為什么有的車在低速濕滑的地庫轉(zhuǎn)向時,會莫名其妙的抖動或是震顫?其實這個問題由來已久。在還沒有汽車的年代,馬車轉(zhuǎn)彎也會出現(xiàn)這種異常抖動。那么,車轉(zhuǎn)彎時為什么會出現(xiàn)抖動,這個抖動如何解決呢,這就是今天要聊的阿克曼轉(zhuǎn)向。
汽車轉(zhuǎn)彎的小歷史
在了解阿克曼轉(zhuǎn)向之前,還是要談一下汽車是如何轉(zhuǎn)彎的。目前絕大多數(shù)民用車,不管是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū),都通過轉(zhuǎn)動前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為什么采用前輪轉(zhuǎn)向,因為前輪轉(zhuǎn)向操穩(wěn)性更好。如果是后輪轉(zhuǎn)向,車輛會過分靈活,哪怕一點點角度都會被放大,產(chǎn)生大幅轉(zhuǎn)向,并且后輪轉(zhuǎn)向的指向性難以被大多數(shù)駕駛員理解,很容易失控。簡答總結(jié)就是前輪轉(zhuǎn)向傾向轉(zhuǎn)向不足,后輪轉(zhuǎn)向傾向轉(zhuǎn)向過度。
當(dāng)然,可能有人會說叉車或者很多帶后輪轉(zhuǎn)向的車型,都有后輪轉(zhuǎn)向,那是因為叉車這類工程車輛速度很低,且工況都是在狹窄道路運行,因此很適合采用靈活度極高的后輪轉(zhuǎn)向。而民用車的后輪轉(zhuǎn)向則轉(zhuǎn)向角度極低,如奔馳的S級轎車,后輪轉(zhuǎn)向角度默認(rèn)僅為4.5°,最大角度為10°。
回到文章開頭,早期的馬車采用非常簡單的“轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)向”(也稱為單鉸鏈轉(zhuǎn)向),即以兩個前輪的軸的中心為點進行旋轉(zhuǎn),兩個車輪都圍繞一個中心旋轉(zhuǎn),由于車輪獨立轉(zhuǎn)動,不存在轉(zhuǎn)速差,也不存在側(cè)滑或滑動摩擦,因此就沒有文章開頭所說的異常抖動問題。但是,這種轉(zhuǎn)彎方向效率非常低。
負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的車輪必須前后移動很長一段位置才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,這種設(shè)計大幅擠占了車輛可用的空間。同時,轉(zhuǎn)軸作為單一應(yīng)力點,不方便布置合適的懸架,其次,長軸形成了一個杠桿,一點路面的微小顛簸反應(yīng)到車身上就非常明顯,舒適度很差。最主要的,還是這種轉(zhuǎn)彎方式需要畫一個巨大圓圈才能完成轉(zhuǎn)向,用現(xiàn)在的行話說就是“轉(zhuǎn)彎半徑過大”。
為了解決轉(zhuǎn)彎半徑過大,就有了另外一種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)(技術(shù))——一套四邊形(梯形)轉(zhuǎn)向機構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)左右車輪各自擁有一個鉸鏈,車輪圍繞主銷進行旋轉(zhuǎn),這樣的設(shè)計,大大減少了車輪轉(zhuǎn)彎時需要的空間,同時轉(zhuǎn)彎半徑也減少了很多,但也衍生出一個新的問題。如果這套連桿機構(gòu)是平行四邊形的話,在轉(zhuǎn)向時,左右車輪轉(zhuǎn)角會呈現(xiàn)相同的角度,這導(dǎo)致它們的軸線也平行,此時四個輪不會繞著同一個點滾動,從而出現(xiàn)滑動摩擦,就會出現(xiàn)文章開頭所說的莫名其妙的振動和異響。
為了解決這個問題,1816年,馬車制造商喬治·蘭肯斯伯格(GeorgLankensperger)設(shè)計了一種梯形的轉(zhuǎn)向機構(gòu)(另外一種說法是英國人ErasmusDarwin發(fā)明了阿克曼轉(zhuǎn)向),當(dāng)內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)動時,外側(cè)輪以不同的速度轉(zhuǎn)動。通過調(diào)整幾何形狀(轉(zhuǎn)向節(jié)拉桿的角度),可以配置車輪的相對旋轉(zhuǎn)。實現(xiàn)了在轉(zhuǎn)彎時,左右側(cè)轉(zhuǎn)向輪都能指向同一個圓心,使得轉(zhuǎn)彎時不易發(fā)生側(cè)向滑移,解決車輪轉(zhuǎn)向時的滑動問題,從而減少輪胎側(cè)滑和磨損。后來,魯?shù)婪颉ぐ⒖寺≧udolfAckermann)將其申報為專利,因此被稱為阿克曼轉(zhuǎn)向,也叫阿克曼幾何、阿克曼角等。
標(biāo)準(zhǔn)的阿克曼轉(zhuǎn)向其轉(zhuǎn)向節(jié)拉桿的角度,延伸后,需要交匯于后軸,這時候阿克曼轉(zhuǎn)向修正率就是100%。如果交匯點位于后軸之后,那么阿克曼轉(zhuǎn)向修正率是低于100%的,不同的交匯點,會導(dǎo)致不同的轉(zhuǎn)向特性。
但輪胎在重量、轉(zhuǎn)向摩擦的影響下,都會存在形變,所以即便采用100%阿克曼轉(zhuǎn)向修正率,實際使用過程中依然會存在一些角度偏差,并不完全能使車輪和彎心連線所成的夾角相同。因此,底盤工程師就需要根據(jù)實際情況對阿克曼轉(zhuǎn)向修正率進行調(diào)整。根據(jù)民用車的工況,轉(zhuǎn)向的設(shè)計大多處于阿克曼幾何和平行幾何之間。轉(zhuǎn)向梯形呈“上底長、下底短”形態(tài)。這種設(shè)計能減小轉(zhuǎn)彎半徑,降低輪胎偏磨,適合日常低速行駛。例如,停車時內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度更大,避免輪胎拖地。
而方程式賽車這類行駛速度較快的車型,一般更喜歡采用“反阿克曼轉(zhuǎn)向”(外側(cè)輪轉(zhuǎn)向角度更大),配合限滑差速器,提升高速過彎時的穩(wěn)定性和出彎速度。例如,F(xiàn)1賽車在高速彎道中通過增大外側(cè)輪轉(zhuǎn)向角,減少車身側(cè)傾,增強抓地力。
阿克曼轉(zhuǎn)向優(yōu)勢不少,避免了轉(zhuǎn)向時輪胎滑動,延長輪胎壽命,減少輪胎磨損;確保車輛按預(yù)定軌跡行駛,減少側(cè)滑風(fēng)險,提升穩(wěn)定性;性能車通過調(diào)整阿克曼轉(zhuǎn)向率實現(xiàn)精準(zhǔn)過彎,家用車則通過設(shè)計降低轉(zhuǎn)向阻力,優(yōu)化了操控性。回到文章開頭,由于阿克曼轉(zhuǎn)向的存在,且受地面材質(zhì)、輪胎抓地力等多重因素影響,車輛轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)的偶發(fā)抖動是正常情況。(朋月)
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