賽車與阿克曼轉(zhuǎn)向

阿克曼？反阿克曼？或者平行轉(zhuǎn)向？在車輛入彎時投過增加前輪toeout阿克曼轉(zhuǎn)向幾何被用來改變動態(tài)前束設定。車手對此十分關(guān)注因為對車輛入彎和彎道中操縱品質(zhì)有潛在影響。我們對賽車科技的關(guān)注在于為我們的客戶找尋賽車布置的更深發(fā)展。多年來我們使用自己的“重量轉(zhuǎn)移表”WTW來設計賽車。通過賽道測試我們可以獲得確認的數(shù)據(jù)證明了如果你有一個稍微靠譜的基本設計那么你就可以根據(jù)車手的感受來做出改變并且進一步改進賽車。彈簧、防傾桿和減震器首當其沖。雖然WTW的車輛動態(tài)理論仍然是我們賽車設計的主要依據(jù)，我們也希望發(fā)展出考慮轉(zhuǎn)向和懸架幾何等同樣擁有一般應用的研發(fā)步驟。阿克曼轉(zhuǎn)向幾何血位？￡imujaFVnirtfjn鏟,T'L寸-JZ? J“F公路車或賽車的典型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向臂等組成一個近似的平行四邊形當車輪轉(zhuǎn)彎時偏向一邊。如果轉(zhuǎn)向臂是平行的那么兩個輪轉(zhuǎn)的角度就相同。如果轉(zhuǎn)向臂之間有角度如圖1所示這成為阿克曼轉(zhuǎn)向幾何。內(nèi)側(cè)車輪比外側(cè)車輛轉(zhuǎn)的角度要大使內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向半徑較小。圖示轉(zhuǎn)向臂角度為100的阿克曼。不同的設計會使用或多或少的正阿克曼、反阿克曼或者阿克曼是可調(diào)的。（實際上可調(diào)阿克曼幾何很少見。就像一位汽車設計師對我們說的那樣，不要瞎胡鬧）完全的阿克曼轉(zhuǎn)向幾何要求轉(zhuǎn)向角度包括內(nèi)側(cè)輪和外側(cè)輪像圖1一樣。該角度是關(guān)于轉(zhuǎn)向中心半徑、軸距和輪距的函數(shù)。事實上轉(zhuǎn)向角度達不到完美的阿克曼幾何。實際阿克曼幾何對于車輛高速入彎時只是一個不太重要的數(shù)學概念。我們只對我們是否能改增加動態(tài)toeout和相對于轉(zhuǎn)向角度成指數(shù)增長感興趣?？聪旅娴膱D7的一些曲線。因此我們應該把阿克曼當做是一個描述轉(zhuǎn)向幾何產(chǎn)生的動態(tài)toeout變化進程的術(shù)語。如果我們選用阿克曼幾何，其程度必須要高（百分比）因為對于小的轉(zhuǎn)向角來說，阿克曼是最容易實現(xiàn)的。我們也要關(guān)注靜態(tài)前束設置，它也是與阿克曼相互作用的。懸架運動可能也會造成前束的改變（bumpsteer）。前束可能隨車輛側(cè)傾角而變但不可能為我們所用。（不可控）通常bumpsteer會設置為0，除了前束變化外，大多數(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里轉(zhuǎn)向比也大有不同。車手需對此了解。輪胎側(cè)偏角--阿克曼主要變量輪胎側(cè)偏角簡單來說就是車輛轉(zhuǎn)向角和輪胎印跡方向之間的差異。產(chǎn)生側(cè)偏角的相應機制與車輛的懸架設定有關(guān)。例如，輪胎印跡的側(cè)偏產(chǎn)生相應的反作用力，所謂輪胎拖距，會對轉(zhuǎn)向軸施加一個“自回正力矩”。除了懸架幾何可能具有的后傾拖距外，車手能夠通過轉(zhuǎn)向系感知到（回正力矩）。盡管我們的關(guān)注點是側(cè)偏角與動態(tài)前束的相互關(guān)系。如圖2所示當車輛以賽道速度轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)向阿克曼幾何通過輪胎側(cè)偏角迅速調(diào)整。賽車

胎側(cè)向加速度最大時也許有567或8或者更大的側(cè)偏角且通常更大的側(cè)偏角反過來dotroadlegal賽車胎。低品質(zhì)的輪胎側(cè)偏角較小?，F(xiàn)在IRL中所用的剛度最大的賽車胎側(cè)偏角大約為2度。LoadLateralForceVsSHpAngl料fordiffer導ntNorrnaJLoad1E?，RirnS25jl9Camber0dcq頃丫（3「[116Givenspeed1E?，RirnS25jl9Camber0dcq頃丫（3「[116Givenspeed—[MH*■S』有qSlipAnniu圖3很明顯，側(cè)偏角隨著輪胎負荷耳邊，也能影響都前束設定。當車輛轉(zhuǎn)彎時，輪胎負荷會有所轉(zhuǎn)移，側(cè)偏角隨負荷變化而增加減少。輪胎垂直負荷隨著彎道重量轉(zhuǎn)移而改變，輪胎負荷也相應于路面的起伏而變化。側(cè)向輪胎負荷隨側(cè)向加速度而變。圖3是來自ClaudeRouelle的賽車工程研討會上的一幅側(cè)向力和側(cè)偏角的例圖。如果我們想控制前束角就需要這樣的輪胎數(shù)據(jù)。當輪胎上產(chǎn)生側(cè)向力時側(cè)偏角迅速增大。部分曲線的斜率就是輪胎剛度是輪胎關(guān)于轉(zhuǎn)向輸入響應的度量。當達到最大側(cè)向力時，曲線變平。假如車手了解輪胎的話他會駕車行駛在此區(qū)域。如果車手給輪胎鴨梨太大，側(cè)偏角會更大，以及近似的側(cè)向力（側(cè)向力、抓地力），但是輪胎可能會過熱。圖標也顯示了改變輪胎負荷的作用。300磅的藍線可能代表內(nèi)側(cè)胎。摩擦系數(shù)較高為2.因此最大側(cè)向力是垂直載荷的兩倍。900磅的曲線可能代表的更大負載的外側(cè)胎。摩擦系數(shù)較小為1.6,因此最大側(cè)向力只是垂直載荷的1.6倍。我們的第一關(guān)注點是彎道中前輪外側(cè)胎負荷增加時其側(cè)偏角會比負荷較輕的內(nèi)側(cè)胎更大。直觀上我們覺得這是必然的。有負荷的輪胎會比輕負荷的內(nèi)側(cè)胎toeout更大。我們期望負荷大的輪胎能在彎道中控制車輛軌跡所以所有的toeout看起來就產(chǎn)生在內(nèi)側(cè)胎上。阿克曼幾何也會產(chǎn)生toeout。再加上賽車常用的靜態(tài)toeout。在內(nèi)側(cè)車輪產(chǎn)生阻力前車輛能有多少toeout呢？內(nèi)側(cè)胎會失去抓地力嘛，假設外側(cè)胎抓地力最大，且車輛是平衡的，很明顯內(nèi)側(cè)胎的抓地力會有所得失。關(guān)于這點我們可以得出以下結(jié)論：假如車輛轉(zhuǎn)彎時側(cè)向加速度最大，內(nèi)瓦側(cè)胎的側(cè)偏角差異為1度。這相當于toeout為6mm。這是一個我們認為能影響到操縱品質(zhì)的前束變化。當輪胎穿過彎道時，由于車手輸入或路面變化引起的輪胎負荷的變化會引起前束變化（由于側(cè)偏角有變化）。這些變化附加于阿克曼和轉(zhuǎn)向和懸架幾何引起的bumpsteer。側(cè)偏角與其他變量之間的相互依賴很難察覺。但幸運的是似乎我們能夠內(nèi)側(cè)輪胎的抓地力是否ok。圖3所示的輪胎在輕負載側(cè)偏角4-8度時抓地力很穩(wěn)定，表明內(nèi)側(cè)胎能應付較大的側(cè)偏角變化范圍，并且能夠提供接近極限的抓地力。這以為著在彎道中，即使前束角變化劇烈，我們也能有接近極限的內(nèi)側(cè)抓地力。注意前束和側(cè)偏角，似乎我們可以給內(nèi)側(cè)胎施加阻力但在維持接近最大抓地力時不能做到這一點。入彎時，我們期望有更精確的動態(tài)前束設定。原先沒有阿克曼，所以我們只關(guān)注靜態(tài)前束設定，以及研究側(cè)偏角。看磚家怎么說CostinPhippsRacingSportsCarChassisDesign1961。對于性能車和賽車他們建議使用小量的反阿克曼，并沒研究可能使用阿克曼的任何情況?！坝捎谥亓哭D(zhuǎn)移，外側(cè)車輪總是比內(nèi)側(cè)車輪負荷高，因此側(cè)偏角較大，需要更多鎖止”CarrollSmithTunetoWin1978。中提到了反阿克曼，他說它“不正確”，他覺得賽車轉(zhuǎn)向角度太小不適合設立阿克曼，且彎道中內(nèi)側(cè)胎負荷不足，影響不大，意指阿克曼效應-通常認為內(nèi)側(cè)胎抓地力是設計的關(guān)注點。有趣的是，對于入彎他更傾向于使用少量的靜態(tài)toeout或和toein，對于bump則小量的bumpsteertoeout。因為預測左右邊車身高度的困難性，也許設置零bumpsteer所需的靜態(tài)toeout更合適。配備車輪位置傳感器和數(shù)據(jù)采集設備的車隊能告訴你為什么。EngineerinYourPocket1998沒有提到阿克曼，這很重要。二十年后在“TunetoWin”中CarrolSmith肯定覺得阿克曼調(diào)整仍然是設計的一小部分。DonAlexanderPerformanceHandling1991.寫到反阿克曼在早年應用。但是到了90年代“阿克曼轉(zhuǎn)向又回歸了，常常是超過百分百的比例”，例如有著強大空氣下壓力的車輛。但是他對于側(cè)偏角效應的解釋是錯誤的而且沒有深入展開來講。最終他說阿克曼是設計的一個因素而非賽車手使用的調(diào)整工具。PaulValkenburg，”RaceCarEngineeringMechanics”，1992考慮了側(cè)偏角“第一眼看上去好像”阿克曼轉(zhuǎn)向也許是個缺陷。另一方面科學地采集數(shù)據(jù)顯示輪胎負荷越輕，轉(zhuǎn)向力峰值所需的側(cè)偏角越大。這表明阿克曼實際上對于賽車很有用。盡管可能沒有足夠的轉(zhuǎn)向動作產(chǎn)生明顯的效果。只有繞樁和試車跑道能肯定地證明。AllanStaniforthCompetitionCarSuspension1999.關(guān)于內(nèi)側(cè)胎抓地他說“我的觀點是不要單單運用阿克曼就是說任何有助于輔助輪胎印跡工作的東西都值得嘗試”。他沒有說什么時候或者在什么情況下他會選用阿克曼。后來他寫過一篇文章發(fā)表的一種技術(shù)雜志上（或者是SimonMcbeath）說他熱衷于阿克曼，而且基于一輛爬山車做了一些測試。不幸的是我沒有找到這本雜志。EricZapletalRaceCarEngineeringmagazineAugust2001。這是關(guān)于“阿克曼釋疑”系列的第三部分。他提供了許多“靜態(tài)轉(zhuǎn)向角曲線”，表現(xiàn)了不同側(cè)偏角下帶有阿克曼的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。文章結(jié)尾關(guān)于怎么應用阿克曼他給出了一些深層次的結(jié)論。他指出現(xiàn)代車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）使用ABS剎車系統(tǒng)來獨立地對車輪進行制動來抵抗車輛的搖擺控制轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過度?！袄脫u擺力（賽車）的一種最簡單的方式就是使用動態(tài)前束變化。前輪的動態(tài)toeout恰好產(chǎn)生某種程度的微分縱向力，幫助車輛偏航入彎”。我認為他的意思是如果內(nèi)側(cè)前胎阻力比外側(cè)稍大，會有助于車輛入彎。 ClaudeRouelle，優(yōu)化G賽車工程研討會（www.optimumG.com）TeeUeilniiionTm-Oul(51rliJkl4U>lipan欄I心Tm-Oul(51rliJkl4U>lipan欄I心hnJLiteral^rip!invLjrdtheoul-iidelee-hi:[iredirer!^nuivcutdtheiciwiclr圖4Claude指出靜態(tài)的toeout或toein設定會在每個前胎產(chǎn)生一個“人工”側(cè)偏角，以及側(cè)向抓力。如圖4.toeout有助于內(nèi)側(cè)車胎抓地。特別地toeout有助于補償內(nèi)側(cè)車輪的負外傾。外側(cè)車輪負外傾可進行優(yōu)化，但對內(nèi)側(cè)車輪工作不利。輪胎曲線印證了這個觀點。在零度側(cè)偏角時我們總有零度側(cè)向抓地力。對于任何角度的側(cè)偏輪胎會產(chǎn)生圖表對應的側(cè)向力。對應靜態(tài)toeout的賽車來說，我認為其轉(zhuǎn)向機構(gòu)可能是這樣的。在剛?cè)霃潟r，內(nèi)側(cè)輪toeout，已有少量側(cè)偏。完全的靜態(tài)重量加上循跡剎車帶來的重量再加上空氣下壓力（如果有的話）作用在輪胎上，所以可以迅速響應使車入彎。外側(cè)胎也toeout，但方向與車轉(zhuǎn)向的方向相反。所以賽車必須rollout最初的側(cè)偏角，然后在正確的方向從0開始建立側(cè)偏角。當賽車在彎道中開始有重量轉(zhuǎn)移時，外側(cè)輪獲得入彎的效力，內(nèi)側(cè)輪開始丟失側(cè)向力，外側(cè)輪隨著負荷的增加產(chǎn)生側(cè)向力，外傾增益的相對優(yōu)勢也進一步使外側(cè)胎抓地力增加。

一度一度》8&LLE3m_l圖5Claude認為首選的轉(zhuǎn)向幾何應該是關(guān)于輪胎曲線的函數(shù)。在圖5里，如果輪胎曲線表明對于輕負荷的內(nèi)側(cè)輪增加側(cè)偏角時力最大，這應該選用正阿克曼。如果輪胎曲線顯示在減少側(cè)偏角時力最大，我們認為反阿克曼是最合適的。然后曲線頂部是平的，那么是否側(cè)偏角就這么重要嗎，業(yè)余賽車中我們不知道用哪種，因為我們沒有輪胎數(shù)據(jù)。t VsSlipAngkGraphandR^verst;AckcnnannGeometry圖6a

WhyreverseAckemiKfi?<1匚&心札一“<1匚&心札一“ITCHllIHk'$JSlowComurFaMCornerStaticTeclu+++SlowComurFaMCornerStaticTeclu+++—StAtkTwOut—+++L[kiyvr'scoitinxius;f5L\znz'Vlrl\ 舟uToe-nuiisbdier值際tcaiwr,

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