賽車設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)第19章轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)翻譯

《賽車設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)第19章轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)翻譯》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《賽車設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)第19章轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)翻譯（15頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、文獻(xiàn)翻譯 摘自《Race Car Vehicle Dynamics》 第19章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 序言： 本章以轉(zhuǎn)向幾何參數(shù)的討論為開始，包括主銷后傾角，后傾拖距，主銷內(nèi)傾角，主銷偏置量。接下來的部分討論了轉(zhuǎn)向齒輪齒條以及阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系。跳動(dòng)轉(zhuǎn)向和側(cè)傾轉(zhuǎn)向之間是緊密相關(guān)的，如果沒有柔性這兩種情況是等同的。最后討論了車輪的調(diào)整。這一章與第17章的懸架幾何形狀密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)新的底盤系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)向和懸架幾何參數(shù)是優(yōu)先考慮的因素。 19.1 轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系（定位參數(shù)） 在整體式車橋上轉(zhuǎn)向節(jié)主銷是轉(zhuǎn)向時(shí)的樞軸。1932年Maurice Olley在Cadillac首次提出了現(xiàn)在

2、的非獨(dú)立懸架，主銷因此而被兩個(gè)球絞連接定義的轉(zhuǎn)向軸線代替。因?yàn)楦鞣N原因這根軸并不是垂直的也不在輪胎接地中心處。主銷的位置表示見圖19.1。 ·在前視圖中，主銷偏轉(zhuǎn)的角度被稱為主銷內(nèi)傾角，轉(zhuǎn)向主銷與地面的交點(diǎn)至車輪中心平面與地面相交處的距離稱之為主銷偏置量。在前軸所在水平面內(nèi)，從主銷軸心到車輪中心平面的距離稱為主銷偏距（spindle length）。 ·在側(cè)視圖中，主銷偏轉(zhuǎn)角度稱為主銷后傾角。如果主銷軸線沒有通過車輪中心那么就有了側(cè)視的主銷偏距（side view kingpin offset），就像大部分的摩托車前輪一樣。在地平面內(nèi)測量從主銷到輪胎接地點(diǎn)中心的距離稱為主銷后傾拖距。

3、 前視圖中的主銷定位參數(shù) 正如在17章中提到，主銷內(nèi)傾角，主銷偏距還有主銷偏置量在裝配以及性能滿足時(shí)往往是互相妥協(xié)的。一些需要考慮的因素包括以下： 1. 當(dāng)主銷偏距是正的時(shí)（一般的車都是正主銷偏距，如圖19.1中一樣）那車輪轉(zhuǎn)離中心位置的時(shí)候車會(huì)有一個(gè)抬升效果。主銷內(nèi)傾角偏離豎直平面越大前輪轉(zhuǎn)向時(shí)車被抬起的效果越明顯。不管車輪往哪個(gè)方向轉(zhuǎn)都會(huì)是一個(gè)抬升的效果，除非主銷是完全垂直的。這個(gè)效果只有在主銷后傾角為零時(shí)才是兩邊對稱的。見后面關(guān)于主銷后傾角部分。對于一個(gè)給定的主銷內(nèi)傾角來說，主銷偏距越大轉(zhuǎn)向時(shí)的抬升量也越大。 2. 主銷內(nèi)傾角和主銷偏距將車子前端抬起的效果對于自身來說是有助于低速轉(zhuǎn)

4、向的。在高速轉(zhuǎn)向時(shí)，只要有主銷后傾拖距就可能會(huì)掩蓋掉轉(zhuǎn)向時(shí)抬升和下落的效果。 3. 主銷內(nèi)傾角影響轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的外傾角特性。如果主銷向內(nèi)傾斜（主銷上端傾向車輛中心）當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向的時(shí)候，車輪上端將會(huì)向外傾斜，趨向正的車輪外傾角。左右轉(zhuǎn)向都會(huì)導(dǎo)致正的車輪外傾。如果跑道有比較緊的彎這個(gè)作用效果是比較小但卻是有重要意義的。 4. 當(dāng)車輪滾過顛簸不平的路面時(shí)，滾動(dòng)半徑是不斷變化的，將會(huì)導(dǎo)致輪速的改變。這將會(huì)增加車輪中心的縱向力。這些力的反作用與主銷偏距的大小成比例，成為反沖效果進(jìn)入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如果主銷偏距為零，那么將不會(huì)有由此引起的反沖。在前面提到的一輛通用“P”型車（菲羅車）中做出設(shè)計(jì)改動(dòng)，與較早的一輛

5、“P”型車模型相比，減小了主銷偏距，因此而減少了不平路面上的反沖。 5. 如圖19.1中所示的主銷偏置量是負(fù)的，正如下面這輛前輪驅(qū)動(dòng)車用的一樣。來自地面的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力與主銷偏置量成比例的轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)向力矩。如果左右輪的制動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)力是不等的，那么駕駛者將會(huì)感受到的到這個(gè)轉(zhuǎn)向力矩（假設(shè)轉(zhuǎn)向器有較高的逆效率）。只有在主銷偏置量為零時(shí)才不會(huì)有這個(gè)力矩產(chǎn)生因?yàn)榇藭r(shí)制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力對主銷的作用力臂為零。 如果輪胎比較寬的話輪胎力通常并不是作用在輪胎中心平面內(nèi)的，因?yàn)檩p微的外傾角變化、路面不平、輪胎有一定圓錐度、或者其他的不對稱因素存在。這些不對稱因素可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向反沖，即使沒有前輪的各個(gè)定位參數(shù)作用。裝配要

6、求通常會(huì)與中心點(diǎn)轉(zhuǎn)向要求沖突因而很多賽車在較平整的賽道上是采用較大的主銷偏置量也是可以的。 6. 對于前輪驅(qū)動(dòng)來說，一個(gè)負(fù)的主銷偏置量有兩個(gè)重要的穩(wěn)定作用： 第一， 固定方向盤，如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪打滑，另外一個(gè)輪將會(huì)外張一定角度，因?yàn)? 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)有變形。即使兩側(cè)的牽引力不等，不同的牽引力使車輛產(chǎn)生一個(gè)偏航角，這個(gè)負(fù)的主銷偏置量作用也會(huì)使車輛回復(fù)到直線行駛。 第二， 有良好的反饋?zhàn)饔们闆r下駕駛員從來不會(huì)真正的固定住方向盤。在這種情況下方向盤可能在不等的車輪縱向牽引力作用下而轉(zhuǎn)動(dòng)，因此而增加了負(fù)主銷偏置量的穩(wěn)定效果。 制動(dòng)的情況同樣適用。負(fù)的主銷偏置量能使車子回正，即使是在左右輪制動(dòng)力不等

7、的情況下（左右輪的制動(dòng)情況或者路面情況不同時(shí)）。(fsae沒人用吧) 主銷后傾角和后傾拖距 如圖19.1中所示，在有后傾拖距時(shí)，側(cè)視圖中輪胎接地點(diǎn)是在主銷之后的?；蛟S最簡單的例子就是辦公室座椅上的小腳輪（？）——不管移動(dòng)多遠(yuǎn)，輪子總會(huì)校正使其自身在樞軸之后。主銷拖距越大意味著輪胎側(cè)向力在主銷軸上作用有更大的力臂。這會(huì)產(chǎn)生更明顯的回正作用，并且是作用在主銷上最主要的回正力矩。在選擇主銷后傾角和主銷拖距時(shí)需要考慮的因素如下： 1. 主銷后傾拖距越大轉(zhuǎn)向力也越大。對于所有的車來說，小的后傾拖距都將會(huì)減小轉(zhuǎn)向力。在某些情況下，如果后傾拖距減小接近零的話，人力轉(zhuǎn)向也可能被用于重型轎車（代替助力轉(zhuǎn)向

8、）。 2. 像主銷內(nèi)傾角一樣，主銷后傾角伴隨著轉(zhuǎn)向過程也會(huì)引起車輪的抬起和回落。與內(nèi)傾角不同的是，后傾角對兩側(cè)的影響是相反的。在有對稱定位參數(shù)時(shí)（包括左右輪有相等的正的主銷后傾角），左轉(zhuǎn)的效應(yīng)是使車向右側(cè)傾，導(dǎo)致一個(gè)對角線的重量轉(zhuǎn)移。在這種情況下，左前——右后對角線會(huì)承受更大的載荷，有一個(gè)左轉(zhuǎn)時(shí)的過度轉(zhuǎn)向效應(yīng)。 使用的彈簧越硬對角線的重量轉(zhuǎn)移效果也會(huì)越明顯因?yàn)檫@個(gè)是幾何效應(yīng)。每個(gè)車輪被抬起（或者下落）的距離是恒定的但是重量抬起量和底盤側(cè)傾角是前后側(cè)傾剛度的作用結(jié)果。這個(gè)對角線的載荷轉(zhuǎn)移可以通過把車放在秤上和定位板上來測量。 記住在實(shí)際比賽中前輪并沒有轉(zhuǎn)過很大的角度，除非是非常緊的發(fā)夾彎。

9、例如，在一個(gè)半徑是100英尺（時(shí)速在40-50英里）的彎，一個(gè)10英尺的軸距的中性轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)前輪只需要轉(zhuǎn)過0.1rad（5.7°）（轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比是16：1時(shí)方向盤的轉(zhuǎn)角大概在90°）。 對于只往一個(gè)方向轉(zhuǎn)的車來說，因?yàn)檎嚍榱藢で笞畹偷淖钚‰x地間隙，可以使主銷后傾角交錯(cuò)（左右主銷后傾角不同）來把車?yán)揭贿叀Ｖ麂N后傾角的交錯(cuò)也會(huì)影響上面提到的對角線重量抬升效應(yīng)。 如果兩側(cè)主銷后傾角是相反的（一側(cè)為正一側(cè)為負(fù)且兩側(cè)角度大小相等）那么在轉(zhuǎn)向時(shí)車的前端只會(huì)抬升和下落，而不會(huì)有對角線的重量抬升。 3. 主銷后傾角也會(huì)影響轉(zhuǎn)向外傾角，但是不像內(nèi)傾角一樣，這個(gè)效應(yīng)是有利的。當(dāng)有正的后傾角時(shí)將會(huì)導(dǎo)致外

10、側(cè)車輪內(nèi)傾（車輪的上部指向車的中心）同時(shí)內(nèi)測輪外傾角為正，兩輪都向彎內(nèi)傾。 在側(cè)滑恢復(fù)的時(shí)候，反打方向（出彎），后傾角引起的外傾角變化會(huì)使前輪抓地力減小。而此時(shí)后輪抓地力也很小并不需要很大的前輪抓地力。 4. 如第2章提到，輪胎本身的輪胎拖距會(huì)使實(shí)際主銷后傾拖距明顯增加（有大的側(cè)偏角時(shí)會(huì)減?。?。這個(gè)效應(yīng)并不是隨著側(cè)向力變化而線性變化的，并且會(huì)影響轉(zhuǎn)向力矩和駕駛感。特別是輪胎到極限時(shí)輪胎拖距會(huì)接近零，這時(shí)回正力矩會(huì)減小，并給車手一個(gè)信號輪胎就要側(cè)滑了。 如果主銷后傾拖距相對輪胎拖距很大的話，輪胎拖距給出的這個(gè)信號會(huì)被掩蓋。 5. 有時(shí)主銷后傾拖距是在垂直于主銷軸心的方向上進(jìn)行測量的（而

11、不是像19.1中在水平面內(nèi)測量的），因?yàn)檫@能更準(zhǔn)確的描述輪胎側(cè)向力對主銷作用的力臂。 拉桿位置 注意在19.1中的陰影部分就是轉(zhuǎn)向拉桿的合適位置。側(cè)向力引起的外傾角是不可避免的，如果拉桿的位置如圖中示，會(huì)有不足轉(zhuǎn)向效應(yīng)。如果懸架和齒條安裝在一些柔性的副車架上，情況要比現(xiàn)在的更加復(fù)雜。 19.2 阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系 當(dāng)汽車前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)將會(huì)決定車輪是保持平行還是一個(gè)輪比另一輪轉(zhuǎn)過更多的角度。左右輪轉(zhuǎn)向的角度差不應(yīng)該被車輪前束值混淆，前束值是靜態(tài)調(diào)整時(shí)的值，他是在阿克曼幾何效應(yīng)的基礎(chǔ)上增減的。 對于橫向加速度較小的車（街車）一般使用阿克曼幾何關(guān)系。正如圖19.2左圖所示，

12、這個(gè)幾何關(guān)系保證了所有輪子在沒有滑動(dòng)的情況下自由滾動(dòng)，因?yàn)樗休喿又挥幸粋€(gè)滾動(dòng)中心。需注意的是在低速時(shí)所有車輪的轉(zhuǎn)彎半徑都不同，前內(nèi)側(cè)輪必須比前外輪轉(zhuǎn)過更大的角度。一個(gè)合理的近似幾何關(guān)系可見圖19.3。 根據(jù)Ref.99中Rudolf所說，阿克曼在1817年獲得雙樞軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的專利，1878年，Charles Jeantaud 又提出了上段中的概念，消除了轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的滑動(dòng)。Maurice Olley 又提出了阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系的推導(dǎo)以使車輪免于鐓粗平滑的礫石車道。 在高側(cè)向加速度下要對這個(gè)幾何模型做明顯的修改。實(shí)際輪胎都會(huì)有一個(gè)側(cè)偏角，內(nèi)側(cè)輪的載荷也要比外側(cè)輪小?；仡欇喬バ阅芮€可以看出負(fù)

13、載較輕的時(shí)候獲得峰值側(cè)向力所需的側(cè)偏角較小。使用低速幾何結(jié)構(gòu)（阿克曼關(guān)系），前內(nèi)側(cè)輪會(huì)被迫超過對應(yīng)最大側(cè)向力時(shí)的側(cè)偏角，這樣，拖動(dòng)內(nèi)輪會(huì)使輪胎升溫并降低車速。對于賽車來說，通常使用平行轉(zhuǎn)向甚至反阿克曼結(jié)構(gòu)如圖19.2中（b）（c）所示。 如果知道輪胎參數(shù)通?？梢杂?jì)算出正確的反阿克曼量。大部分情況下計(jì)算得到的幾何關(guān)系是比較極端的因?yàn)檐嚳隙〞?huì)有低速行駛的情況，如進(jìn)站加油等。 另外值得注意的一點(diǎn)是比賽時(shí)大部分彎道半徑都比較大阿克曼影響是非常小的。實(shí)際上，除非懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度很大，轉(zhuǎn)向載荷作用下產(chǎn)生的變形也可能使車輪轉(zhuǎn)向，會(huì)超過幾何關(guān)系上的阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系（或者反阿克曼）。 能產(chǎn)生阿克曼幾何

14、關(guān)系的最簡單模型見圖19.3，為后置轉(zhuǎn)向。這里，齒條（以及轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)內(nèi)的橫拉桿連接）是在前軸之后的，從主銷軸心開始畫線，延伸到橫拉桿外端，并交于后軸中心。轉(zhuǎn)向節(jié)的這個(gè)角度使內(nèi)輪轉(zhuǎn)向角度大于外輪（轉(zhuǎn)向時(shí)外張）可以獲得一個(gè)較好的近似的100%阿克曼關(guān)系。 第二種獲得內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角差的方法是通過前移或后移齒條（或拉桿）的位置，這時(shí)兩個(gè)拉桿外端球頭間的連接不再是直線連接。如圖19.4所示。圖中后置梯形將齒條前移時(shí)將傾向于平行轉(zhuǎn)向（最后至反阿克曼），齒條后移將增加轉(zhuǎn)向時(shí)的前輪外張量（內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角差更大）。 第三種獲得轉(zhuǎn)角差的方法是使兩邊轉(zhuǎn)向節(jié)臂不等長。節(jié)臂（從主銷軸至拉桿外端的距離）越短轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)角越大

15、。當(dāng)然這種不對稱結(jié)構(gòu)僅會(huì)用于只向一個(gè)方向轉(zhuǎn)向的車輛——橢圓形賽道賽車。 推薦 雖然上文提到的一些要求間會(huì)有沖突，筆者認(rèn)為平行轉(zhuǎn)向或者反阿克曼是一個(gè)較合理的折中方法。雖然平行轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)站會(huì)有一點(diǎn)困難因?yàn)榍拜啎?huì)互相干涉。在高速時(shí)，彎道較大，轉(zhuǎn)向角較小，相對參考的轉(zhuǎn)向角度，阿克曼效應(yīng)對于車輪的側(cè)偏角影響不大。 19.3轉(zhuǎn)向器 轉(zhuǎn)向器把方向盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成橫拉桿的直線運(yùn)動(dòng)。然后橫拉桿又把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換回主銷軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使前輪轉(zhuǎn)向。 首先要明確的是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)有很多連接方式。所有這些連接都是產(chǎn)生彎曲變形或者松動(dòng)的原因，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性，使車手不能準(zhǔn)確的感知前輪的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件必須緊

16、固安裝好以保證安全、易操控。 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比被定義為方向盤轉(zhuǎn)角與相應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)角之比。對于賽車來說它的變化范圍從大于20：1的高速賽道車到小于10：1的F1賽車。當(dāng)然在快速轉(zhuǎn)向中的極限是卡丁車，傳動(dòng)比接近1：1。公路賽車的一般取值是16：1至18：1。有阿克曼幾何關(guān)系（或者反阿克曼）時(shí)兩側(cè)的傳動(dòng)比會(huì)不同。受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)影響轉(zhuǎn)向是非線性的，也就意味著傳動(dòng)比隨車輪轉(zhuǎn)角而變化。 轉(zhuǎn)向試驗(yàn) 一種比較直觀的測量總傳動(dòng)比的方法是把車的前部放在有轉(zhuǎn)角儀的試驗(yàn)臺上。一個(gè)量角器被固定在方向盤中心，固定一個(gè)指針來測量方向盤轉(zhuǎn)角。這個(gè)試驗(yàn)叫steer-steer是在既定載荷和懸掛高度的情況下進(jìn)行的

17、。方向盤以等間隔角度向右打，可以是45°、90°等等，記錄下左右輪的轉(zhuǎn)角大小。繼續(xù)試驗(yàn)，往回打方向盤，并再次在每一個(gè)角度處測量前輪轉(zhuǎn)角，觀察每一點(diǎn)處的溢出值（滯后現(xiàn)象）。轉(zhuǎn)過中心位置后繼續(xù)往左轉(zhuǎn)直至最后回到中心位置。 本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果統(tǒng)計(jì)見圖19.5。圖中，數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均斜率就是總傳動(dòng)比。注意數(shù)據(jù)點(diǎn)形成回環(huán)，可稱為滯后現(xiàn)象，也就意味著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)有變形和松動(dòng)。也要注意數(shù)據(jù)點(diǎn)并沒形成一條直線，非線性關(guān)系說明傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并不完美，這在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)很普遍。對于賽車，在方向盤經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)取數(shù)據(jù)點(diǎn)即可。接近鎖止處的傳動(dòng)比數(shù)據(jù)只能反應(yīng)在極低速時(shí)的性能。 對于人力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說轉(zhuǎn)向力的大小同時(shí)受轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比

18、和主銷定位參數(shù)（后傾拖距和主銷偏置量）的影響。傳動(dòng)比越大（如20：1）轉(zhuǎn)向力越小。在理解車手的評論時(shí)要注意區(qū)分靈敏的轉(zhuǎn)向性能和快的車輛瞬態(tài)反應(yīng)時(shí)間，后者在汽車動(dòng)力性一章中有被提到。 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的計(jì)算見于下面的段落。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比 齒輪齒條裝置把方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成橫拉桿內(nèi)球頭的直線運(yùn)動(dòng)。計(jì)算傳動(dòng)比時(shí)需用到齒條的c-factor和轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度（外球頭到主銷軸的距離）。 C-factor=齒條行程（in.）/小齒輪轉(zhuǎn)過360° 一般的齒條有“1-7/8-inch 齒條”或者“2-inch 齒條”；c-factor這個(gè)尺寸是方向盤轉(zhuǎn)一圈的齒條行程。 一旦齒條的c-factor

19、知道，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可近似用下式計(jì)算： i=arcsin(c-factor/L)/360 L—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度 本式中長度單位為英寸，角度單位為度。 系統(tǒng)中的壓力角越小這個(gè)近似值越接近，也就是說在俯視圖中橫拉桿幾乎要與轉(zhuǎn)向節(jié)臂垂直。如果角度比較大的話，那拉桿的布置也會(huì)影響傳動(dòng)比。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向裝置仍應(yīng)用于很多車中。如果轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比是未知的，可以很容易測量，為方向盤轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)向搖臂的運(yùn)動(dòng)距離，然后用這個(gè)尺寸代替c-factor帶入上面的齒輪齒條計(jì)算傳動(dòng)比的公式中。 如果轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比已知，可以用下式來計(jì)算近似的轉(zhuǎn)向總傳動(dòng)比： i=i’*（L’/L） i

20、’---轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比 L’----搖臂長度 L----轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度 所有長度單位為英寸 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有更多的連接機(jī)構(gòu)，像搖臂、直拉桿、和梯形臂。因此，角度會(huì)更容易干擾簡單的傳動(dòng)比的計(jì)算。傳動(dòng)比確定還要考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)布置。 逆效率 逆效率是指由力路面輸入轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)并反饋給駕駛者的能力。根據(jù)使用的情況，相應(yīng)的會(huì)有不同程度的反饋要求。 齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的逆效率都比較高，大部分來自主銷的力矩都會(huì)傳至方向盤。對于平滑的賽道來說需要回正力矩的作用來幫助車手在輪胎將要拖滑時(shí)作出判斷。 蝸桿齒扇式轉(zhuǎn)向器沒有像循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器滾珠軸承螺桿，所以摩擦力更大。摩擦力大小主要是來自于

21、單元內(nèi)部的磨損、調(diào)整、潤滑等。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逆效率低——來自主銷的力矩不能通過齒扇驅(qū)動(dòng)蝸桿（方向盤）。很多越野車輛希望通過這樣來減輕駕駛員的疲勞。 對于不平路面轉(zhuǎn)向減震器提供了另外的解決方法。轉(zhuǎn)向減震器在低速時(shí)表現(xiàn)出低阻尼但會(huì)隨速度增大而變更大。這也就是說，駕駛員的控制屬于低頻變化，路面噪聲屬于高頻變化，這時(shí)轉(zhuǎn)向減震器就像一個(gè)過濾器一樣可以衰減轉(zhuǎn)向反沖。 如果轉(zhuǎn)向減震器的低速減震很強(qiáng)，會(huì)使駕駛員的路感不明顯。減震器會(huì)屏蔽掉回正力矩作用效果，使極限情況下更難駕駛，特別是在側(cè)滑恢復(fù)的時(shí)候。路面噪聲系數(shù)很小的話效果會(huì)更糟糕，傳給駕駛員的回正力矩信號會(huì)很弱。轉(zhuǎn)向減震器并不推薦使用，除非減震是一個(gè)極需

22、解決的問題。 轉(zhuǎn)向減震器也會(huì)裝在整體式前橋上。這時(shí)減震器會(huì)削弱因前軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間聯(lián)軸節(jié)的回轉(zhuǎn)而引起的前輪的擺振（特別是其中一個(gè)車輪跳起時(shí)）。整體式前橋會(huì)有很復(fù)雜的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，因?yàn)槭艿礁鞣N因素影響，如前軸布置位置、制動(dòng)反饋、驅(qū)動(dòng)反饋（全驅(qū)或4驅(qū)）以及轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系。需要作出讓步的是要制造一個(gè)有很好操縱穩(wěn)定性的前懸架，于是有了大部分車上采用的獨(dú)立前懸架。 助力轉(zhuǎn)向 助力轉(zhuǎn)向現(xiàn)在多用于很多重型、改裝賽車中，像在NASCAR、Trans-Am還有GTO種。主要目的是使轉(zhuǎn)向輕便，助力轉(zhuǎn)向器無疑有這個(gè)作用。 助力轉(zhuǎn)向存在的問題是，改裝的部件具有自身固有的非線性特性。助力在中心位置附近為

23、線性的，有如由一個(gè)彈簧控制（通常是一個(gè)扭桿），可一旦彈簧偏斜助力改變很大。如果駕駛員需要地面的反饋?zhàn)饔茫@個(gè)非線性特性并不好。 另一種使轉(zhuǎn)向輕便的方法是在設(shè)計(jì)定位參數(shù)時(shí)讓主銷內(nèi)傾角和后傾角都很小，主銷偏置量和后傾拖距也很小。使用了這樣的結(jié)構(gòu)，即使是一輛很重的車也能不使用轉(zhuǎn)向助力，同時(shí)省去了助力系統(tǒng)的重量及其復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。后傾拖距很小時(shí)要保證懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度較大這個(gè)定位參數(shù)才不容易變化。 另外，沒有助力轉(zhuǎn)向的車設(shè)計(jì)時(shí)往往以轉(zhuǎn)向輕便為目標(biāo)，舉例如下： 1. 為了在低速時(shí)（如停車）車輪能繞主銷滾動(dòng)可能會(huì)選較大的主銷偏置量，相對拖動(dòng)輪胎沿中心點(diǎn)轉(zhuǎn)向會(huì)大大的降低轉(zhuǎn)向力。當(dāng)然，制動(dòng)器鎖緊的時(shí)候原地

24、轉(zhuǎn)向會(huì)很困難，輪胎必須繞主銷軸拖滑！如前文所述，較大的主銷偏置量在賽車上并不推薦使用因?yàn)槠浞礇_效果較大。 2. 負(fù)（或零）后傾拖距有時(shí)也會(huì)采用，為了抵消輪胎拖距，當(dāng)然橫向加速度很大時(shí)輪胎拖距一般是接近零的。 3. 設(shè)計(jì)主銷時(shí)離心的后傾角主要是為了使質(zhì)心落在主銷軸前。一些情況下轉(zhuǎn)向節(jié)在主銷軸線前的重量會(huì)增加，這時(shí)，轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力使前輪向外偏轉(zhuǎn)——趨向不足轉(zhuǎn)向。這可能會(huì)抵消上文提到的負(fù)的后傾拖距的作用。 在賽車上，任何多余的非簧載質(zhì)量（如轉(zhuǎn)向節(jié)）都會(huì)都會(huì)減弱抓地能力，不可取。把轉(zhuǎn)向器安排在主銷之前會(huì)增加離心后傾效應(yīng)，把制動(dòng)鉗放在制動(dòng)盤前側(cè)同理。 4. 仔細(xì)檢查助力系統(tǒng)的安裝和

25、布置要求，通常要求轉(zhuǎn)向器行程的某一位置和方向盤位置連線平行于前進(jìn)方向 19.4 跳動(dòng)轉(zhuǎn)向和側(cè)傾轉(zhuǎn)向 一般來說，由于車輪跳動(dòng)和車身側(cè)傾引起的轉(zhuǎn)向是不可避免的。幾乎所有類型的轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)都是難免跳動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向。要求沒有車輪跳動(dòng)轉(zhuǎn)向的理由很簡單：如果車輪在起跳時(shí)候或者在車身側(cè)傾時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)向了，那么車的行駛路徑就與駕駛員所選擇的路徑不同了。 測量車輪跳動(dòng)轉(zhuǎn)向有很多方法。見圖19.6，取自Ref.150，給出了一種簡單準(zhǔn)確的測量儀器，把兩個(gè)測角儀表盤分別接在一個(gè)立柱上。懸架彈簧移動(dòng)時(shí)，懸架偏離正常行駛時(shí)的位置，兩個(gè)儀表盤讀數(shù)之差即為轉(zhuǎn)向的改變。 如果兩個(gè)儀表盤間的距離已知，那么這個(gè)裝置測量

26、的是車輪偏轉(zhuǎn)距離與車輪跳動(dòng)距離的比值。圖19.7、19.8、19.9中的數(shù)據(jù)描述了特殊設(shè)置時(shí)的跳動(dòng)轉(zhuǎn)向特性。為了對比不同車輛的情況最好把讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成每英寸車輪跳動(dòng)量時(shí)的車輪轉(zhuǎn)角。使用弧度計(jì)量也較容易，可以用小角度假設(shè)（tanθ=θ，弧度計(jì)量）。正切值為1/57的角度非常接近于1°，這一線性假設(shè)在二十度角時(shí)的誤差仍在4%以內(nèi)，但是在更大角度（>20°）情況下誤差就急劇增大。如果兩個(gè)儀表盤間距離為57/4=14.25英寸，那兩個(gè)讀數(shù)的差值是1/4英寸時(shí)候即表示1°。 符號慣例——如圖，區(qū)分跳動(dòng)轉(zhuǎn)向和側(cè)傾轉(zhuǎn)向的最簡易方法是根據(jù)行駛中表現(xiàn)出的前束還是負(fù)前束來判斷。更普遍的方法是根據(jù)過度或不足轉(zhuǎn)向

27、效果來判斷。如果前輪偏向彎外，使側(cè)向力減小，說明趨于不足轉(zhuǎn)向。對于后輪，情況相反——如果車輪向彎內(nèi)偏，才是不足轉(zhuǎn)向。相反的轉(zhuǎn)向效果稱為過度轉(zhuǎn)向。 跳動(dòng)轉(zhuǎn)向和側(cè)傾轉(zhuǎn)向是懸架幾何和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)作用的結(jié)果。如17章中所述，每個(gè)懸架都有一個(gè)運(yùn)動(dòng)瞬心。如果轉(zhuǎn)向橫拉桿沒有指向瞬心，就會(huì)有跳動(dòng)轉(zhuǎn)向效應(yīng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)向和懸架桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)中心不一致了。如果轉(zhuǎn)向橫拉桿的長度不合適也會(huì)導(dǎo)致懸架偏轉(zhuǎn)時(shí)橫拉桿不再指向瞬心。因此，橫拉桿位置和長度的選擇都很重要。 如果橫拉桿的高度和角度都可調(diào)，即使懸架不變，也通常是可以調(diào)試來消除大部分的跳動(dòng)轉(zhuǎn)向的。圖19.7、19.8、19.9給出了不同的情況和一般的解決方案。 如圖1

28、9.9繪制的跳動(dòng)轉(zhuǎn)向的曲線的情況要盡量避免，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致行駛過程中車輪前束值的一系列變化。會(huì)帶來的另一個(gè)問題是車輪的跳動(dòng)位置會(huì)使轉(zhuǎn)向效果由不足轉(zhuǎn)向趨于過度轉(zhuǎn)向。如果跳動(dòng)轉(zhuǎn)向情況如此圖，另一個(gè)可能的解決方法是抬高橫拉桿的兩端（對于不等長雙橫臂），讓它接近更短的上橫臂。這樣的話，橫拉桿的角度也要調(diào)整。 如圖19.8所示的跳動(dòng)轉(zhuǎn)向曲線是線性的但是傾斜的，可以增加懸架的側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向，這樣會(huì)使駕駛員路感更明顯，也會(huì)（稍微）補(bǔ)償不期望的變形效果，下段將會(huì)提到。 整體式前橋 整體式前橋通常使用蝸桿齒扇式或者循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，安裝在底盤上。整體式前橋有兩種運(yùn)動(dòng)路徑——跳動(dòng)和

29、側(cè)傾，如17章所述。確定唯一一個(gè)轉(zhuǎn)向連接的位置來使跳動(dòng)和側(cè)傾轉(zhuǎn)向影響最小化是不可能的，因?yàn)橛袃蓚€(gè)前軸運(yùn)動(dòng)的瞬心軸（接近豎直）。如果把轉(zhuǎn)向器固定在前橋上，整體式前橋也可以消除跳動(dòng)和側(cè)傾轉(zhuǎn)向，就像一些商用車。這樣的話會(huì)增加簧下質(zhì)量而破壞抓地性能。 變形效應(yīng) 對于無載懸架來說跳動(dòng)和側(cè)傾轉(zhuǎn)向是差不多的。當(dāng)懸架加載側(cè)向力時(shí)，變形效應(yīng)導(dǎo)致跳動(dòng)和側(cè)傾轉(zhuǎn)向有所不同，原因如下： ·兩個(gè)車輪一起跳動(dòng)時(shí)，兩邊的懸架部件都加載使齒條同時(shí)受拉或受壓。 ·側(cè)傾時(shí)，兩個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)方向不一致（一個(gè)上跳一個(gè)下落），齒條受到一個(gè)方向的力而向左或向右移動(dòng)。 齒條和懸架桿件的連接都會(huì)決定有多少變形轉(zhuǎn)向存在。另外在裝有循

30、環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的車上橫向連接處也會(huì)導(dǎo)致變形轉(zhuǎn)向，因?yàn)橥ǔＳ捎诎惭b原因這些連接并不是直的：拉壓有彎曲的連接將會(huì)比拉壓直接連接更容易改變長度。 很多情況下，因側(cè)向力產(chǎn)生的變形轉(zhuǎn)向要比幾何問題（跳動(dòng)、側(cè)傾、阿克曼效應(yīng)等等）導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向大很多，這是在工廠內(nèi)有或沒有彈簧行程下測量的。注意懸架和轉(zhuǎn)向與底盤的連接點(diǎn)的安排可以使變形轉(zhuǎn)向最小化。大部分情況下這是唯一能做的。變形轉(zhuǎn)向效應(yīng)可以在一個(gè)懸架參數(shù)測量儀上測，就如Chevrolet Vehicle Handling Facility(VHF)，或者通過分析產(chǎn)生輪胎印跡的側(cè)向力。 19.5 調(diào)整 車輛的調(diào)整是針對每一個(gè)車輪的前束及外傾角進(jìn)行的靜態(tài)設(shè)置。

31、 前束 前束的設(shè)置是以整車為參考的，用卷尺分別測量輪胎的前后端。這種簡單的測量存在的問題是它不能明確后懸架是否有設(shè)置一個(gè)角度而引起車輛的偏斜。更準(zhǔn)確的前束測量應(yīng)該以車的中心線為基準(zhǔn)。一種簡單的方法是準(zhǔn)備兩根橫桿固定住底盤的前后端。橫桿兩端系上繩子，繞在車輪外端平行于底盤中心線。用這個(gè)裝置，單個(gè)車輪的前束值也可以測量。測量結(jié)果可以轉(zhuǎn)換成角度，因此即使有不同測量跨距的車之間也可以對比，用最小角度的假設(shè)（如果1rad=57.3°，1/57rad近似為1°，所有車都對應(yīng)一個(gè)57”寬的輪距）。 前輪的靜態(tài)前束值也依賴于其他懸架參數(shù)，像阿克曼（或反阿克曼）轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系、跳動(dòng)和側(cè)傾轉(zhuǎn)向、變形轉(zhuǎn)向（前置

32、或后置齒條）以及外傾角（包括靜態(tài)和跳動(dòng)側(cè)傾時(shí)的動(dòng)態(tài)值）。要求有極小的靜態(tài)前束值以減小因輪胎運(yùn)動(dòng)不一致而出現(xiàn)的滾動(dòng)阻力和不必要的輪胎磨損。 也可以通過調(diào)整上的改變來克服車的一些缺陷。一個(gè)簡單的例子——后輪有負(fù)前束（獨(dú)立懸架的）可以改善入彎情況。當(dāng)車轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)輪負(fù)載增加，會(huì)有一個(gè)過度轉(zhuǎn)向效應(yīng)。 外傾角 相對地平面的外傾角是其中一個(gè)重要的變量，它會(huì)影響輪胎的性能，就像載荷、側(cè)偏角、胎壓、溫度等因素一樣。靜態(tài)外傾角連同懸架結(jié)構(gòu)決定的外傾補(bǔ)償角共同作用應(yīng)該使輪胎轉(zhuǎn)向時(shí)有最佳的外傾角。 外傾也像轉(zhuǎn)向一樣工作：當(dāng)車輪外傾時(shí)，它傾向于把車?yán)蜉喬ロ敳績A斜的方向?？梢院唵蔚南氤赏鈨A轉(zhuǎn)向力的等效。對于很多子午線輪胎，1°的外傾角相當(dāng)于產(chǎn)生0.1°的轉(zhuǎn)向時(shí)的橫向力。對斜交輪胎這種效應(yīng)更明顯：1°的外傾角相當(dāng)于0.2°轉(zhuǎn)角。從這個(gè)簡單的經(jīng)驗(yàn)法則來看，靜態(tài)的負(fù)的外傾角需要配合負(fù)前束來保證車輪滾動(dòng)不互相干涉。 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 06級車輛1班 趙松輝 2010-4-24