2024年07月24日 星期三

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如今的车辆采用独立铰链转向,这令阿克曼角成为一个重要但又无法充分实现的参数。这是由于独立铰链转向方式也会破坏转向稳定性,当把转向时所有轮轴的延长线进行相交,寻找车辆瞬态转向中心时,问题会暴露得十分明显。

由于导向轮拥有相同转向角之后,轮轴延长线之间形成的是平行线,并不相交,所以无法产生交点,两个导向轮各转各的,轮胎会出现滑动甚至弹跳的情况。

由此,便需要内侧的导向轮转向角更大,外侧导向轮转向角更小,让所有轮轴延长线获得共同交点。此时两个导向轮轮轴延长线之间的夹角,便是大家熟悉又陌生的“阿克曼角”。

想要获得阿克曼角可以通过轴距、轮距和转弯半径获得。首先,将车轮数量简化,取各轴两轮之间的中点,将四轮简化为二轮,连接二者的轮轴延长线就能得到一个理想的瞬态转向中心,以及转向半径。

此时,我们再将剩余轮轴与瞬态转向中心相连,就得到两个导向轮轮轴之间的夹角关系。

(绿线:阿克曼角转向曲线)

这个夹角关系是在瞬态转向中心参数计算下的结果,而车辆是时刻运动变化的,因此转向角度是一个范围并非固定数值。不同转向角度下,阿克曼角数值不断变化,整个范围内两导向轮轮轴之间的夹角关系如上表所示。

(蓝色虚线:加入转向梯形后导向轮轮轴夹角曲线)

这种曲线特性使每个转向角度都达成100%的阿克曼角成为一种十分复杂的事情,意味着两个车轮都需要独立的控制器,根据不同转向角进行控制。这还不是问题的关键,车辆运动中复杂的力学变化会施加在轮胎、连杆、悬架车身等位置,造成不同程度的形变,这令计算阿克曼角的每一个数值都是变量,使计算复杂程度呈几何级上升。

那么,当下车辆是如何满足阿克曼角条件的呢?

答案是——转向梯形。在这个平面四杆机构中,如果转向横拉杆作为短边且位于轮轴后方,则使内侧车轮的转动速率更快。反之,如果转向横拉杆变为长边则需要在轮轴之前实现相同效果,使两个导向轮变化夹角的曲线更加趋近于阿克曼角曲线。

这仍然不能解决所有问题,所以在实际车辆设计过程中,不会完全按照阿克曼角进行转向几何设计,而是根据不同的车辆设计取向、悬架形式,针对性计算,在赛车或者部分运动取向的车型上甚至会看到反阿克曼角,即内侧转向角小外侧转向角大。

(资料来源:《汽车设计》)

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