國王車訊國王學苑 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》
【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》

【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》

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加速性能
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乘坐舒適
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動態操控
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內裝配備
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物有所值
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先進科技
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油耗表現
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安全配備
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【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》

過去的 「探索底盤絕對領域」專題當中,皆是以市售車款為主角來解析底盤懸吊結構,至今也介紹了數種不同的底盤設計以及改裝實例。不過這次的主角相當特別,是先前【國王車訊】曾經報導過的 清大學生方程式賽車,由於是以方程式賽車的邏輯設計而成,因此底盤的許多設計將會脫離市售車款在空間或者實用性的考量,完全以追求操控為主要目的。藉由著這次《NTHU Racing-清大賽車工廠》在進行參賽前夕最終準備與四輪定位調整的空檔,我們也把握機會近距離研究這款由台灣一群擁有高度專業知識技能的青年學子自行研發、設計、製造的方程式賽車。

  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》清大車隊隊員和協助這次定位作業的專業技師
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》清大車隊當中也有女性隊員

車架底盤

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▲鋼管結構車架的清大學生方程式賽車

清大今年的兩輛方程式都是使用鋼管車架結構,材質使用了在賽車、航太、軍事領域都相當常見的鉻鉬合金鋼管,鉻鉬合金除了擁有相當高的強度之外,重量也比相同強度的鋼材來得輕盈。在進行車架製作之前,負責車架底盤設計的小組必須先以電腦軟體進行模擬和初步測試,之後才進行實體的車架製作。

由於前代的車架「過度設計」,雖然強度、抗扭剛性都非常優異,但是較重的重量卻也削弱了賽車整體的性能。為了強化今年賽車的競爭力,今年清大車隊即重新設計全車的車架結構,把重量從前一代的41公斤削減至37公斤,或許數據上看起來並不多,但是以全車重量僅200公斤出頭的學生方程式賽車來說,每減少1公斤,都足以對車輛性能產生影響。

在不需要考量實用性的情況下,學生方程式賽車的車架只需要足夠容納車手與操作機件加上乘載動力系統的空間即可,因此車架的體積通常只比一位成人的體型稍大而已。而就結構設計來說,三角形擁有比較優異的強度與剛性,因此可以在車架多處見到四邊形的結構當中以X型支架或者在四邊形對角線加入支架等等這些把結構變為數個三角形來強化整體架構的設計。另外,由於搭載電動系統的電動賽車需要在座艙兩側額外設計承載電池模組的架構,讓車架重量達到48公斤,卻也因此大幅增加了此車的剛性結構,讓這輛電動賽車雖然車重較重,卻也有著更高的抗扭剛性。

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 ▲車架結構當中有許多將四邊形劃分為三角形的強化結構

座艙的部分,座椅以碳纖維材質製作而成,提供車手良好的包覆性與支撐性,輔以六點式安全帶的幫助,就能夠在激烈操駕時穩穩地固定住車手坐姿,也確保了車手的安全。除了多點式安全帶之外,在正式比賽時,車頭位置還會有一塊可潰縮的蜂巢結構緩衝裝置,如果遭遇到無法避免的撞擊情況時,能夠吸收掉部分衝擊力道,將傳遞至車手的撞擊力道減到最小。

  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》學生方程式賽車的車架
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》六點式安全帶
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》碳纖維座椅

懸吊設計

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 ▲清大兩台賽車都是前後推桿式雙A臂懸吊

清大的這兩輛學生方程式賽車擁有相同的懸吊結構,前後懸吊都採用了推桿式雙A臂的形式,懸吊連桿則都是以鈦合金管材製成。推桿式雙A臂的優勢在於擁有高度自由的幾何設計,因此可以依照不同車架的型態和所需的懸吊運作特性來打造專屬的懸吊系統,這也是為什麼我們經常能夠在不同類型的賽車以及超級跑車上看到推桿式雙A臂的原因之一。同時,推桿式的設計將避震器一部分甚至幾乎全部的重量都交由車架乘載,這也有助於降低懸吊結構的整體重量,讓車輛的懸吊反應和操控表現進一步提升。

首先看到前懸吊的部分,可以看到相當明顯的上A臂(藍色箭頭)與下A臂(綠色箭頭),在下A臂上方的連桿則是連接著轉向機構的方向機連桿(白色箭頭)。推桿(黃色箭頭)則固定在下支臂近羊角端,做動時會透過搖臂(紅色箭頭)推動固定在車架上的避震器。A臂設計的優點在於能夠承受強大的縱向與橫向力道,讓賽車在劇烈加速、煞車與轉向時能夠擁有極佳的穩定性和懸吊剛性,當中也可以看到所有的支點都是採用魚眼軸承結構,讓懸吊在做動時更加精準。

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 ▲前懸吊結構指示說明

在推桿式的懸吊結構當中,無論是A臂長度、A臂角度、推桿支點位置、搖臂支點位置等等都需要經過繁複的計算,才能夠賦予賽車應有的操控水準,因此不得不佩服這群學生的專業能力。

羊角的部分,清大的隊員表示曾經有在劇烈煞車的情況下因為羊角強度不足而毀損。在汲取了失誤經驗之後,此次以鋁合金CNC切削製成的羊角在結構上進行強化,可以看見許多鏤空的三角形設計,在強度提升的同時也保有了應有的輕量化。而這些看似不起眼的地方,正式清大學生方程式車隊的所有隊員在不斷的嘗試、失敗與成功之間一點一滴累積的工程結晶。

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 ▲結構強化的羊角

接著看到後懸吊,橫置的避震器讓後懸吊的視覺效果相當獨特,但是基本上其架構與做動方式和前懸吊並沒有太大的分別。不過這又帶到了推桿式懸吊的另一項優點,就是能夠藉由避震器的擺放位置讓車體重心更加集中,優化車輛的動態反應。

結構上,後懸吊系統同樣是由一支上A臂(藍色箭頭)與下A臂(綠色箭頭)組成,位在下A臂後方的則是負責控制與調整Toe角度的Toe連桿(白色箭頭),推桿(黃色箭頭)與前懸吊相同固定於下支臂上。後懸吊的推桿較長,延伸至搖臂(紅色箭頭)來推動橫置的避震器。

  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》後懸吊結構
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》推桿式雙A臂
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》後推桿搖臂與橫置避震器

同樣是底盤懸吊系統的一部分,清大的這兩台賽車將會搭載來自美國的Hoosier學生方程式專用賽車胎,輪圈則分別是OZ Racing專門提供給學生方程式車隊的13吋鎂合金鍛造輪圈以及Rays的13吋鍛造輪圈。

  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》OZ Racing 13吋鎂合金輪圈
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》Rays 13吋鍛造輪圈
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》Hoosier雨胎和無紋賽車胎

四輪定位

【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》

今年的國際學生方程式日本區賽事預定於9月舉行,因此在運往日本之前,清大車隊的兩輛賽車進行了賽前的定位調整作業。為了表示對於這群學生的支持,資深底盤定位專業人士洪小小負責提供定位與換胎相關協助。

由於在車輛、懸吊設計的時候,這兩輛學生方程式賽車就已經設定了基礎的懸吊幾何角度,因此這次的賽前四輪定位主要針對Camber與Toe兩個角度進行調整,同時盡可能的不更動其他懸吊幾何角度。也因為學生方程式的重量輕,因此進行定位的時候車手必須要坐在車上,才會是懸吊在正常負載時的幾何角度。

  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》清大賽車由大城機械載抵定位場地
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》定位時車手必須坐在車內

為了在調整Camber角度時不影響到其他懸吊幾何角度,這兩輛學生方程式賽車採用了和許多方程式賽車與高階房車賽車相同的調整方式,就是以羊角上的墊片來改變Camber角度。從圖中可以看到,清大學生設計的羊角和上支臂支點之間有著一個夾層,當夾層內插入越多或者越厚的墊片,Camber就會往正角度增加;如果把夾層內的墊片移除,Camber則會往負角度增加。而在考量了懸吊幾何變化時Camber的動態變化等因素之下,清大的電動賽車與汽油賽車都同樣將Camber設定在前負1.0度、後負1.5度,Toe角度則透過Toe連桿將前後的總Toe調整為Toe in約0.1度,讓車輛有著較靈活又不失穩定的動態。

  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》羊角上的插槽能夠以墊片改變Camber角度
  • 【國王學苑】探索底盤絕對領域─《清大學生方程式賽車》Camber墊片
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在完成了四輪定位的設定之後,清大車隊也順道為兩輛賽車換上新胎。在一切整備就緒之後,清大也在8月中順利將兩輛賽車運往日本,【國王車訊】也預祝這群熱情、專業的學生們能夠奪得好成績,屆時也會隨時追蹤並且回報學生方程式日本區賽事的賽況。

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另外,先前在清大新車發表的報導當中,曾經誤報清大是今年唯一一支參賽的台灣車隊。事實上,來自南臺科技大學的《南臺學生方程式賽車團隊 Southern Taiwan Racing Team》也將會參與今年的比賽,至於台灣唯三的另一支學生方程式車隊《北科大學生方程式賽車隊-Taipei Tech Racing》則為了籌備一油一電的方程式賽車而決定明年再戰。讀者們也可以前往下列三支學生方程式車隊的Facebook專頁給予這些學生們支持鼓勵與關注他們的動態。

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圖片來源:King Autos / NTHU Racing-清大賽車工廠 / 南臺學生方程式賽車團隊

協力合作:

全台最帥定位專家-洪小小

燃起台灣賽車火苗的工程師們-清大賽車工廠全體隊員

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