刚性+50%，回正力矩+10%，重心-10mm，新3系操控升级背后的工程学

转载：以下全文转载自zaro，原作者/David Tracy，回答者/Robert Rothmiller

编译：MZ

宝马表示，2018年10月在巴黎车展上首次亮相的2019款新宝马3系“在动态驾驶控制性能方面再次推动了行业的发展”。

为了了解是什么原因让这辆新车的操控性比上一代更好，作者采访了动态驾控工程师Robert Rothmiller。新3系代号G20，老3系代号F30，下文统一以“新3系”“老3系”代指G20和F20，下文所指的所有3系都为标轴版3系。以下是他告诉作者的内容。

新3系的动态驾控的总设计师将车辆操控提升的主要改进分为三类：重量和轮距、车身和底盘刚性、系统性技术。重量和轮距提升弯道抓地力，车架刚性提升底盘响应速度和舒适度，系统性技术采用了更好的转向系统和悬挂系统，带来更好的驾驶体验。

文章会先从系统性技术开始讨论，特别是转向系统。因为老3系的转向系统改为电子助力后，受到了严重的批评。但在新3系上，Robert Rothmiller的团队已经在这方面取得了进步。

一、系统性技术

1.转向系统反馈（转向回正力矩）

老3系上市后受到许多关于转向系统反馈方面的批评，核心的问题是车辆如何良好的通过转向系统建立驾驶员与地面的沟通。汽车媒体Car and Drivers用价值300万美元的车身动态虚拟测试机（K&C测试机）测试老3系与再上一代3系（E90）的动态表现。媒体的结论是：“从E90到F30最明显的变化是，由于采用电子助力系统，转向手感变差了“。

特别是测试过程中，通过观察“回正力矩“来测量转向系统反馈，这种由地面和每一个前轮之间产生扭矩，通常会使得正在转弯的轮胎回正。生活中也有比较常见的类似情况，比如你可能会观察到同样的情形发生在一辆购物手推车上。这种在转弯时自动回正的扭矩，能通过转向拉杆、转向柱和方向盘来帮助驾驶员感受到前轮的实时状态。以下是汽车媒体Car and Driver发表的F30和E90的回正力矩的信息：

K&C测试机的报告指出，F30 328i的回正力矩比E90 335i小了64%。更换成电子助力后，F30的行驶里程会有所提升（电子助力节约了原本液压助力需要消耗的油耗），但对宝马车迷来说这仍然是一种遗憾。

这种测试转向系统反馈的方法，与宝马自己采用的方法类似，Robert Rothmiller告诉我，宝马通过读取受到横向加速度影响的车辆方向盘上的扭矩数据，来量化转向系统的反馈。在同样的测试中，新3系的表现比老3系提升了10%，一部分原因要归功于悬架几何结构的变化。

你在新3系上看到的悬架设定与老3系的看似一致，有双球节弹簧减振支柱前悬架，五连杆独立后悬架，但实际上并不一样。“它是一个完整的系统性优化”。

在新3系上，工程师们修改了一个叫“Nachlaufstrecke“的维度。在英语中叫主销后倾角。这个参数与车轮主销有关，但这次的修改，不光影响角度，也影响长度。

车轮主销后倾角与地面有一个相交的点，而在新3系上，工程师们定义了一个新的参数。把前面说的相交的点，与车轮接地面积中心点，两点之间的长度计算出来，就是新定义的参数（就是图中黄色横线的这部分）。这是一个重要的参数，因为这个参数实际上是一个力臂的长度，这个力臂本质上量化了路面对轮胎施加侧向力时，这个侧向力的其中一部分力，会让方向盘回正，而这个让方向盘回正的力的力臂，就是这个参数。

新3系的这个参数比上一代车型要大，一部分的原因是因为主销后倾角更大。

值得一提的是，新3系的转向轴是“虚拟的“，因为它是一个从上支撑杆到假想点之间的虚拟轴，不是一个单独的转向节。因为转向节是在这个双球节弹簧减振支柱前悬架中的两个球节间转动的。

但是这个参数，并不是转向手感反馈的唯一因素。Robert Rothmiller还同样提到了转向拉杆端部和转向轴之间的距离（他说宝马为了获得更好的转向手感已经减少了这个距离）以及转向齿轮传动比。对这几个部分的优化提升了全新宝马3系10%的方向盘转向扭矩。

前转向轴的设计为方向盘带来了更多的机械反馈，这样驾驶员就可以更好的感受到汽车是转向不足还是转向过度，车辆的操控感会具有预见性和真实性。

还有一件事情值得一提，我和Robert Rothmiller没有真正讨论过电子转向助力的调教，因为这经常被指责为是过滤掉方向盘转向手感的罪魁祸首。Robert Rothmiller没有提到的其中一个可能的原因是，新的转向助力调教带来的反馈提升，可能达不到上述几何结构变化带来的程度。汽车媒体Car and Drivers与底盘部分负责人Jos Van As进行了交谈，并且试驾了全新3系的原型车。他们似乎证实了这一理论，Van As表示：

宝马的底盘调教团队学到的一个关键信息是：像是自动回正这样的依靠电子转向助力提供的方向调整，往往会扼杀操控感。而这一次，他们在基本运动学上花了更多力气，取得了良好的效果。

2.转向指向性（可变转向比）

宝马折腾可变传动比转向系统已经有一段时间了，大部分时候被操控原教旨主义者所唾弃。问题在于转向系统的改进使得转向速度变快了，目的是在高速公路行驶时微调的手感更好，但实际操控表现却很难以捉摸。

事实证明，如果有一个机械部件产生了奇怪的变化，那宝马就会换掉它。

不出所料，Robert Rothmiller正在修改与M运动车型和M自适应悬挂配套的新可变运动转向系统的设定。以下是它的工作原理。

在转弯时，齿条的中心开始往两边移动，在移动中，齿条上齿轮间距逐渐增加，因此转向比发生变化。在老3系上，由于转向齿条上齿轮间距的变化不是连续的，而是突然的，因此转向比产生了非常突兀的变化。下面用一张草图来解释这个概念：

在齿条的中心，齿轮与齿条的每一个齿都结合的很紧密，这意味着方向盘与车轮的转向比较小。在高速行驶时这样的设定会让转向灵敏度降低，车身更稳。但是当驾驶员更进一步转动方向盘时，齿条上的齿与齿的间距开始变大，每打一定角度的方向盘，车轮的角度变化的更大了，这就意味着转向更直接。

在图中，虚线表示旧的宝马转向系统设计方案。请注意比较不敏感的高转向比到较为敏感的低转向比，有一个急剧的变化。Robert Rothmiller告诉我，如果驾驶者不能预测到转向比的变化，在过弯时可能会导致驾驶者把方向盘转过头。

修正后的转向机通过连续地增加的齿条齿轮间距，使转向机从中间的高转向比，平稳的过渡到低转向比，如图所示。Robert Rothmiller说，这一变化在关键在于精准度，以及为驾驶者建立一个可预测的转向手感。这是一个例子，这个例子可以说明新3系变化之处不仅限于转向手感的调整，更降低了驾驶者的门槛。

在主销后倾角和转向齿比调整的变化后，宝马认为这些已经改善了新3系的整体转向手感。

3.渐进式避振器

Robert Rothmiller还谈到了新3系的悬架系统，尤其是宣传该车型全新的渐进式避振器，这是宝马首次在常规车型和M车型上都标配这种避振器，它会根据车轮压缩的行程改变避振器的阻尼。

Robert Rothmiller甚至还画了一张避振器工作时的图例：

在左侧，“RA“代表后桥，在避振器中有一个更小的避振器。当汽车空载时，小避振器在小管道外。但当汽车增加了载重量后，走过起伏不平的道路，或者快速进入一个弯道，造成明显的负荷转移时，小避振器会进入小管道内，提供更多的阻尼。

Robert Rothmiller告诉我：“一旦小避振器进入小管道内，避振器就会获得更大的阻尼。”但它并不用完全进入小管道才产生效果，临近接近小管道时也有效果。当小避振器与小管道的距离为0.8-1.2英寸，一直到进入小管道大约4英寸，整个过程中都会产生一种叫“Staudruckeffect”现象。在我看来就是大管道内腔逐渐压缩，在避振器进入小管道之前，也会产生更高的阻尼。

Robert Rothmiller画了一个阻尼产生的力和压缩行程的关系图（下图），就是图中“2”所对应的坐标轴。在正常行驶时避振器行程标注为1b，避振器轻度压缩时标注为1a。这样避振器的工作过程就标成了一张可视化的图。

阻尼产生的力（纵轴）与压缩行程（横轴）的曲线图，表示了两者的函数关系。在横轴上方的所有坐标代表车轮相对车身的升高（压缩行程为正），下方的所有坐标代表车轮相对于车身的降低（压缩行程为负）。

假设你的新3系在行驶时撞到了一块石头，没撞到之前正常行驶时的避振器所在位置为0，也就是1a图中的1号位置。当你撞到障碍物，车轮相对车身呈上升动作，避振器行程为正，随着行程的增加，会有更大的阻尼产生的力来阻碍车轮上升。

来自中国的底盘零部件供应商BWi集团也提供了类似的避振器，并通过图片展示了具体的阻尼产生的力：

在正常情况下，避振器就跟普通避振器一样。在非正常情况，也就是避振器压缩接近极限时，阻尼产生的力会增大到最多50%，宝马也把这叫作“压缩制动器”。

下图的右侧所示的前避振器与后避振器基本相同，但是前避震器只在回弹时增加阻尼。避振器本身包括一个大管套小管，以及活塞环和活塞杆。Robert Rothmiller告诉我，把重点放在前轮的回弹阻尼和后轮的压缩阻尼上，是为了减轻碰到颠簸时的车头抬升和后轮下蹲。Robert Rothmiller还向汽车媒体Road&Track进一步阐述了这个想法，他说：

如果你在起伏不平的路上开车，前桥会把车抛起，而后桥会下陷或者从坑里强行通过。我们把这称之为“skyhook”，意思是你被天空勾住了。请永远不要失去车身的水平姿态。

这种标准化的、纯机械的渐进式避振器安装在新3系的前后桥，有助于在起伏的路面加强车身的控制力。

二、重量和轮距

Robert Rothmiller告诉我，有两个重要的参数在改善新3系的操控时可以发挥作用，它们是重量和轮距。轮距是介绍新3系时就会被提到的一点，前轮距增加了43mm，后轮距增加了21mm。

值得一提的是，像3系这样的家用车轮距越做越宽并不是什么令人惊讶的事，毕竟这种车型的卖点之一就是越来越好的空间。但Robert Rothmiller觉得另一个值得探讨的是新3系将比现款3系更好的过弯抓地力。除此以外，能够看到工程师们在3系这样一台万金油的车上如何在平衡和突破中寻求答案也是一件很有意思的事情。

Robert Rothmiller告诉我，增大轮距通常受到很多因素的制约，包括全球停车场的尺寸（特别是德国和日本）、较小的转弯半径、前悬挂的弹性力学极限等。另一方面，它不能太重，必须尽可能小、尽可能宽，但又不能比5系更宽，而且架构上也有限制。

至于重量，尽管新3系比老3系车身长59mm，但同配置情况下总体重量轻了55kg。车里几乎每一个零部件都轻了，不仅仅是全铝发动机盖和翼子板这样的大件，而是整个车身材料的选择更“聪明”了。

宝马的新闻稿用“聪明”一词来描述铝和高强钢的混合材料，使车身结构件轻了20kg。值得一提的是，宝马的美国媒体网站对全新宝马330i和330xi车型的描述，车身重量分别增加了18.6kg和26.3kg，我怀疑这种明显的重量增加和新车额外的配置有关。

或许与车身重量这个参数一样重要的是重在哪里，新3系保持了前后轴荷50：50的重量分布，在垂直的维度上，车身重心下降了10mm。这个点再加上更宽的轮距，可能会对车身动态表现产生重大影响。

更宽的轮距和更低的重心可以让你用更快的速度过弯。

虽然Robert Rothmiller没有在细节上描述更宽的轮距和更低的重心是如何影响操控性的，而我离汽车动力学专家也差得很远，不过改善这两个维度的确是减少过弯时车身侧倾的一种方法。

减少侧倾可以提高整体抓地力，因为有一个概念叫做轮胎载荷敏感性。这个概念从本质上描述了橡胶轮胎与地面之间的摩擦系数，在载荷或法向力超过临界点之后，是随着载荷或法向力的增大而减小的，这是橡胶的一个固有特性。

在极其简化的图中，展示了轮胎垂直载荷降低时抓地力递减的速率。轮胎的整体抓地力不会随着垂直载荷的降低而以同样的速率降低，它降低的会相对慢。这是因为摩擦系数的降低也相对慢。

下面是轮胎载荷敏感性与载荷转移之间的关系：在上图中，有两个案例。Case 1表示一辆总重4000磅的汽车在没有任何载荷转移的情况下通过一个弯道。内侧车轮和外侧车轮都承受了2000磅的垂直载荷（为了便于理解，我们视内侧车轮和外侧车轮为两个单独的实体）。所以内侧车轮和外侧车轮都在坐标“A”处，A对应下的抓地力为横坐标“2”（数字是编的，仅供参考）。总抓地力简单的说就是内侧车轮和外侧车轮牵引力之和，也就是“4”。

Case 2表示一辆同样的车在转弯处发生了大量的载荷转移的情况，此时外侧车轮比内侧车轮承受了更多的载荷，外侧车轮3000磅，内侧车轮1000磅。外侧车轮的抓地力比案例一的情况要更大，处在坐标“C”处，横轴上的抓地力为“2.5”（比案例一上升了0.5），但是案例二比案例一的抓地力增加了25%，并没有像案例二比案例一的载荷增加的那么多（载荷增加了50%）。而案例二的内侧车轮载荷是1000磅，抓地力为“1”。综上所述，由于载荷转移，导致同样是4000磅的车，案例二中车辆转弯时产生的抓地力为“3.5”，小于案例一的“4”。

这是一个非常简化的案例，但关键是在轮胎的摩擦系数随着载荷的增加斜率降低的情况下，减少汽车的载荷转移，从而获取到更大的轮胎抓地力。

要理解新3系较低的重心和更大的轮距是如何帮助车辆降低载荷转移的，你可以简单的想象一下，在你的脑海中一些低而宽的东西不太容易翻到，并在弯道中将载荷转移到外侧。

了解了多少载荷会转移到外侧车轮、它和抓地力之间的函数关系、以及轮距和重量，我们意识到这辆车的各种力和力的作用杠杆的计算求和必须最终等于0，才能让车辆不至于侧翻。

让我们来看看以下这种情况。车辆在尝试逆时针方向转弯时外侧车轮会有一个载荷，同时内侧也会有一个作用于车轮的力“ma”，而在向心力的作用下，车辆会试图顺时针旋转。

通过计算你会发现，在转弯时作用在内侧车轮的垂直向下的力，就是车辆重力的二分之一-（汽车质量×横向加速度×重心高度）除以轮距。换一个说法就是初始垂直载荷-mah/2t。得出结论是：载荷转移与重心高度成正比，与轮距成反比。

公示如下：

载荷转移=（汽车质量×重心高度×横向加速度）/轮距

看着这个方程式，很明显，较低的重心和较大的轮距都降低了轮胎在过弯时的载荷转移，又由于轮胎的载荷敏感性，过弯时的抓地力增加了。这就是为什么新3系的低重心和宽轮距可以达到更好的效果，特别是过弯时的抓地力。

同样因为轮胎的载荷敏感性，证明了为什么汽车前后轴荷50：50的重量分布对于最大限度的提高抓地力是如此重要，如同工程师提到的那样。

三、 车身及底盘刚性

底盘刚性是你在汽车行业中经常听到的一个词。一个刚性不强的底盘无法在转向时提供快速的反馈，也不容易操控，因为当汽车的悬挂硬点因弹性形变而产生位移时，车身就弯曲的像一个不受控制的弹簧。

宝马称新3系车身比上一代加强了25%，在部分区域甚至提高了50%。Robert Rothmiller告诉我，部分区域是指前悬的塔顶，以及前副车架。

新3系的悬架，特别是其高性能版本的悬架，可以“以最有效的方式进行工作”。Robert Rothmiller告诉我，特别是在M340i车型和其他高性能版车型上，更强力的弹簧、避振器、转向机、刹车，以及特质的衬套，刚性更强的车身是关键。简单来说，旧的零部件太软了。在较软的底盘上使用硬的衬套、避振器、弹簧，驾驶起来既不好玩也不舒服。

根据宝马发布的新闻稿，新3系的M车型和自适应悬挂的弹簧硬度比老3系在没有损失舒适性的同时增强了30%。更硬的弹簧有利于减少车身的侧倾，但硬弹簧作用在软车身上是很难有效果的。

Robert Rothmiller告诉我，宝马之所以能取得这些进步，很大程度上是因为宝马的建模方式发生了变化：

“我们学到了很多关于如何建模以及如何用计算机模拟底盘和身体刚性的技术”，他说，他们团队曾经习惯于通过千斤顶支座点来测量车身刚性，不过现在使用建模技术，可以通过模拟路面、轮胎、底盘、甚至驾驶者来测量刚性，并进行相应的优化。

四、 更多方面

Robert Rothmiller提到的一些其他的变化，也可以帮助新3系做的更好，比如后轴前束和外倾角被设计成在行驶时遇到颠簸仍能保持平衡以防止后轮使车身自己转向、新的轮胎、新的刹车助力器、新的提供“更运动的踩踏感”的M车型的液压刹车。更不用说还有配备了被宝马称之为“新的阀门和优化控制算法”的带有电子阻尼调节避振器的新自适应悬架。

但根据我和Robert Rothmiller的讨论，最重要的事情应该就是关于增加车身刚性、改善转向机的几何结构和反馈直接性、新的避振器以及改变整体车辆的尺寸。

宝马表示，新推出的G20 3系在驾驶、操控、转向方面都优于上一代，毫无疑问，它肯定会成为最好的运动轿车。宝马的公司代表在电话里坚定的告诉我。

晚些时候，当我们有机会开车时，我们将会了解到所有这些是如何转化成现实的。

就在最近，我们第一批试驾了国产版的宝马3系325长轴版。以上采访宝马官方的记录中展现的技术和理念，是否在国产版宝马中有所体现，又是否在驾控层面得到了明显的提升呢？请关注丁丁说车已经发布的全新3系试驾视频。