什么是阿克曼转向?

  • 2025-07-12 21:56:27
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为什么有的车在低速湿滑的地库转向时,会莫名其妙的抖动或是震颤?其实这个问题由来已久。在还没有汽车的年代,马车转弯也会出现这种异常抖动。那么,车转弯时为什么会出现抖动,这个抖动如何解决呢,这就是今天要聊的阿克曼转向。

汽车转弯的小历史

在了解阿克曼转向之前,还是要谈一下汽车是如何转弯的。目前绝大多数民用车,不管是前驱、后驱还是四驱,都通过转动前轮实现转向。为什么采用前轮转向,因为前轮转向操稳性更好。如果是后轮转向,车辆会过分灵活,哪怕一点点角度都会被放大,产生大幅转向,并且后轮转向的指向性难以被大多数驾驶员理解,很容易失控。简答总结就是前轮转向倾向转向不足,后轮转向倾向转向过度。

当然,可能有人会说叉车或者很多带后轮转向的车型,都有后轮转向,那是因为叉车这类工程车辆速度很低,且工况都是在狭窄道路运行,因此很适合采用灵活度极高的后轮转向。而民用车的后轮转向则转向角度极低,如奔驰的S级轿车,后轮转向角度默认仅为4.5°,最大角度为10°。

回到文章开头,早期的马车采用非常简单的“转盘转向”(也称为单铰链转向),即以两个前轮的轴的中心为点进行旋转,两个车轮都围绕一个中心旋转,由于车轮独立转动,不存在转速差,也不存在侧滑或滑动摩擦,因此就没有文章开头所说的异常抖动问题。但是,这种转弯方向效率非常低。

负责转向的车轮必须前后移动很长一段位置才能实现转向,这种设计大幅挤占了车辆可用的空间。同时,转轴作为单一应力点,不方便布置合适的悬架,其次,长轴形成了一个杠杆,一点路面的微小颠簸反应到车身上就非常明显,舒适度很差。最主要的,还是这种转弯方式需要画一个巨大圆圈才能完成转向,用现在的行话说就是“转弯半径过大”。

为了解决转弯半径过大,就有了另外一种转向结构(技术)——一套四边形(梯形)转向机构。这种结构左右车轮各自拥有一个铰链,车轮围绕主销进行旋转,这样的设计,大大减少了车轮转弯时需要的空间,同时转弯半径也减少了很多,但也衍生出一个新的问题。如果这套连杆机构是平行四边形的话,在转向时,左右车轮转角会呈现相同的角度,这导致它们的轴线也平行,此时四个轮不会绕着同一个点滚动,从而出现滑动摩擦,就会出现文章开头所说的莫名其妙的振动和异响。

为了解决这个问题,1816年,马车制造商乔治·兰肯斯伯格(GeorgLankensperger)设计了一种梯形的转向机构(另外一种说法是英国人ErasmusDarwin发明了阿克曼转向),当内侧轮转动时,外侧轮以不同的速度转动。通过调整几何形状(转向节拉杆的角度),可以配置车轮的相对旋转。实现了在转弯时,左右侧转向轮都能指向同一个圆心,使得转弯时不易发生侧向滑移,解决车轮转向时的滑动问题,从而减少轮胎侧滑和磨损。后来,鲁道夫·阿克曼(RudolfAckermann)将其申报为专利,因此被称为阿克曼转向,也叫阿克曼几何、阿克曼角等。

标准的阿克曼转向其转向节拉杆的角度,延伸后,需要交汇于后轴,这时候阿克曼转向修正率就是100%。如果交汇点位于后轴之后,那么阿克曼转向修正率是低于100%的,不同的交汇点,会导致不同的转向特性。

但轮胎在重量、转向摩擦的影响下,都会存在形变,所以即便采用100%阿克曼转向修正率,实际使用过程中依然会存在一些角度偏差,并不完全能使车轮和弯心连线所成的夹角相同。因此,底盘工程师就需要根据实际情况对阿克曼转向修正率进行调整。根据民用车的工况,转向的设计大多处于阿克曼几何和平行几何之间。转向梯形呈“上底长、下底短”形态。这种设计能减小转弯半径,降低轮胎偏磨,适合日常低速行驶。例如,停车时内侧车轮转向角度更大,避免轮胎拖地。

而方程式赛车这类行驶速度较快的车型,一般更喜欢采用“反阿克曼转向”(外侧轮转向角度更大),配合限滑差速器,提升高速过弯时的稳定性和出弯速度。例如,F1赛车在高速弯道中通过增大外侧轮转向角,减少车身侧倾,增强抓地力。

阿克曼转向优势不少,避免了转向时轮胎滑动,延长轮胎寿命,减少轮胎磨损;确保车辆按预定轨迹行驶,减少侧滑风险,提升稳定性;性能车通过调整阿克曼转向率实现精准过弯,家用车则通过设计降低转向阻力,优化了操控性。回到文章开头,由于阿克曼转向的存在,且受地面材质、轮胎抓地力等多重因素影响,车辆转弯出现的偶发抖动是正常情况。(朋月)