g-g圖像？換個花樣，來看看g-g-V圖像

賽車科技發展史就是輪胎抓地力的發展史

想要評價一項應用到賽車上的科技能不能算黑科技，那我們就要看這項科技在提升輪胎抓地力方面有多大能耐。此時引入了安全機動範圍（maneuver envelope）【這個怎麼翻譯比較好】，本來呢這個工具是用作描述飛行器的性能的，我們知道賽車與飛機在很多地方相似，所以這種工具也同樣適用於描述賽車性能。三維圖表的三個坐標軸分別代表速度，側向加速度，縱向加速度，立體圖形的表面代表了賽車性能的極限，賽車所有可能的都包含在裡面。

為什麼速度，側向加速度，縱向加速度被選為描述賽車性能的參數呢？

因為速度、控制速度、控制方向是運動的基本要素。（物理上描述物體的運動需要速度和加速度，而側向加速度和縱向加速度就是加速度的正交分解後的加速度分量）。

安全機動範圍定義了在給定賽道上賽車的性能極限，賽車的性能被發揮多少，取決於賽車手能離邊緣多近。任何時候都在極限範圍內部，那就是沒有完全發揮賽車的極限性能。但能否保持在機動範圍邊緣可不是賽車手一個人的鍋，除去賽車手的技術與勇氣之外，賽車的操縱穩定性同樣重要。所以賽車的設計者和工程師不僅僅要能提供儘可能大的機動範圍，還要能讓賽車穩定行駛在機動邊緣。

與車隊努力的方向相反，方程式賽車中的各種規定的發展就是想辦法來限制安全機動界限的範圍來保證賽車手的安全，並且不讓某一個車隊的黑科技來產生壟斷從而使賽車運動失去樂趣。

安全機動極限長得像什麼樣

n在給定速度下的縱向加速度與側向加速度的圖像，就是典型的g-g圖像。圖1.1

沒有下壓力的車輛，轉向及制動不會被速度所影響，但加速度會隨著速度增加而減小（簡單的表示為F=P/v）。但如今的賽車基本都裝備有空氣學套件來產生下壓力，所以制動、轉向以及牽引力極限在機動極限圖中尺寸就會相應變大，但加速度極限會因為速度的增加產生的空氣阻力而變小。這就需要在賽車調校時權衡，有得必有失。

因此對於賽車，僅僅有g-g圖像還不夠，我們需要知道每個速度下對應的賽車性能圖表。要做出這樣的圖表，我們首先要搞清楚g-g圖像的形狀是被什麼所影響的，如何建立一套從目前已知的參數中（底盤、懸架、發動機、變速箱、制動、輪胎、空氣動力學）求得相應的gg圖像的辦法。

圖1.1中g-g圖像是從理想化的摩擦力橢圓中（原文說的是橢圓，這個保留意見）提取出的一部分。為了計算四個輪子總的最大側向力，我們首先要知道四個輪胎的垂直載荷，側偏角，camber角，縱向力，然後計算出側向力並累加起來。這時候就需要車輛模型來幫助我們了，例如Milliken Moment Method（MMM）中精細的底盤、輪胎、空氣動力學、懸架、轉向運動學及柔順性特性，來計算給定速度下最大側向加速度及縱向加速度。為了得到足夠的點來畫給定速度下的平滑曲線，需要計算至少30組數據

橢圓底部（加速度軸）被截斷是因為兩輪驅動賽車低速牽引力的限制【後輪驅動的賽車，其驅動力只能由後輪輪胎產生，相對於制動力可以由前後輪一起產生的減速加速度，加速加速度會受到限制】。如果功率沒有限制的話，四輪驅動理論上將會擁有完全的橢圓。速度較高時，牽引力不再是限制因素，但橢圓底部仍然被切掉則是由於車輪的扭矩不夠【此時發動機的功率成為短板】。

輪胎一般沒有完美的附著力橢圓，其最大值特性隨著垂直載荷和camber角的變化而改變。每個輪胎行駛的路面、camber角、側偏角、差速器傳遞的驅動扭矩都不盡相同。所以，真正的形狀並非像1.1那樣的簡單。賽車設計者必須理解曲線上每個點的限制因素，在這一點會具有怎麼樣的操縱穩定特性，以保證賽車性能最優平衡，可以使賽車手在那個點控制住賽車。一般在分析賽車模型時，會提供這種輸出信息幫助賽車設計者進行判斷。

所以在給定速度下，g-g圖像是兩坐標軸形式，其邊緣代表了車輛性能極限，其所包圍的區域是賽車都可以達到的性能。變化的速度帶來了第三個坐標軸，g-g圖像的邊緣形成了曲面，即安全機動極限。如果要計算0-350kph（Vmax）下的安全機動界限，需要計算超過1000組數據。為了突出說明速度效應的作用，我們來看一下速度對Gmax的影響。

制動和轉向呈現出相同的特性，四個輪胎上的垂直載荷隨著速度的平方增加【下壓力是隨著速度的平方增加的】，但是輪胎附著力的增加並非隨著垂直載荷線性增加的，如圖。同樣，無論是制動時候的縱向負載轉移還是轉向時候側向負載轉移，都會隨著加速度的增加而增加。因此，Gmax可以被認為是空氣動力，重心高度，前後輪距，wheelbase，懸架，防傾桿，懸架幾何形狀，底盤扭轉剛度等參數的函數。圖1.2

圖1.3闡明了最大加速度下的速度效應，呈現出兩個不同的部分，最大加速度隨著速度的增加，因為此時不僅隨著速度增加下壓力增大，而且隨著加速度的增加，負載轉移到後輪，使得驅動力增加。四輪驅動僅僅被下壓力所影響。前輪驅動的車輛則會因為加速時的負載轉移產生驅動力下降的現象。當可用的抓地力大於車輪上可用的扭矩的時候，加速度會隨著速度的增加減小到0，因為空氣阻力隨著速度的平方增加，車輪上的扭矩隨著速度的增大而減小，這部分的曲線形狀不會很平緩。因為車輪可用扭矩是根據發動機扭矩曲線變化的，而發動機扭矩曲線則被齒輪比分割，而合適的齒輪比由速度確定。

高速下的gg圖像，加速度被功發動機率限制，會呈現出這樣的圖像。圖1.4

加速度極限不再是固定值，因為功率消耗在克服轉向力上面。例如formula 1賽車240kph轉彎，僅僅克服輪胎在側偏角下的阻力就要消耗125馬力。這種特徵在印地賽車及NASCAR比賽中非常明顯，其中最牛逼的賽車手跑完一圈都不需要松油門，當賽車進入彎道速度會降下來，當出彎時轉向力減小時速度又會增加。

高速下四個輪胎完全的制動極限非常高，賽車的制動系統功率如果不能達到，或是賽車手的肌肉不能適應這種情況，那麼制動虛線就會出現。1993年制動助力出現時，最高制動g值從4g升高至5g。

把所有速度下的g-g圖表放在一起進行處理，出現z軸速度軸，產生一個三維立體。圖1.5

這就是F1賽車性能極限圖。這不是一個靜態圖像，它會隨著環境的變化而改變，例如風、溫度、賽道表面都會對形狀和大小產生影響。比如當突然下雨時，很多賽車手就會發現縱向和側向加速度的尺寸會減半。緯度和溫度差異會造成20%的空氣密度差異，這將會損失20%的下壓力。功率和阻力同樣會減小20%，因此加速度也會下降，但最高速度不受影響。那麼g-g-V圖像就會縮小20%，但高度不會變化。

賽車手的任務就是盡量控制賽車的性能接近ggv圖像的表面。在接近彎道時，極限剎車，速度下降，此時必須稍微抬起一點制動踏板，以避免鎖死【速度下降以後，輪胎能提供的制動力極限也會下降，此時必須稍微抬一點點制動踏板】。例如1.6中的A到B點。

然後在某一點入彎，（B到C）保持制動與轉向能儘可能的利用抓地力，此時的抓地力是隨著速度減小而減小的。這個區域是能區分出賽車性能的地方，同時也是能區分出賽車手的水平的地方。不穩定的賽車，在賽車手準備把車子帶到圖表的極限時，會明顯的吃力。但如果調校非常的理想，行駛在極限邊緣就會得心應手。圖1.7展示了F1賽車真正的gg圖像

穩態轉向（從D到E），比較容易能控制賽車在機動極限的邊緣。但彎道後期需要加速時（E到F），這樣轉向力就會稍微減小，縱向力增大，此時需要用方向盤和油門來持續探索極限邊緣，踩油門踏板的同時控制轉向半徑稍微增大。後輪驅動的賽車在彎道加速時呈現不穩定狀態【此時負載轉移會讓前輪抓地力減小】，但相對還是比較容易控制。回到直線賽道以後地板油、快速換擋可以讓賽車從F到A。

速度加速度制動轉向最大值【三個軸的截距】，基本上被發動機功率，制動功率，重量，下壓力，空氣阻力，輪胎所決定。而這些都是被FIA的規定所限制死了的，所有車輛輪胎相同，制動和重量基本上一樣，基本上性能就是發動機和空氣動力學的函數。兩個車隊如果擁有一樣的發動機，在空氣動力學開發和測試上投入差不多的話，那麼兩個車隊唯一能在g-g-V圖像上有差別的，就是操縱穩定性了。操縱穩定性的好壞是制動與轉向、加速與轉向能否在賽車性能極限邊緣順利過渡的關鍵。

技術限制經常也用來限制賽車手輔助系統，這些系統並不能直接擴大g-g-V圖像的尺寸，但是可以幫助車手控制車輛在其邊緣遊走。

經常用到一個類比：飛機的升力與俯仰軸，和賽車的側向力與偏航軸。但是兩者之間有一個方面是完全不同的。在飛機上控制俯仰的裝置並不產生升力，所以即使飛機達到升力極限時，俯仰裝置依然能發揮作用，控制飛機的飛行方向。

但車輛的側向力是前後輪胎一起產生的，操縱穩定性也需要前後輪胎進行控制，當達到輪胎極限時，車輛就會瀕臨失控，所以車輛在g-g-V邊緣時實際上就是一種失控邊緣的狀態。

賽車就是遊走在失控邊緣的藝術

操縱穩定性只是幫助賽車手走這根鋼絲，而能不能走完這根鋼絲則要看賽車手的水平。所以賽車是一項人類體育運動，這也就是為什麼F1可以與奧運會、世界盃，並稱為全球三大鼎級體育賽事。

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