## Understeer & Oversteer

本篇接下來將探討以下三個問題：
1. 什麼是不足轉向(Understeer)和過度轉向(Oversteer)？
2. 這些轉向特性在實際駕駛中有什麼表現？
3. 什麼用途需要什麼樣轉向特性的車輛？

### 轉向特性的定義

**不足轉向 (Understeer)**
- **俗稱**：「推頭」。
- **定義**：實際的方向盤轉角 $>$ 預期的方向盤轉角。
- **白話文**：在特定外力(如側向力、坡道)或駕駛操作下，為了維持車輛原有的行駛路線，駕駛者必須輸入比預期中更大的方向盤轉角。

**過度轉向 (Oversteer)**
- **俗稱**：「甩尾」。
- **定義**：實際的方向盤轉角 $<$ 預期的方向盤轉角。
- **白話文**：相對於不足轉向，駕駛者需要輸入比預期中更小的方向盤轉角(甚至反打方向盤)來維持路線。

### 物理基礎性質

#### 側偏角 (Slip Angle) 與側偏力 (Side Force)
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- **側偏角 (Slip Angle)**：
1. 當車輪轉向時，輪胎滾動的實際方向與輪胎中心線指向的方向會產生一個夾角，這個夾角即為側偏角。
2. 此現象源於輪胎胎面的彈性(elasticity)，在受力時會產生扭曲變形。
- **側偏力 (Side Force/Cornering Force)**：
1. 輪胎因側偏角產生變形後，其彈性結構會產生一股恢復到原來形狀的趨勢，這股力量就是側偏力。
2. 側偏力是使車輛得以轉向的關鍵。它可以被分解為垂直於滾動方向的**側向力(Cornering Force)** 和與滾動方向相反的**切向力(Braking Force)**。
3. 由於側偏角通常很小，通常不嚴格區分側偏力與側向力。
- **側偏剛度 (Cornering Stiffness)**：
- 在側向力-側偏角關係圖中，曲線的斜率($\tan\theta$)被定義為側偏剛度。
- 側偏剛度越大，代表輪胎越「硬」，在同樣的側偏角下能產生更大的側偏力，通常被認為是更具運動性的輪胎。

#### 影響輪胎側偏特性的三大因素
1. **載荷 (Weight)**：在一定側偏角下，垂直載荷越大，輪胎能產生的側偏力也越大。
2. **驅/制動力 (Driving/Braking Force)**：驅動力或制動力會佔用輪胎的抓地力，導致側偏力下降。
3. **輪胎規格 (Tire Spec.)**：一般來說輪胎越扁、越寬，其側偏剛度越大，能產生的側偏力也越大。

### 輪胎和車輛的轉向行為

#### 穩態回轉 (Steady-State Cornering)
- **流程**：
1. 駕駛打方向盤，前輪產生側偏角，生成前輪側向力。
2. 前輪側向力使車身繞其質心產生一個橫擺(Yaw)的角速度。
3. 車身橫擺使得後輪也產生了側偏角，從而生成後輪側向力。
4. 當車輛的橫擺角速度不再增加，前後輪的側向力之和剛好等於車輛轉彎所需的向心力($F = m \frac{v^2}{r}$)時，車輛進入穩態回轉狀態。
- **力矩平衡**：
- 前輪側向力產生的力矩稱為「回頭力矩」(Turning Torque)，它使車輛開始轉向。
- 後輪側向力產生的力矩稱為「恢復力矩」(Recovery Torque)，它抵抗橫擺，使車輛趨於穩定。
- **穩態轉向特性**由這兩個力矩的淨和決定。

#### 穩態轉向特性分類
- **不足轉向 (Understeer)**：
- **條件**：恢復力矩 > 回頭力矩。
- **現象**：車輛產生向彎道外側偏航的趨勢。
- **過度轉向 (Oversteer)**：
- **條件**：回頭力矩 > 恢復力矩。
- **現象**：車輛產生向彎道內側偏航的趨勢。
- **中性轉向 (Neutral Steer)**：
- **條件**：回頭力矩 ≈ 恢復力矩。
- **現象**：車輛航向角保持不變，即使速度增加，仍能維持在原有賽道上。

### 動態轉向
穩態轉向特性是車輛的基礎，由其自身設計決定。而動態轉向(Dynamic Steering)特性是在此基礎上，因駕駛操作（煞車、油門），或外部條件（坡度）而產生的疊加變化。

==**總轉向特性 = 穩態轉向特性 + 動態轉向特性**==

#### U型彎道中的動態轉向分析
一個典型的U型彎包含5個階段：
1. **全力制動 (Full Braking)**：
- **現象**：重心前移，前輪載荷增加，後輪載荷減少。
- **結果**：前輪側向力下降得比後輪少，產生恢復力矩，導致不足轉向 (Understeer)，車輛軌跡外移。
2. **循跡制動 (Trail Braking) / 丟油門 / 下坡**：
- **現象**：輕度制動或重心前移。
- **結果**：前輪側向力增加，後輪側向力減小，產生回頭力矩，導致過度轉向 (Oversteer)。
3. **穩態回轉 (Steady Cornering)**：
- **現象**：處於彎心(Apex)，不踩煞車也不給油。
- **結果**：呈現車輛本身的穩態轉向特性，通常是弱不足轉向或中性轉向。
4. **緩慢加速 (Trail Acceleration) / 上坡**：
- **現象**：重心後移，後輪載荷增加，前輪載荷減少。
- **結果**：後輪側向力增加，前輪側向力減小，產生恢復力矩，導致不足轉向 (Understeer)。
5. **全力加速 (Full Throttle)**：
- **後驅車(RWD)**：後輪驅動力大增，導致其側偏力大幅下降。產生強烈的回頭力矩，造成過度轉向 (Oversteer)，軌跡外移(Run Wide)。
- **前驅車(FWD)**：前輪驅動力大增，側偏力大幅下降。疊加載荷後移導致的不足轉向，產生強烈的不足轉向 (Understeer)。

### 總結討論

#### 什麼是不足轉向和過度轉向？
- **直接原因**：
- 產生恢復力矩的是不足轉向。
- 產生回頭力矩的是過度轉向。
- **分類**：
- 轉向特性可分為穩態轉向和動態轉向。
- 穩態特性由車輛本身設計與調校決定；動態特性由駕駛操作與外部因素決定。
- 兩者疊加後，構成實際體現出的總轉向特性。

#### 這些轉向特性在實際駕駛中有何表現？
- **穩態工況**：
- 不足轉向的汽車隨車速提高而向外偏離車道。
- 過度轉向的汽車隨車速提高而向內偏向彎心。
- **外力干擾**：
- **不足轉向**: 具有**抗干擾能力**，具預測性與容錯空間。如果彎中速度過快，車輛的極限反應是「推頭」，車輛沿著彎道切線方向滑出。雖然軌跡變大了但車身姿態仍然穩定，可以想像轉彎的慣性與推頭的方向相反，所以不會使車頭過偏。
- **過度轉向**: 會**放大干擾**，容易失控。車輛在極限時會「甩尾」，駕駛者需要非常迅速且精準地反打方向盤來修正，否則車輛會立刻打轉，因為後輪失去抓地力而前輪持續提供側向力。

#### 什麼用途需要什麼樣轉向特性的車輛？
- **民用車**：
- **穩態**：足夠的不足轉向以確保安全性。
- **動態 (循跡制動)**：弱不足轉向，以便在循跡制動工況下仍留有一定的不足轉向。
- **動態 (緩慢加速)**：不足轉向。
- **賽車**：
- **目標**：追求最快的過彎速度。
- **穩態**：要求在穩態工況下有較弱的不足轉向，甚至接近中性轉向，以最大化利用輪胎極限。
- **動態 (循跡制動)**：可以有一點過度轉向，幫助車頭指向彎心，實現更快的入彎。
- **動態 (緩慢加速)**：應有盡量弱的不足轉向，以便更早、更多地使用油門加速出彎。

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Reference:
https://youtu.be/H6Bo3E8NH-U?si=IDBYAaYgDNeYu6Vc