動態賽車模擬器全方位百科（三）｜物理概念．應用力學

本偏重點在拆解四軸模擬器擴增的更多軸，底盤的DOF表現原理，以商用對標了話，可以參考D-BOX x Benz 第五代 動態模擬器 / RSEAT HFL4 G5 動態通用平台，底盤在講的就是這個部分．

並且不討論Stewart的6 DOF設計（目前沒研究）

上一篇我們已經把四軸能做到的三個自由度（Pitch / Roll / Heave）先交代過一次。無論是 DBOX，還是 DIY 圈最常見的 SFX100 基礎架構，本質上都屬於「四軸在做三個 DOF」的不同變形。

而四軸真正補不齊的，是另外三個自由度：Surge（前後位移）、Sway（左右位移）、Yaw（俯視旋轉）。所以你可以把這篇文章的重點先記成一句話就好：

「如何透過底盤，把 Surge、Sway、Yaw 這三個 DOF 補回來。」

先講清楚：剩下三個 DOF 是什麼

先把名詞講清楚，後面看各種底盤設計，就不會被「看起來都在橫移」搞混。

Surge 是前後方向的位移，最常對應到加速與煞車時，整台平台像是「往前」或「往後」滑的速度感。Sway 是左右方向的位移，常對應到側向滑動與橫向 G，你會感覺平台「往左」或「往右」整體側移。Yaw 則是旋轉，直覺上更像是車尾在甩、方向在改變，也就是平台繞著某個點在轉。

Yaw跟Sway很容易搞混，都是一個繞著圓心轉會發生的行為，我們用一個簡單的方式區分，看「旋轉中心位置」：

• 當中心離車頭，座椅很近、感覺偏向原地自轉：偏 Yaw。
• 當中心離車架很遠，例如像是繞著前方十公尺為中心旋轉、幾乎像整台在平移：偏 Sway。

我們怎麼補四軸缺的這三個 DOF

底盤補軸，多數設計最先想補的往往不是平移，而是四軸幾乎騙不出來的「旋轉」。原因其實很現實：真車的加速多半是 Surge 和 Pitch 疊在一起；過彎則常是 Yaw、Sway、Roll 交疊在同一個瞬間。四軸在做 Pitch 與 Roll 時，靠感官欺騙還能讓人「以為」有一些 Surge 或 Sway，但 Yaw 這件事，四軸幾乎很難讓人接受到這個感受。

因此，多數底盤設計會先以「Yaw 」作為前提，先把旋轉做出來，再來談剩下的自由度。

另外也要先把本文的比較邏輯說清楚：底盤加軸的首要目的，是取得更多自由度。因此，這裡更偏向用「同樣的軸數下，哪一種配置能取得最多、最有感的 DOF」來做對照，而不是去證明「某個動作能不能做得出來」。你會發現一些看起來也能做，但實務上很少這樣做的例子，通常是因為那不是最優解。

所謂的增加軸指的是電缸的增加，商用的部分則是D-BOX的增加

五軸 4 DOF表現，底盤增加「1 軸」的情況

只多加一軸時，最常見的路線，是把新增的那一軸放在後方橫向，再在車頭或座椅下設一個轉軸，讓平台能做出 Yaw（旋轉）。因為只有一個點在動，本質上是「繞前方旋轉」，體感自然更偏向車尾在擺動。

另一種思路，則是把新增的一軸放在中間，沿著車頭方向做直向配置，並搭配滑軌來表現 Surge，讓加速與煞車的速度感更直接、更容易被感受到。

至於把新增的一軸放在中間橫向、專門拿來做 Sway 的配置，因為體感相對較差，所以整體上比較少見。

六軸 4.5 DOF表現，增加「2 軸」的情況

同一平層多加兩軸時，常見大致會往兩種方向發展：一種是把兩軸沿前後向配置，讓同一層主要去處理 Surge + Yaw；另一種則是把兩軸沿左右向配置，試圖在同一層同時拿到 Yaw + Sway。

這裡需要先提醒一點：單純的 Yaw 體感其實也會帶到一點 Sway，只是不明顯，所以本文描述時會以「Yaw」作為主要形容，避免名詞越講越亂。

多數主流之所以會以前後向配置為主，關鍵在於同平層設計的核心問題：體感互吃。（專有名詞：軸耦合）

理解了這點之後，就會看懂為什麼多數設計會偏好前後向配置。

如果採左右向配置（Yaw + Sway），兩者幾乎都在「過彎」情境同時發生，因此動作互吃的機率很高，最後常常是兩個都被削弱。

相對地，前後向配置（Surge + Yaw）在過彎加速時也會同時表現，但在直線加速時，Surge 反而能有機會單獨表現。也因此，同樣是兩軸，這種配置通常更容易讓人感受到「自由度變化」比較多。

這就是我們說的4.5DOF，很難乾淨表現5DOF

再主流的六軸設計限制，通常表現介於 4~5 DOF 之間。為了更接近 6 DOF，除了增加電缸軸數之外，往往還需要做「分層」，才能讓動作更乾淨、較不互相抵消。

七軸 5.5 DOF表現，增加「3 軸」的情況，並增加「分層」

七軸的設計上，最常見做法是把 Surge 做成獨立層，剩下的留給下層做橫向兩軸，去表現 Yaw + Sway。

為何不是在主流六軸設計上再加一軸就好？可以先把四軸缺的三個 DOF 拿出來，當成一個獨立平層去檢視需求。

Yaw 用轉軸配一個電缸，其實已經能合理表現，但用兩個電缸反應會更乾淨。Sway 若用滑軌配一個電缸，受結構影響會稍微力不足；兩個電缸較 OK，不過橫向空間相對較短，能表現的行程也較短。Surge 若用滑軌配一個電缸就能合理表現，而且直向空間相對較長，能表現的行程也較長。

基於「最優解」的取捨，把 Surge 單獨做一個平層，通常會拿到更強的體感與相對較低的成本。

八軸 6 DOF表現，增加「4 軸」的情況，並增加「雙分層」

八軸常見做法會把其中一層用最優解去做 Surge；剩下一層除了七軸原本的橫向兩支電缸外，會再在車尾短端加入直向一支電缸，藉由加長車尾弧長來提升甩尾幅度。

同時也會增加多個直向與橫向滑軌，讓方向被限制住、整體更穩定。雖然互相抵銷的問題仍可能存在，但自由度的表現會更完整。

八軸是目前公開的DIY設計中最高的配置，目前就我所知有兩個外國玩家是這樣設計的。

軸數增加不只是 DOF，還影響「動作品質」

很多人只看「我有幾個 DOF」，但實際體感上更明顯的，常常是「動作乾不乾淨、穩不穩、推力夠不夠」。

單軸通常會遇到力量小、速度慢、精度低的限制；提升到雙軸後，推力、反應與穩定性往往都會明顯變好。軸越多，不只是自由度增加，動作品質也會提升。

許多軸的設計不是單純的橫向或直向，更多會是微斜，目的是為了增加電缸的行程，讓在同樣的店缸長度下增加更多的長度表現

在知道電缸數量與位置擺設背後的設計理由後，接著來談配件。對 Yaw 來說，最關鍵的是轉軸設計，因為它會非常直接地影響體感。

當轉軸中心放在車頭轉軸時，車尾擺動會更大，甩尾感更強；若轉軸中心放在中央轉軸，旋轉會更均衡，轉向感更清楚。

「觀測Yaw的三個體感指標」

把平台想成三個你最在意的觀測點：車頭或螢幕點角度（用來看方向感清不清楚）、座椅或人體點弦長或弧長（看人是被帶著「轉」還是被帶著「平移」）、車尾點弧長（看甩尾幅度夠不夠）。

同樣是「車尾橫移 10 cm」，如果來自 Yaw 的弧線（弧長），你會覺得像甩、像擺；如果來自 Sway 的直線（弦長），你會覺得像滑、像飄。數字看起來一樣，但訊號本質不一樣。

車尾弧長越長，甩尾體感越強，但同時車頭角度會變小。本質上是在做「角度 vs 位移」的取捨。

單轉軸 vs 雙轉軸（ICR 問題）

單轉軸有固定中心，因此可預測；雙轉軸沒有固定中心（中心會變），表現更複雜，因此在「同行程」的條件下，體感也可能完全不同。可以簡化成一句話：有固定轉軸就可預測；多轉軸中心會變，體感就更複雜。

看似最完美的解法：每個 DOF 都獨立一層／兩缸，不一定最好

到這邊你可能會想：那是不是做三個底盤，一個表現一個自由度，並且每個自由度配兩個電缸，就會最完美？也就是 Surge / Sway / Yaw 分開做，完全不互吃。

但問題會出在「整體感」。層數越多，中心越分散，不一定更真。真車是「單一中心」，但模擬器會變成「多層中心」；不同平層代表不同中心，當人體感受到的中心不一致時，反而會破壞整體真實感。

真車是 6DOF、單一重心、幾乎無限行程；模擬器是有限行程、多層結構、必須拆分 DOF。這裡的核心矛盾是：為了模擬真實，反而必須採用某種程度上「不真實」的結構。

在整個動態賽車模擬器設計需要的各項補充如下。

車架建議鋁擠材，主要原因是 DIY 最方便變更。萬向輪用在某些地方不能固定行程、但又需要能移動的情境。滑軌的目的在於降低摩擦率，同時限制運動軌跡。電缸則是最重要的主動運動來源，重點不只是「能動」，而是要「順」與「穩」。

為什麼設計是四軸為主

2 軸 / 3 軸也是有人設計，但如果你已經做了車架，剩下的成本差異主要就是電缸數量；當成本差異不大，通常就會以表現最好為優先，所以設計會以四軸為主流。

三軸設計常見是兩前一後中間或兩後一前中間，可以接近四軸，但單根的那一軸反應速度會比較慢。二軸設計加萬向轉軸可以模擬 Pitch / Roll，但 Heave 會偏弱。

所有軸的設計，本質不是單純增加自由度符合物理原理，而是重新分配有限行程，去模擬不同的感覺，欺騙感官才是模擬器的重點．

老樣子，如果你很有錢，以上一切都廢話，全部直上最好的，直接找專家幫你配一套。

如果預算有限、動手能力有限想配一套動態賽車模擬器，可以參考

作者聲明

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