赛车与阿克曼转向

阿克曼？反阿克曼？或者平行转向？在车辆入弯时投过增加前轮toeout阿克曼转向几何被用来改变动态前束设定。车手对此十分关注因为对车辆入弯和弯道中操纵品质有潜在影响。我们对赛车科技的关注在于为我们的客户找寻赛车布置的更深发展。多年来我们使用自己的“重量转移表”WTW来设计赛车。通过赛道测试我们可以获得确认的数据证明了如果你有一个稍微靠谱的基本设计那么你就可以根据车手的感受来做出改变并且进一步改进赛车。弹簧、防倾杆和减震器首当其冲。虽然WTW的车辆动态理论仍然是我们赛车设计的主要依据，我们也希望发展出考虑转向和悬架几何等同样拥有一般应用的研发步骤。阿克曼转向几何血位？£imujaFVnirtfjn铲,T'L寸-JZ? J“F公路车或赛车的典型转向系统有着转向拉杆和转向臂等组成一个近似的平行四边形当车轮转弯时偏向一边。如果转向臂是平行的那么两个轮转的角度就相同。如果转向臂之间有角度如图1所示这成为阿克曼转向几何。内侧车轮比外侧车辆转的角度要大使内侧车轮的转向半径较小。图示转向臂角度为100的阿克曼。不同的设计会使用或多或少的正阿克曼、反阿克曼或者阿克曼是可调的。（实际上可调阿克曼几何很少见。就像一位汽车设计师对我们说的那样，不要瞎胡闹）完全的阿克曼转向几何要求转向角度包括内侧轮和外侧轮像图1一样。该角度是关于转向中心半径、轴距和轮距的函数。事实上转向角度达不到完美的阿克曼几何。实际阿克曼几何对于车辆高速入弯时只是一个不太重要的数学概念。我们只对我们是否能改增加动态toeout和相对于转向角度成指数增长感兴趣。看下面的图7的一些曲线。因此我们应该把阿克曼当做是一个描述转向几何产生的动态toeout变化进程的术语。如果我们选用阿克曼几何，其程度必须要高（百分比）因为对于小的转向角来说，阿克曼是最容易实现的。我们也要关注静态前束设置，它也是与阿克曼相互作用的。悬架运动可能也会造成前束的改变（bumpsteer）。前束可能随车辆侧倾角而变但不可能为我们所用。（不可控）通常bumpsteer会设置为0，除了前束变化外，大多数转向系统里转向比也大有不同。车手需对此了解。轮胎侧偏角--阿克曼主要变量轮胎侧偏角简单来说就是车辆转向角和轮胎印迹方向之间的差异。产生侧偏角的相应机制与车辆的悬架设定有关。例如，轮胎印迹的侧偏产生相应的反作用力，所谓轮胎拖距，会对转向轴施加一个“自回正力矩”。除了悬架几何可能具有的后倾拖距外，车手能够通过转向系感知到（回正力矩）。尽管我们的关注点是侧偏角与动态前束的相互关系。如图2所示当车辆以赛道速度转弯时，转向阿克曼几何通过轮胎侧偏角迅速调整。赛车

胎侧向加速度最大时也许有567或8或者更大的侧偏角且通常更大的侧偏角反过来dotroadlegal赛车胎。低品质的轮胎侧偏角较小。现在IRL中所用的刚度最大的赛车胎侧偏角大约为2度。LoadLateralForceVsSHpAngl料fordiffer导ntNorrnaJLoad1E⑭，RirnS25jl9Camber0dcq顷丫（3「[116Givenspeed1E⑭，RirnS25jl9Camber0dcq顷丫（3「[116Givenspeed—[MH*■S』有qSlipAnniu图3很明显，侧偏角随着轮胎负荷耳边，也能影响都前束设定。当车辆转弯时，轮胎负荷会有所转移，侧偏角随负荷变化而增加减少。轮胎垂直负荷随着弯道重量转移而改变，轮胎负荷也相应于路面的起伏而变化。侧向轮胎负荷随侧向加速度而变。图3是来自ClaudeRouelle的赛车工程研讨会上的一幅侧向力和侧偏角的例图。如果我们想控制前束角就需要这样的轮胎数据。当轮胎上产生侧向力时侧偏角迅速增大。部分曲线的斜率就是轮胎刚度是轮胎关于转向输入响应的度量。当达到最大侧向力时，曲线变平。假如车手了解轮胎的话他会驾车行驶在此区域。如果车手给轮胎鸭梨太大，侧偏角会更大，以及近似的侧向力（侧向力、抓地力），但是轮胎可能会过热。图标也显示了改变轮胎负荷的作用。300磅的蓝线可能代表内侧胎。摩擦系数较高为2.因此最大侧向力是垂直载荷的两倍。900磅的曲线可能代表的更大负载的外侧胎。摩擦系数较小为1.6,因此最大侧向力只是垂直载荷的1.6倍。我们的第一关注点是弯道中前轮外侧胎负荷增加时其侧偏角会比负荷较轻的内侧胎更大。直观上我们觉得这是必然的。有负荷的轮胎会比轻负荷的内侧胎toeout更大。我们期望负荷大的轮胎能在弯道中控制车辆轨迹所以所有的toeout看起来就产生在内侧胎上。阿克曼几何也会产生toeout。再加上赛车常用的静态toeout。在内侧车轮产生阻力前车辆能有多少toeout呢？内侧胎会失去抓地力嘛，假设外侧胎抓地力最大，且车辆是平衡的，很明显内侧胎的抓地力会有所得失。关于这点我们可以得出以下结论：假如车辆转弯时侧向加速度最大，内瓦侧胎的侧偏角差异为1度。这相当于toeout为6mm。这是一个我们认为能影响到操纵品质的前束变化。当轮胎穿过弯道时，由于车手输入或路面变化引起的轮胎负荷的变化会引起前束变化（由于侧偏角有变化）。这些变化附加于阿克曼和转向和悬架几何引起的bumpsteer。侧偏角与其他变量之间的相互依赖很难察觉。但幸运的是似乎我们能够内侧轮胎的抓地力是否ok。图3所示的轮胎在轻负载侧偏角4-8度时抓地力很稳定，表明内侧胎能应付较大的侧偏角变化范围，并且能够提供接近极限的抓地力。这以为着在弯道中，即使前束角变化剧烈，我们也能有接近极限的内侧抓地力。注意前束和侧偏角，似乎我们可以给内侧胎施加阻力但在维持接近最大抓地力时不能做到这一点。入弯时，我们期望有更精确的动态前束设定。原先没有阿克曼，所以我们只关注静态前束设定，以及研究侧偏角。看砖家怎么说CostinPhippsRacingSportsCarChassisDesign1961。对于性能车和赛车他们建议使用小量的反阿克曼，并没研究可能使用阿克曼的任何情况。“由于重量转移，外侧车轮总是比内侧车轮负荷高，因此侧偏角较大，需要更多锁止”CarrollSmithTunetoWin1978。中提到了反阿克曼，他说它“不正确”，他觉得赛车转向角度太小不适合设立阿克曼，且弯道中内侧胎负荷不足，影响不大，意指阿克曼效应-通常认为内侧胎抓地力是设计的关注点。有趣的是，对于入弯他更倾向于使用少量的静态toeout或和toein，对于bump则小量的bumpsteertoeout。因为预测左右边车身高度的困难性，也许设置零bumpsteer所需的静态toeout更合适。配备车轮位置传感器和数据采集设备的车队能告诉你为什么。EngineerinYourPocket1998没有提到阿克曼，这很重要。二十年后在“TunetoWin”中CarrolSmith肯定觉得阿克曼调整仍然是设计的一小部分。DonAlexanderPerformanceHandling1991.写到反阿克曼在早年应用。但是到了90年代“阿克曼转向又回归了，常常是超过百分百的比例”，例如有着强大空气下压力的车辆。但是他对于侧偏角效应的解释是错误的而且没有深入展开来讲。最终他说阿克曼是设计的一个因素而非赛车手使用的调整工具。PaulValkenburg，”RaceCarEngineeringMechanics”，1992考虑了侧偏角“第一眼看上去好像”阿克曼转向也许是个缺陷。另一方面科学地采集数据显示轮胎负荷越轻，转向力峰值所需的侧偏角越大。这表明阿克曼实际上对于赛车很有用。尽管可能没有足够的转向动作产生明显的效果。只有绕桩和试车跑道能肯定地证明。AllanStaniforthCompetitionCarSuspension1999.关于内侧胎抓地他说“我的观点是不要单单运用阿克曼就是说任何有助于辅助轮胎印迹工作的东西都值得尝试”。他没有说什么时候或者在什么情况下他会选用阿克曼。后来他写过一篇文章发表的一种技术杂志上（或者是SimonMcbeath）说他热衷于阿克曼，而且基于一辆爬山车做了一些测试。不幸的是我没有找到这本杂志。EricZapletalRaceCarEngineeringmagazineAugust2001。这是关于“阿克曼释疑”系列的第三部分。他提供了许多“静态转向角曲线”，表现了不同侧偏角下带有阿克曼的转向系统。文章结尾关于怎么应用阿克曼他给出了一些深层次的结论。他指出现代车辆稳定性控制系统（VSC）使用ABS刹车系统来独立地对车轮进行制动来抵抗车辆的摇摆控制转向不足和转向过度。“利用摇摆力（赛车）的一种最简单的方式就是使用动态前束变化。前轮的动态toeout恰好产生某种程度的微分纵向力，帮助车辆偏航入弯”。我认为他的意思是如果内侧前胎阻力比外侧稍大，会有助于车辆入弯。 ClaudeRouelle，优化G赛车工程研讨会（www.optimumG.com）TeeUeilniiionTm-Oul(51rliJkl4U>lipan栏I心Tm-Oul(51rliJkl4U>lipan栏I心hnJLiteral^rip!invLjrdtheoul-iidelee-hi:[iredirer!^nuivcutdtheiciwiclr图4Claude指出静态的toeout或toein设定会在每个前胎产生一个“人工”侧偏角，以及侧向抓力。如图4.toeout有助于内侧车胎抓地。特别地toeout有助于补偿内侧车轮的负外倾。外侧车轮负外倾可进行优化，但对内侧车轮工作不利。轮胎曲线印证了这个观点。在零度侧偏角时我们总有零度侧向抓地力。对于任何角度的侧偏轮胎会产生图表对应的侧向力。对应静态toeout的赛车来说，我认为其转向机构可能是这样的。在刚入弯时，内侧轮toeout，已有少量侧偏。完全的静态重量加上循迹刹车带来的重量再加上空气下压力（如果有的话）作用在轮胎上，所以可以迅速响应使车入弯。外侧胎也toeout，但方向与车转向的方向相反。所以赛车必须rollout最初的侧偏角，然后在正确的方向从0开始建立侧偏角。当赛车在弯道中开始有重量转移时，外侧轮获得入弯的效力，内侧轮开始丢失侧向力，外侧轮随着负荷的增加产生侧向力，外倾增益的相对优势也进一步使外侧胎抓地力增加。

一度一度》8&LLE3m_l图5Claude认为首选的转向几何应该是关于轮胎曲线的函数。在图5里，如果轮胎曲线表明对于轻负荷的内侧轮增加侧偏角时力最大，这应该选用正阿克曼。如果轮胎曲线显示在减少侧偏角时力最大，我们认为反阿克曼是最合适的。然后曲线顶部是平的，那么是否侧偏角就这么重要吗，业余赛车中我们不知道用哪种，因为我们没有轮胎数据。t VsSlipAngkGraphandR^verst;AckcnnannGeometry图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值际tcaiwr,

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