阿克曼原理及转向

1、阿克曼原理与矩形化转向梯形设计一、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: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;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,汽车前外轮转角 汽车前内轮

2、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. 110. 15k 阿克曼梯形是一个如图3所示的平面梯形，其特性为:a=f(a)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

3、(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， 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

4、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 = a时，k 。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,。图中o点为主销中心。因为前轮的实际转角为和，因而和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)。式中矩形化梯形系数 阿克曼梯形系数 空间梯形系数 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

5、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7017)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