汽车的转向几何是怎么来的?

汽车的转向几何是怎么来的?

咣当咣当,汽车行业市场研究

很多人理解汽车转向是整根前轴一起,绕其中点旋转(图一上),这是不对的。

如果真的这样设计,内侧轮转小圆外侧轮转大圆会导致两轮轮速不同左右轴打架,且方向盘不得不跟着转,变成手扶拖拉机形式的方向盘,且两个前轮会侵占保险杠和乘员舱的纵向空间,且转弯半径偏大,可谓百害无一利。

所以真实的汽车转向是用转向拉杆带动左右两个车轮的羊角各自转动的(图一下),方向盘只需拿齿轮齿条控制转向拉杆即可。

但是,如果转向拉杆连带羊角和车身构成一个平行四边形的话,会有新的问题。


理想情况下,单个车轮都是走直线的,两轮车拐弯时必然绕它们的车轴交点为圆心转弯,上面提过的只有两根轴的四轮车也同理(图二上)。

平行四边形转向必然导致两个前轮转向角相同,受车宽影响,两个前轮的理想轨迹平行不交汇,转向圆心不一致(图二下),打架了听谁的?

受限于汽车转向侧倾,外侧车轮抓地力强,因此答案是听外侧车轮的,内侧车轮会打滑。


因此,现实需要把两个前轮的理想轨迹统一起来。

解决办法是缩短转向拉杆,放弃平行四边形改成梯形,让内侧车轮转得多时外侧车轮转得少,两前轴加后轴交汇在转弯圆心即可顺畅转弯(图三)。

这就是阿克曼角——两个转向轮之间的夹角。

恰好各轴相交在一点时,叫 100%阿克曼。


很多人又要问了,既然理想的阿克曼角只有这一种情况,那些做改装车的瞎折腾阿克曼角干啥?

很简单,因为轮胎是橡胶做的,会变形的。

先说后轮,汽车转弯的向心力是地面给轮胎的摩擦力提供的,这意味着轮胎胎面不单单会有驱动汽车造成的前后形变,也会有转向造成的左右形变(或者叫扭曲)。

两个前轮由于本来就跟汽车前进方向有不同的夹角,叠加汽车转向侧倾导致两个前轮的左右(扭曲)形变程度并不相同,外轮大,内轮小。

所以,现实中的阿克曼角设定不会让两根前轴加后轴恰好相交在转向圆心,而是前轴夹角叠加轮胎形变后再相交在转向圆心(图四)。

最终结果是 50%左右的阿克曼设定比较常见,如果在需加强高速弯道性能 / 提高轮胎寿命等特殊考量情况,可以再分别改装。


以上只涉及平面维度的转向几何,真实世界还有悬挂压缩 / 伸展造成的更多转向几何变量影响转向设定,需要更复杂的计算。

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