣么附着力是如何产生,又与哪些因素关联呢?

1. 滑移率与侧偏角

显然,轮胎的附着力能够被分为纵向与侧向两个片面,划分进行谈论。纵向附着力直接干系到赛车的加快与制动机能,而侧向附着力则决意了赛车过弯时的最大侧向加快度,对圈速有着非常大的影响。

当车轮被装在车上往后,车身会通过悬架体系对轮胎施加一个垂直载荷,这是轮胎产生附着力的基础。用不太严谨的类比来说,这个垂直载荷就像冲突力公式中的阿谁正压力,如果垂直载荷为零,辣么统统的附着力都将无从谈起。但轮胎是个极为复杂的物理体系,并不像物理书里的小滑块那样能够被冲突力公式简单地形貌。对付一辆给定的赛车,车重必然,即垂直载荷必然,轮胎安装的定位角(详见本文第三章)也必然,辣么纰漏掉温度湿度等环境因素,轮胎产生的纵向和侧向附着力划分由一个变量决意:滑移率(slip ratio)与侧偏角(slip angle)。

起步加快中的赛车驱动轮特写,此时轮胎滑移率很高,并产生剧烈的形变

先从决意纵向附着力的滑移率提及。滑移率的界说是:车速与驱动轮轮速之差,除以车速获得比值。设想轮胎与地面接触的那一块巴掌大的面积,把它称为轮胎的“印迹”,辣么“印迹”局限内的橡胶分子与地面之间会产生必然水平的黏着效应。当赛车开始加快时,橡胶分子开始发生微观滑移,此时黏着效应会增强,使得地面对“印迹”局限内的橡胶分子产生向前的力。这一现象发生在 0.01 微米的范围上。

如果只考虑这一效应,辣么轮胎的纵向附着力会随着滑移率增大而无尽增大,显然这是有悖常理的,是以我们需要将视野拉远,定格在1微米至1厘米之间的范围上。在这个尺寸局限内,轮胎阐扬出显赫的弹性,能够根据路面的粗糙点转变本身的形状,再加上上文提到的黏着效应,能够认为轮胎表面与地面是较好地贴合在一起的。又由于橡胶具备滞后特征,与地面接触的凸起的橡胶块还来不及转变形状,就会随着车轮滚动对地面施加一个向后的力,于是地面就会对轮胎施加向前的副感化力。这种效果很像齿轮啮合滚动时的阐扬,我们称之为啮合效应。

将这两种效应结合起来,题目就变得明朗了。当赛车刚开始加快的时分,两种效应同时发扬感化,纵向附着力随着滑移率抬高以险些线性的干系从零开始疾速增大。当滑移率高到必然水平时,微观滑移不变,黏着效应仍供应必然的附着力,而宏观上整个车轮也开始相对地面滑移,啮合效应被毁坏。又因为啮合效应供应的附着力比例更大,是以总的附着力开始渐渐降低。当滑移率靠近100%时,啮合效应已被完全毁坏,惟有黏着效应还能供应较小的附着力。宏观滑移发生前的阿谁点,即为纵向附着力的最大值。

某款轮胎的纵向附着力 vs 滑移率曲线图(图片来自我的本科卒业论文,如有雷同,是他抄我)

上图比较直观地阐扬了以前所形貌的纵向附着力的变化过程。几条不同色彩的曲线代表了不同的垂直载荷。能够看到,这款赛车轮胎的最大附着力大约发生在滑移率为 20% 左右的时分,而普通乘用车轮胎的这个值平时在 10% ~ 15% 附近,这是由于赛车轮胎常常为热熔胎,相比普通轮胎来说更“黏”,更能贴合地面,是以啮合效应更晚被毁坏。

高速过弯时的赛车轮胎特写,此时轮胎侧偏角很大,并产生剧烈的形变

接下来谈论决意侧向附着力的侧偏角。实在从微观角度来说,侧向附着力产生的机理与纵向是一致的,这也很好理解,因为轮胎的“印迹”不过是一片长方形而已,不管你从哪个方向施加外力,它的阐扬应该都应该是相似的。侧偏角的界说是:轮胎中心线与实在际前进方向之间的夹角。初听起来可能不轻易理解,但下面的示意图非常直观地阐扬了车辆转向时轮胎及“印迹”的形变,以及侧偏角的含义。

轮胎侧向附着力与形变示意图(图片来自《Beyond the Apex》)

由于侧向附着力的产生机理与纵向一致,是以其相对付侧偏角的曲线看起来也和上文中纵向的曲线有几分相似之处。区别在于,车轮在纵向上受到能源体系的驱动,相对付地面能够产生很高的速度,而在侧向上,外力的来源仅仅为车辆自重在过弯时产生的离心力(严谨的说法应该是由轮胎为车辆自重供应向心力,此处粗略简称为离心力,便于理解),相对付地面达不到辣么高的速度。是以,侧向附着力的曲线更像是把纵向的曲线截取前半片面,在达到最大值之后,开始迟钝地降落,但降低幅度很小。

某款轮胎的侧向附着力 vs 侧偏角曲线图(图片来自网页,如有雷同,是我抄他)

至此,我们已经大抵打听了轮胎附着力的产生机理。从上面的两幅曲线图也能够看出,要想实现最快的圈速(即让轮胎发扬最大的附着力),就要在驾驶过程当中尽管保持在最好的滑移率与侧偏角附近。对付没有牵引力控制的赛车来说,如何循序渐进地踩下油门,以维持最好的轮胎滑移率,统统是一门细致入微的艺术。

另一方面,如果你细致地计较了上面两幅曲线图中不同的垂直载荷所对应的最大附着力,则会发掘,垂直载荷越大时,产生附着力的“效率”就会越低。如果不考虑气氛能源学带来的下压力,辣么垂直载荷就完全由车重供应,此时这个“效率”(正式名称为附着系数)就决意了轮胎能为这个车身供应多大的纵向与侧向加快度,而加快度即是赛车的统统,直接决意了圈速能有多快。是以,在赛车平台有“宁少十匹,未几一斤”的说法,轻量化是最紧张的事情,越轻的赛车就越有竞争力,这是毫无疑问的。

2. 履历模子与魔术公式

先容完了基本道理,就该谈一谈大家最爱提到的“轮胎模子”了。险些全部拟真向竞速游戏的醉心者都邑常常把这四个字挂在嘴边,但并不是每一片面都能完全理解这个词背地的含义。上面讲过,轮胎的附着力与赛车的垂直载荷,以及轮胎本身的滑移率和侧偏角有关,辣么,如何根据这些要素,计较出附着力的详细数值,即是轮胎模子最为核心的内容。

别看轮胎看起来很简单,实在到目前为止,人类还没能找出一个精确的表面模子来形貌它的行为,而纰漏掉很多细节之后获得的粗略的表面模子,其计较精度又很差。为了准确地算出轮胎附着力的值,人们普遍开始尝试应用履历模子,即不管三七二十一,找到一个能够大约拟合上面那两种曲线的式子,哪怕这个式子看起来毫无逻辑,只要结果够准确就行。而在这一类履历模子之中,目前最主流的一种被称为“魔术公式”(Magic Formula,又称 Pacejka Model,因为最早提出这一公式的人是代尔夫特理工大学的 Pacejka 传授)。

为了这篇文章还能有人看,我就不做在文章里放公式这种过分 nerdy 的事了。简单来说,有了魔术公式的框架之后,只需要根据不同款式型号的轮胎转变公式中的少许参数,就能形貌该轮胎的行为了。又因为上面提到的纵向与侧向附着力在道理上的一致性,是以,魔术公式对二者也都是适合的,一样只需要变动参数。

基于 rFactor 内核的《Stock Car Extreme》中接纳的轮胎模子(图片来自 YouTube 截图)

在专业的软件中进行仿真时,由于不需要考虑计较时间,能够把整个魔术公式都丢进去,逐步地计较结果。而在赛车游戏中,对及时性的要求陡然进步,在下一帧画面发掘以前,必需算出其时的受力环境及相应的画面阐扬,这就要求对本来轮胎模子进行简化。而简化之后还能保存多少精确度,即是拟真向竞速游戏的实在性到底有多强的环节了。

上图来自于 Youtube 上《Stock Car Extreme》(玩家普通简称为 GSC)这一游戏的开辟者的一段疏解视频。该游戏的轮胎模子就能够看作是魔术公式的简化版。而为了进一步加快计较速度,该游戏接纳了一种较为常见的方法,即在断定参数后事先取样计较出附着力与滑移率和侧偏角的干系,获得曲线,并把数据存在一个二维的表里。这样,在游戏中需要获得附着力时,就能够免于实际的计较,而从这个表中直接或插值取得所需的数值了。

3. 附着椭圆与 g-g 图

上文中连续把纵向和侧向的附着力张开谈论。而在赛车实际行驶过程当中,纯真的直线加快与纯真的过弯都只占很小的比例,大多数时分是两种行为同时存在的,辣么此时,最大附着力又应该怎么决意呢?这就需要引入附着椭圆的概念。

事实上,纵向和侧向是为了便于理解而产生的一种人为的分类。对付轮胎接地的“印迹”来说,当纵向与侧向附着力同时存在时,实在相当于对它施加了一个斜向的合力。这个合力的最大值受限于一样的物理机制,于是其纵向与侧向的分力天然也就此消彼长,且都不行达到其本来最大值。把纵向和侧向附着力全部可能的组合都点在一张坐标系里,就会获得一个很靠近正圆的椭圆形,这即是附着椭圆(之以是不是正圆是因为纵向与侧向的最大值会有一个很小的差异)。

某款轮胎在给定载荷与胎压下的附着椭圆示意图

上图即是一个典范的附着椭圆(的一半)。该图侧重于阐扬侧偏角与侧向附着力,是以只对这两者的干系进行了描点连线,获得了图中的类似于地球纬线的几条曲线。如果眷注点在于滑移率与纵向附着力的话,能够对这两者的干系也进行描点连线,最终将会获得类似于地球经线的曲线,与原有的纬线相交,将椭圆划分成很多个网格。每一个网格顶点,即是一个取样获得的纵向与侧向附着力的可能的组合形式,而整个椭圆的表面上的那些点,则代表了极限环境下能够获得的组合形式。想要跑出最快圈速,就要尽管让轮胎时刻处在附着椭圆的表面上。

上文提到过,轮胎的附着力直接决意了赛车的加快度,辣么既然有轮胎附着椭圆,就必然有一个整车加快度的图形与之对应,这个图就叫做 g-g 图(两个 g 划分代表纵向与侧向的加快度)。

某赛车在实际角逐中记录下来的 g-g 图

g-g 图普通依靠车载的加快度传感器及时记录获得。图中全部的样本点都邑落在一个虚拟的椭圆形局限内,这个椭圆就与上文中的附着椭圆相对应。而根据上文提出的“尽管跑在附着椭圆的表面上”这一表面,能够大抵认为,g-g 图中的点越靠近于阿谁虚拟的椭圆,辣么赛车的圈速阐扬就会越好。在实际的车手练习中,记录并分析 g-g 图是非常紧张的一个步骤,而对付想进步本人赛车驾驶水平的玩家来说,也能够应用这一方法回首本人的驾驶样式,并找到需要进步的地方(在片面赛车游戏中能够应用 MoTec 配套软件的插件来实现对各种数据的获取与分析,其中就包含了 g-g 图)。

三、安装车轮的精确架势

对轮胎本身附着力的分析就告一段落了。接下来,我们谈论车轮应该以怎么的架势安装在赛车上。用专业的说法来讲,即是谈论车轮的几个环节的定位角对机能产生的影响。

最值得眷注的车轮定位角包含以下三个:主销后倾角(caster),车轮外倾角(camber),以及束角(toe)。

1. 主销后倾角

主销后倾角示意图



主销(kingpin)指的是车辆的转向轮在滚动时所围绕的轴线。对付当代的汽车来说,主销往往都是一根虚拟的轴线,并无真正实体的“销”存在,我们能够根据不同的悬架形式找到少许环节点,来断定主销详细的地位。

而在断定主销的空间几多时,往往会设计出一个带有后倾角的主销。这一设计最主要的目标是为了在机器上供应必然的回正力矩(详见本文第四章)。简单来说,有了回正力矩,车辆在转弯结束之后方向盘会有主动回正的倾向,而在高速行驶时也更轻易保持直线的轨迹,这样车开起来就更利便也更稳定。对付赛车来说,主销后倾往往会设计得比较抨击,除了供应较大的回正力矩以外,另一个目标是供应较大的倾角增益,以便晋升赛车在过弯时的机能,这片面就不睁开来讲了。

2. 车轮外倾角

车轮外倾角示意图



车轮外倾角则仅仅与车轮关联,即使主销是内倾的(如图所示),车轮也能够解放地调解外倾的角度。以人的两条腿来比方轮胎的话,车轮外倾就像是罗圈腿,在靠近地面的地方往上看是向外张开的,呈"V"字形,而负的车轮外倾角就像是向双侧叉开两条腿,在靠近地面的地方往上看是向内收束的,呈“八”字形。

不同于主销后倾角险些都设计为正值,车轮外倾角取正负都是合理的,要根据详细环境来断定。平时来说,驱动轮的外倾角会比较小,不管正负,普通都是靠近零的一个值,以便进步驱动的效率。乘用车上常见正的外倾角,用来对消载重时车轮内倾的趋势,减小轮胎磨损。而在不考虑成本的赛车上,往往会晤到相当抨击的负外倾角,以进步过弯的机能。这也很好理解,就像上文所说的两条腿的比方,罗圈腿的人在力学上就像一个不倒翁,侧面只能蒙受一个很小的力,而叉开两腿之后,侧向的受力就能够进步很多。详细来说,在赛车高速过弯时,外侧车轮会蒙受主要的载荷,并且有外倾的趋势,轮胎接地面积减小,侧向附着力减小,而如果原本就设置了一个负的外倾角,就能够必然水平上对消这一外倾的趋势,供应更大的侧向附着力,辣么赛车就能以更快的速度过弯了。

3. 束角

束角示意图



束角是最轻易理解的一个定位角了。平时来说,我们只眷注前轮的束角,简称前束角。从俯视的角度看车的两个前轮,看起来像内八字的即是正的前束角(toe in),看起来像外八字的即是负的前束角(toe out)。

前束角也是可正可负的。乘用车上常见较小的正的前束角,用来晋升车辆直线行驶的稳定性。而在赛车上,会有一片面赛车接纳负的前束角,以增强赛车过弯时的转向过度特征(关于转向特征的详细先容可能会在下篇文章里发掘,如果还能有下一篇的话)。

四、回正力矩与手感的干系

接下来的一章不妨玩家们最感兴趣的片面了,因为我们终究要谈得手感了。固然,键盘玩家没法从键帽上获得赛车动态的反馈,只能靠画面和声响来校验车的状况。手柄玩家就好少许,多了一个触动的反馈,能够晓得此时路面的环境,是否压上路肩,是否压上草地。而对付我们今天主要谈论的方向盘玩家来说,手感的反馈又会更加丰富少许,除了触动以外,还有一种打方向时的沉重感,这即是车辆的回正力矩(aligning torque)。

回正力矩是拟真向竞速游戏中非常紧张的一片面。在各种关联游戏的论坛里,关于每个游戏力反馈手感如何的帖子平时都能轻松战上几百层。第二章里我们提到了轮胎模子的核心片面是建立附着力与滑移率和侧偏角的干系,而除了这一点以外,最紧张的即是精确地形貌回正力矩在赛车过弯时的行为。乃至能够说,对付很多玩家而言,回正力矩的准确与否是校验一款游戏轮胎模子是否及格的唯一标准(虽然这种看法并不精确)。

回正力矩的产生主要由两片面组成,机器拖距(mechanical trail)和善胎拖距(pneumatic trail)。这两种拖距所产生的回正力矩之和,即为最终反馈在方向盘上的回正力矩。

1. 机器拖距

机器拖距示意图

机器拖距又叫主销后倾距,顾名思义是由主销后倾角产生的一段距离。当主销后倾时,其延伸线与地面的交点和轮胎的接地中心点不再重合,二者之间的这段距离即是机器拖距。由于这段距离的存在,当轮胎在接地处受到侧向的外力时,就会产生一个绕主销的力矩,而且这个力矩具备将车循环正的趋势,这即是由机器拖距产生的回正力矩。这片面回正力矩只受到主销后倾角影响,在车辆行驶过程当中是线性变化的。

2. 气胎拖距

气胎拖距示意图

气胎拖距在产生回正力矩的道理上与机器拖距是一致的,也是在接地处受到外力时产生一个绕主销的力矩。不同之处就在于这段距离产生的原因。简单来说,当轮胎在接地处受到侧向力时,会产生必然水平的形变。当轮胎向前滚动,本来接地处已经向后挪动时,原有的形变不行即刻规复原状,有必然的滞后性,而这个滞后性就招致了目前接地处的形状并不是抱负中的准则形状,其受力中心点并不位于几多的中心点,二者之间有一段距离,这个距离即是气胎拖距。

由气胎拖距产生的回正力矩 vs 侧偏角曲线图

气胎拖距的长度是与轮胎的侧偏角有关的,于是由气胎拖距所产生的回正力矩就由侧偏角直接决意。但有趣的是,二者的干系并非线性的,反而是先增长后降低。根据上图的曲线能够看出,对付某些轮胎,当垂直载荷不大时,如果侧偏角很大,回正力矩乃至会造成零大约负值。

反映在手感上,当赛车在高速过弯靠近极限时,方向盘从以前的越来越重突然开始变轻,乃至完全没有反馈(固然,这需要这片面负的回正力矩充足大,对消掉机器拖距产生的正的回正力矩,而赛车的主销后倾角往往很大,以是正的回正力矩也会很大,是以这种环境是险些不会发掘的)。很多赛车手和老玩家会行使这一特征,校验赛车的状况,在过弯时如果感受到了方向变轻,就申明离赛车的极限已经不远了,应当更加谨慎,随时筹办降低车速或减小补油的幅度。而有些拟真向竞速游戏,由于在这一特征上没有优越的阐扬,乃至在方向盘的力反馈上完全感受不出这种微妙的非线性变化,于是被很多硬核玩家斥为“娱乐游戏”,“轮胎模子完全是错的”(《赛车计划》说的即是你)。需要申明的是,这片面物理特征虽然也很紧张,但从模仿赛车行为的角度来说并不是轮胎模子的最核心片面,只不过是最轻易被玩家直接感受到。是以虽然《赛车计划》算不上辣么硬核的赛车模仿,但大体上来说物理机制照旧过关的。

五、小结

这是我的第一篇机核投稿,不得不说,实现本文所花的时间远远胜过了我的设想。明显脑筋里就辣么几个要点,想把它们写出来、讲清楚,却是一件如此难题的事。即使我已经省略很多手艺上的细枝小节,但照旧花去了不少的篇幅,更不消说找图也花消了相当多的时间。在此对机核全部的文章作者致敬!

本文从游戏开拔,想尽管讲清楚轮胎能源学中最基本的少许常识,并将其与游戏相结合,希望能帮助晋升大家在拟真向竞速游戏中的游戏体验。实在关于轮胎的常识可谓卷帙众多,很多专家学者终其一生都在这一平台进行钻研,而本文中只是进行了少许走马看花的先容,省去了不少细节(如轮胎的履历模子也不仅仅魔术公式这一种,车轮外倾角的感化以及过弯时的变化更是极为烦琐)。有兴趣的同窗能够进一步阅读下面列出的参考文献。别的,片面名词的翻译可能不是正式名称,片面概念的注释也有可能禁止确,希望大佬们能够多多指教。

这一篇就到此为止了。如果还有时间连续写下去的话(以及如果还有人愿意看的话),我计划再写两篇,划分先容转向特征和善氛能源学,悬架片面在本篇和转向特征中可能会有所涉及,至于其余的,像能源总成、制动等等,由于对游戏体验影响不大,我本人也不是很熟悉,就不详细先容了。 (责任编辑:admin)
织梦二维码生成器
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名: 验证码:点击我更换图片
栏目列表
推荐内容