注意在19.1中的阴影部分就是转向拉杆的合适位置。侧向力引起的外倾角是不可避免的,如果拉杆的位置如图中示,会有不足转向效应。如果悬架和齿条安装在一些柔性的副车架上,情况要比现在的更加复杂。
19.2 阿克曼转向几何关系
当汽车前轮转向时,转向传动机构的设计将会决定车轮是保持平行还是一个轮比另一轮转过更多的角度。左右轮转向的角度差不应该被车轮前束值混淆,前束值是静态调整时的值,他是在阿克曼几何效应的基础上增减的。
对于横向加速度较小的车(街车)一般使用阿克曼几何关系。正如图19.2左图所示,这个几何关系保证了所有轮子在没有滑动的情况下自由滚动,因为所有轮子只有一个滚动中心。需注意的是在低速时所有车轮的转弯半径都不同,前内侧轮必须比前外轮转过更大的角度。一个合理的近似几何关系可见图19.3。
根据Ref.99中Rudolf所说,阿克曼在1817年获得双枢轴转向系统的专利,1878年,Charles Jeantaud 又提出了上段中的概念,消除了转向时车轮的滑动。Maurice Olley 又提出了阿克曼转向几何关系的推导以使车轮免于镦粗平滑的砾石车道。
在高侧向加速度下要对这个几何模型做明显的修改。实际轮胎都会有一个侧偏角,内侧轮的载荷也要比外侧轮小。回顾轮胎性能曲线可以看出负载较轻的时候获得峰值侧向力所需的侧偏角较小。使用低速几何结构(阿克曼关系),前内侧轮会被迫超过对应最大侧向力时
的侧偏角,这样,拖动内轮会使轮胎升温并降低车速。对于赛车来说,通常使用平行转向甚至反阿克曼结构如图19.2中(b)(c)所示。
如果知道轮胎参数通常可以计算出正确的反阿克曼量。大部分情况下计算得到的几何关系是比较极端的因为车肯定会有低速行驶的情况,如进站加油等。
另外值得注意的一点是比赛时大部分弯道半径都比较大阿克曼影响是非常小的。实际上,除非悬架、转向系统结构刚度很大,转向载荷作用下产生的变形也可能使车轮转向,会超过几何关系上的阿克曼转角关系(或者反阿克曼)。
能产生阿克曼几何关系的最简单模型见图19.3,为后置转向。这里,齿条(以及转向器系统内的横拉杆连接)是在前轴之后的,从主销轴心开始画线,延伸到横拉杆外端,并交于后轴中心。转向节的这个角度使内轮转向角度大于外轮(转向时外张)可以获得一个较好的近似的100%阿克曼关系。
第二种获得内外轮转角差的方法是通过前移或后移齿条(或拉杆)的位置,这时两个拉杆外端球头间的连接不再是直线连接。如图19.4所示。图中后置梯形将齿条前移时将倾向
于平行转向(最后至反阿克曼),齿条后移将增加转向时的前轮外张量(内外轮转角差更大)。
第三种获得转角差的方法是使两边转向节臂不等长。节臂(从主销轴至拉杆外端的距离)越短转向时转角越大。当然这种不对称结构仅会用于只向一个方向转向的车辆——椭圆形赛道赛车。
推荐
虽然上文提到的一些要求间会有冲突,笔者认为平行转向或者反阿克曼是一个较合理的折中方法。虽然平行转向时进站会有一点困难因为前轮会互相干涉。在高速时,弯道较大,转向角较小,相对参考的转向角度,阿克曼效应对于车轮的侧偏角影响不大。