阿克曼原理及转向

一、阿克曼原理

阿克 曼原理的基本观点是:汽 车在行驶( 直线行驶和转弯行驶) 过 程 中,每个车轮的运动轨迹,都必 须完全符合它 的自然运动轨迹,从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。 1.阿克曼理论转向特性

以图1所示的两轴车为例，阿克曼理论转向特性，是以汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力为假设条件的。

该转向特性的特点为:①汽车直线行驶时，4个车轮的轴线都互相平行，而且垂直于汽车纵向中心面;②汽车在转向行驶过程中，全部车轮都必须绕一个瞬时中心点做圆周滚动，而且前内轮与前外轮的转角应满足下面关系式:

式中,β—汽车前外轮转角 α—汽车前内轮转角 K—两主销中心距 L—轴距 2.阿克曼梯形

阿克曼梯形即为满足阿克曼理论转向特性的四连杆机构，其底角Qa(见图2)由下式确定:

其梯形臂的作用长度m=0. 11~0. 15K

阿克曼梯形是一个如图3所示的平面梯形，其特性为:①βa=f(αa)②梯形上底长度AB与两主销中心距及两主销中心线穿地点之距完全一致。 图4给出了阿克曼梯形特性曲线与阿克曼理论转向特性曲线的对比情况。从图中可见，两条曲线基本重合，表明用上述方法确定梯形参数是可行的。

二、前轮定位参数及特性对转向梯 形设计的影响

1.前轮外倾特性对阿克曼理论转向特性的影响

图S所示是主销内倾角为14度时的汽车前轮外倾特性。它直接影响阿克曼理论转向特性式(1)。当汽车前轮转角关系完全符合阿克曼理论转向特性式(1)时，

由于受前轮外倾的影响，使汽车前轮的自然运动轨迹与实际运动轨迹不吻合，如图6所示。因此，要想满足阿克曼原理的要求，必须减少内、外轮的转角差，即汽车理论转向特性应为:

其中△α，△β 为汽车前内轮和前外轮瞬时外倾角的函数。

2.主销倾角对转向梯形特性的影响

由于主销内倾角的存在，使阿克曼梯形变成了三维空间几何梯形，如图7所示。用两面角的方法表示时，S1,S2分别为通过横拉杆两球头中心D,C，并垂直于主销中心线的两个平面，且与两主销中心线分别交于AT ,BT二点。ATBTCD为空间梯形，Q为梯形底角，ATD=BTC为梯形臂长。空间梯形特性用下 式表示:

图8为平面梯形特性曲线与空间梯形特性曲线的对比情况。从图8中可以看出，对于同样的梯形参数，主销内倾角为0°的平面梯形特性曲线与主销内倾角为8°的空间梯形特性曲线之间存在着一定的差异，当ak = aα时，βk < βα。 由于主销倾角(内倾和后倾)的存在，使

梯形特性只能代表前轮中心点G(见图9)绕主销中心线的运动关系k,k。图中O点为主销中心。因为前轮的实际转角为和，因而k和k的差异也是梯形设计应考虑的因素之一。

综上所述，设计汽车转向梯形时，必须根据不同的前轮定位参数，确定合理的梯形底角Q(见图10)。

式

中J—矩形化梯形系数 JJaJgJw...... Ja—阿克曼梯形系数 Jg—空间梯形系数 Jw—前轮外倾特性系数 三、矩形化梯形设计

转向梯形的设计，自70年代末就开始出现了矩形化(平行四边形)的趋势，目前如美国的克莱斯勒公司、德国的大众公司.、日本的丰田公司等，都已经采用了梯形矩形化的设计方法。第一汽车集团公司的产品设计部门，也在汽车设计上进行了初步的尝试，经过实践证明，效果良好。

前

轮定位参数 随前轮角位移变化的特性,都是主销倾角 W 的函数, 其表达式如下:

式中W0—主销内倾角(设计值)

W2—主销后倾角(设计值)

在进行矩形化梯形设计时，首先应根据主销倾角W、前轴主销中心距K、轴距L按式(5)确定梯形底角Q。其中矩形化梯形系数J可按下述经验公式选取:

Q值求得后，梯形臂长m可按0.11 ~ 0.15K选取，再通过前轴的系统布置，确定转向横拉杆球头中心的位置，完成矩形化梯形的结构设计。然后借助计算机，利用梯形设计程序，输出最终的梯形参数及汽车理论转向特性曲线、梯形特性曲线等。

四、试验验证

应用上述结果，对SP-662型大客车进行了改进设计，因条件所限，只对4种梯形底角(包括原车梯形底角70°17′)进行了轮胎磨损的对比试验，其结果如表1所列。从表1中可见，合理选择梯形底角，可明显改善汽车的操纵性能和提高汽车运行的经济效益。

以奥迪轿车为例，取梯形臂长m=0.11K、矩形化梯形系数J=0.7+1.4tgW进 行计算，其对比结果列于表2。从表2中的对比数据可知，按照式(7)选取梯形系数J是可行的。