淺談轉向輪轉角關係設計

寫在前面

今天來聊聊轉向輪轉角關係設計。轉向輪轉角關係這個概念在汽車的前期開發過程中往往不痛不癢，也常常在逆向開發過程中，嚴格執行標杆車硬點而完全忽視對其優化。其實，轉向輪的內/外輪轉角關係不僅影響輪胎的磨耗，同時也影響轉向時方向盤操作力及轉向時的回正力矩，另外，內/外輪轉角關係也對車輛的最小轉彎直徑也有一定的影響。這裡特別說明一下方向盤操作力及回正力矩，四輪定位參數對這兩者的影響一般是「厚此薄彼」，對一方有利就對另一方有害。但是轉向輪內/外輪轉角關係對其影響是同時有利或者不利，就相當於系統摩擦力存在的影響。

內外輪轉角關係

內外輪轉角關係，大多時候我們遵循阿克曼轉向幾何關係。車輛轉向時，為滿足輪胎的純滾動的要求，車輛沿著彎道轉彎時，利用轉向梯形結構，使內輪轉向角大於外輪轉向角，使四個車輪的軌跡圓心相較於一點，這種內/外轉向輪間適當的轉角關係，就是阿克曼轉角幾何關係。阿克曼轉向幾何是一種為了解決交通工具在轉彎的時候，各個車輪的行駛軌跡圓心不同的問題而提出來的，它的歷史不再過多表述，去百度總能找到答案。

理想的轉角關係如下圖所示，這張圖大家再熟悉不過：

內外輪轉角關係的設計

對於轉向梯形的具體概念及繪製方法，可以參考阿爾特汽車股份有限公司的內部標準《車輛轉向時轉向輪轉角關係設計》。如何根據理想的轉角關係設計轉向梯形，本文不再多說，可以參考清華大學王霄峰編著的《汽車懸架和轉向系統設計》，各位從業人員對轉向梯形的優化設計也有不同的方法，如《汽車轉向梯形機構在不同目標函數下的優化》。

下面聊聊我們在轉向梯形優化過程中需要把握的原則。精確的轉向梯形能夠更好地滿足阿克曼原理，保證良好的轉向性能。轉向梯形設計過程中對阿克曼轉角關係的符合程度，我們一般用阿克曼率來進行評價。此時需要了解阿克曼率的概念，阿克曼率是指內外輪實際轉角差與理論轉角差的比值（%）。

轉向梯形機構有整體式和斷開式兩種,轉角關係一般為：

以這樣理解，阿克曼率是調節轉彎直徑，轉向操作力，輪胎磨損量的一個指標參數：

1.輪胎磨損特性——阿克曼率越大，則內/外輪純滾動的符合性越高，輪胎磨損量越小。

2.方向盤操作力及回正時操作力——阿克曼率越小，則內/外輪胎的相對變形量越大，方向盤操作力越大，同時方向盤迴正時的操作力越小。

3.最小轉彎直徑——阿克曼率越小，則最大車輪轉角條件下的轉向角偏差越大，最小轉彎直徑越小。當然反過來想，轉角極限位置，在相同的外輪轉角情況下，通過加大內輪轉角（在空間允許的情況下）改善阿克曼率，同時也減小了最小轉彎直徑。

4.任何情況下，只要不影響其他指標，阿克曼率越高越好。請大家不要因為20度時阿克曼率40%到60%所誤導。

轉向梯形優化過程會涉及硬點的調整，主要是轉向拉杆內點（tierod_inner）和轉向拉杆外點（tierod_outer）坐標值，以麥弗遜懸架來講，這往往會影響到車輪前束的變化率，對整車性能及輪胎磨損產生影響。這也是大多工程師開發過程中不願意動這兩個硬點的原因。

根據我最近做的一次麥弗遜懸架硬點針對KC特性的靈敏度分析，對前束變化影響較大為轉向拉杆內點外點的Z值，可以通過修改其XY值來改善阿克曼率。

後續我們也可以討論一下懸架硬點針對懸架KC分析的靈敏度分析，硬點優化的方法，歡迎大家討論。

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