关于陡坡攀爬状态下轴效应的一些探讨及解决方案

关于陡坡攀爬状态下轴效应的一些探讨及解决方案

文/隔壁老王

前言
在笔者自制2.2S的过程中，对法国前辈Toto Rax（Bad Rax）关于轴效应对陡坡攀爬性能影响的研究过程进行了翻译与重构。以译文为基础、笔者演绎为主体，结合日常观察与2.2S下地测试过程中的一些实践，形成本文。

鉴于本文属于对轴效应相对深度的研究，信息量偏大，为了控制篇幅也省略许多详细的分析步骤，对新手玩家来说可能阅读上存在一定困难，因此建议感兴趣的朋友可以收藏，空闲时阅读分析，也欢迎一起讨论。

本文大量引用了Bad Rax的理论及相关图片，为表尊重并避免侵权，提前通过邮件取得了Bad Rax本人的授权。



致谢
在本文的撰写过程中，得到了@ngh @闲云帝 @改装达人 @大班长 等几位前辈的大力支持与宝贵建议，部分图片的拍摄由@YRD.苍瞳月夜 协助完成，在此向他们以及Bad Rax先生致以衷心的感谢。

说明及前提
鉴于笔者缺少理工科背景，文中谬误不少。如果有不同意见和建议，欢迎指点与交流。

限于理论水平、硬件条件与测试难度，对轴效应的相关分析进行了简化，包括其中的力学分析和最终方案，均是理想状态，与读者各自车辆的攀爬情况或有所差异，仅供参考。

研究过程比较复杂，虽然最终对本文作了大幅压缩并简化了分析步骤，同时重要章节直接点明了结论，包括斜体小字部分也可全部略过不影响阅读。但囿于笔者水平，仍显冗长，如阅读体验不佳，恳请谅解。

如只需知晓解决方案，请直接阅读第四章、第五章。

注意，本文为基于陡坡攀爬的轴效应研究，而非调校车身姿态，且对平路高速起步或刹车状态下造成的车身侧倾，不进行相关探讨、也不提供解决方案。正文所述“轴效应”，绝大时候均代指陡坡攀爬状态下因扭力反作用（TORQUE TWIST）而产生的性能减益。

关于扭力反作用系统中更细致的力学传递分析，以及如何解决平路车身侧倾问题，以及更多的仿真类攀爬车姿态调校，欢迎参阅@NGH 的《轴效应的那些事》
（http://www.rcfans.com/thread-989490-1-1.html）以及他的其他相关文章。

关于2.2S的有关内容，欢迎参阅
@改装达人 的《史上最难攀爬比赛场地》
（http://www.rcfans.com/thread-993509-1-1.html）
@闲云帝 的《教你打造最强攀爬轴车 ★2.2S★》
（http://www.rcfans.com/thread-1041784-1-1.html）
以及笔者的《2.2S轴强爬下地记》
（http://www.rcfans.com/thread-1036298-1-1.html）

提纲

一、万恶的轴效应
——轴效应无法消除，只能尽量控制

二、轴效应的产生原理
——牛顿第三定律

三、轴效应的进一步分析
——除传统方法之外，解决轴效应，还应该重点关注后桥及抗后坐角

四、当下控制轴效应的几种方案简述
    ——减重、调整车辆重心、减小阻力和干涉、调整前后桥传动比、减小传动轴角度差、调整悬挂阻尼、调整悬挂重心

五、关于抗后坐角（反蹲角）的详述
——调整抗后坐角以进一步延迟轴效应

六、附文：关于重心水平位置和垂直位置的简单测量方法

正文

一、万恶的轴效应

在我们使用轴车进行陡坡攀爬时，轴效应是一个必须面对的问题。

一旦马达开始转动，轴效应就开始产生，但它在初始阶段并不严重、甚至观察不到，而随着扭力和阻力的同时增大，它会逐渐显现且呈几何级数增大，最终导致陡坡翻车。



而传动轴则是造成轴效应的元凶。



轴效应，通常指因扭力反作用（TORQUE TWIST）使攀爬车的底盘与车桥之间产生相互作用力，进而二者之间发生相对水平角度的扭转。

这个过程可简单描述为：陡坡攀爬时，一侧前轮会逐渐抬起，如果持续加大扭力，车轮抬起会越来越高，至极限后翻车。



然而，至今我们仍然没有找到完全消除轴效应的方法，只能尽量地控制它。

为此，本文试图分析、归纳、总结一些常用方法，除此之外特别提供一些全新的思路。

二、轴效应的产生原理

轴效应产生的原理与经典力学中的牛顿第三运动定律有关。



牛顿第三运动定律的常见表述是：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。该定律是由艾萨克•牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中提出的。牛顿第三运动定律和第一、第二定律共同组成了牛顿运动定律，阐述了经典力学中基本的运动规律。（百度百科）



大家知道，攀爬车的动力学构件主要由 波箱/底盘+前后桥 组成。这三个构件的动力力传递是由两根传动轴提供的。

传动轴一旦开始旋转，它连接的部件（底盘和车桥）会同时向反方向产生反作用力。

我们想象一下下面这幅图，假设底盘和车桥在横截面上能自由旋转，那么在传动轴的作用力下，底盘和车桥会同时相对旋转——实际情况中，同样存在旋转趋势，但多数时候被悬挂阻尼和车辆自重抑制住了。



直到陡坡攀爬过程中，因为车辆重心和悬挂阻尼发生变化，这个趋势得以具象化，即抬头。

对于每根固定在车桥上的减震器而言，当轴效应导致其承受压缩力的同时，位于它对面的减震器就将承受拉伸力。

由于攀爬车在静置状态时，其减震器通常处于静置受力状态，没有产生扭力，因此无法观察到轴效应。

当车辆产生扭力后，由于反作用力，传递到车轮上的部分扭力反过来传递到了减震器。当扭力较低时（例如缓坡攀爬，或平路低速起步），攀爬车受到的阻力较小，减震器将把扭力完全吸收，此时同样无法观察到轴效应（在缓坡上将顺利前进，在平路上悬挂将非常平稳）。

而当阻力大幅增加（例如爬陡坡时，或平路高速起步），为了使车辆继续运动，动力系统提供的扭力也将大幅增加，这时减震器就会被压缩，直到减震弹簧所能吸收的受力（或者较软弹簧压缩到底后无法再吸收受力）超过了车身自重与摩擦力等相关因素相加产生的阻力，这时才能通过肉眼观察到轴效应。也就是底盘与车桥的相对水平角度发生了改变（在陡坡上前轮将抬头，在平路上悬挂将严重侧倾）。

我们通过对钻头的观察，也能很好的理解这个原理。当钻头旋转并顺利打穿材料时，它是牢牢固定在钻机夹头上的；但如果钻头被材料卡住，则要么它会相对夹头旋转、要么它会被拧花或拧断。轴效应同上。

三、轴效应的进一步分析

虽然轴效应最容易被观察到的现象是前桥某侧车轮抬起，但是问题的根本原因主要来源于后桥。

我们知道，水平角度的改变，会引起重心相对位置的变化（重心的绝对位置仍然是不变的）。

来看下面几幅图：










以上几幅图说明，在任何情况下，攀爬车在静置状态下翻车的极值，均是因为车辆重心位置位于支撑区的B线外侧（A线为前轮着地点垂线，B线为后轮着地点垂线，通常把A线和B线之间的绿色区域称为支撑区）。

这是一个很有趣的实验，大家可以试一试，结合本文最后一章关于重心的测量方法，得出自己车辆的重心，然后锁死轮胎（抑制陡坡自然下滑），体验一下重心位于支撑区内和支撑区外的状态。

轴效应的作用过程同理。当车辆水平角度发生改变（行驶上陡坡）后，将产生三个变因：

——车辆重心相对位置发生变化，整车质量开始向后桥集中，随着坡度增大，前桥会越来越轻，后桥会越来越重（一个相对好理解的解释），重心发生水平位移；

——集中在后桥的质量将增大后轮的抓地力；

——不断增大扭力，会给后轮带来更大的牵引力。

以上三个因素的叠加，给后轮带来了更大的前进阻力。

按照第三定律，这种阻力反作用于整个传动系统，直至抵达前桥。于是，前桥就产生了反向旋转趋势。

此时，前桥承受的重量越来越小，反转力需要克服的重量也越来越小，轻易超过极限后，车轮抬起。

进一步加大扭力，车轮抬起的角度更大，由此带来车辆重心更加明显的水平位移。当重心水平位置越过支撑区B线后，翻车。

这里又产生了一个实验方案，我们来做这样一个对比：

使用一台无OP的量产车型（无OP情况下，前后配重比偏向5:5的平衡状态），例如90056或90046。
1.拆除前传动轴，在极限坡度上行驶；
2.拆除后传动轴，在极限坡度上行驶。

通过对比，或许会出现一种有趣的情况，当车辆处在极限坡度时，拆除前传动轴，车辆的攀爬状况和原始状态相近，性能差异不大；拆除后传动轴，车辆的攀爬状况和原始状态相差较大，也就是性能骤降。（差异不大和性能骤降指二者相对而言）


为此，我们在考虑控制轴效应的解决方案中，应该重点关注后桥。

接下来一章，是控制轴效应的几种不同解决方案，这些方案并不相悖、可以同时使用，区别在于每种方案都可能对车辆的其他方面产生负面影响，例如重心的改变、悬挂阻尼的改变、车辆组件的重新设计与更换等等。因此，如何选择和取舍，在于玩家自身的需求和禁忌。

当然，即使同时全部使用这些方法，也无法彻底解决轴效应，因为作用力和反作用力不可能完全消除。但我们的目的也不是为了完全消除轴效应，而是尽可能地延迟轴效应的产生，从而提高车辆陡坡攀爬的性能。

四、当下控制轴效应的几种方案简述

（一）减小阻力：调整质量和重心，充分润滑，避免干涉

直接说结论：减少前进阻力，将延迟轴效应。为此，我们可以采取以下手段：

——减重，前移重心，前后6：4最好；下移重心，越低越好。这是最常见、最见效、也最容易实现的方法，也是对整体性能产生负效应最小的方法之一。例如，卸载你的备胎、去掉不必要的心情件，等等。

——还有这么一个说法，轴上重量，增1克嫌多。






额外说明：对于6:4的质量比，是在众多前辈对攀爬车孜孜不倦地研究中，得出的一个最优质量配比方案；它所影响的也不仅仅是轴效应，更多会影响到在攀爬过程中的重心水平位置变化情况。
单纯考虑减重，也会带来一些负效应，关于质量、重心方面的内容，笔者将另开一贴阐述。

我们来看一段小视频：




这是GOM GR01在素车情况下的陡坡攀爬能力。应该说已经超越了大部分量产车型的素车状态。为什么呢？

我们再看几张图片



设备前移



悬挂重心前置



超长轴距

整体设备前置、管架结构布局以及超长轴距的方案，使得重心大幅前移和下移。造成了甚至超过6:4的质量分布。这是其陡坡攀爬能力爆棚的重要原因之一。

当然，这种质量配比，如前文所述，也产生了负效应，就是降低了陡坡下行性能。GR01采取了断传的方法来解决这个问题。

鉴于目前普遍的轴车比赛规则，均对机械断传作出了限制，且断传会增加整车质量，因此笔者不建议完全参照GR01的布局进行调整。

——确保传动系统的足够润滑。例如齿轮系统、传动轴的伸缩系统、桥轴的轴承系统。并通过调整避免前后传动轴与其他组件的干涉。




——通过调整转向几何、舵量或桥上组件，来避免前轮胎皮与避震器、拉杆或其他部位的干涉；通过调整结合器、转向杯、轮毂，来避免轮毂与车桥的干涉。

膜拜大神精华帖……都是干货

看完后 感觉楼主好屌 我完全看不懂 只是知道很厉害

（二）调整前后桥之间的不同传动比

@NGH在《Vanquish Products Portal Axle门式车桥总成评测》
（http://www.rcfans.com/thread-1036319-1-1.html）一文中提到：

——接下来是一个新的结构部件，VP基于门桥后紧接着发布的减速齿套装（Currie Portal Overdrive Gear Set），注意，这个不是维修件，而是一个调整套件，它拥有更小的减速比。”

——门桥默认为1.67:1，调整套件为1.4:1。也就是说，提高了转速，这样如果装配前桥，可以让前轮转速适当提高。达到了类似比例断传的特性，陡坡上前轮获得更多的摩擦力，转向半径同时也能获得提升



这其中，有一点没有进一步说明，即前轮转速提高=前轮获得更多摩擦力=减小前后轮阻力差=一定程度上控制轴效应。

前后不等速传动，我们将之称为“类比例断传”，也是简单粗暴并可大幅优化轴效应的一个方案——简单来说，就是让前轮比后轮转得更快。

测试发现，提高后桥与前桥的齿轮传动比，整车的爬坡性能将会得到提高，且轴效应相应地降低。由于前桥转速加快，因此能够抵消部分轴效应。该方法能在一定程度上平衡轴效应的影响，同时控制轴效应的作用。

同时，对于尚未使用VP门桥的玩家，网络平台上还有基于各种型号前后桥的不同传动比的伞齿/锥齿，例如幽灵可以选择后桥43/13T、前桥38/13T的配置，来实现类比例断传效果。



负效应：前后轮转速差的产生，将使轮胎磨损加剧。

这才是好货。学习了。