对于深耕于转向系统的底盘工程师来说,阿克曼转向(Ackermann-Steering)一定是不陌生的。什么是阿克曼?简单来说,通过内外轮差异转角的转向就叫阿克曼转向。这样的转向结构可以保证四个车轮的转弯半径圆心都交于一点,四个车轮都处于纯滚动状态,这对于转向轻便、轮胎磨损都是有益的。工程师语言,看图说话。
从上图可以看出,由于后轮始终处于平行状态,所以转弯时后轮的转弯半径圆弧圆心始终处于后轴的轴线之上。两个前轮内轮转的更多,而外轮转的比较少一点,上图中a1a2才有可能一个交点。
如何做到这一点的呢?这就是阿克曼理论,如果用公式表达出来就是如下所示,如果内外轮的转角符合公式定义,就可以实现了理想阿克曼转角。
但事实上实现起来并不容易,为什么呢?虽然公式中变量只有一个转弯半径R,理论解释起来也不难。但难在没有一套简单有效的机构能实现全行程(车辆直行到最大转向角)都能满足公式,大浪淘沙,现在基本都采用一种部分阿克曼但结构及其简单的转向梯形结构。
转向梯形的理论是如果转向拉杆外点落在后轴中心点与前轮主销连线上(与布置位置无关,可以前,也可以后),在转弯时能实现部分的阿克曼转向,上图右侧,理想转角(蓝色)与实际转角(红色),但由于汽车在大部分的时间都运行在小转角状态,这种简化转向结构恰好能满足这一常用转向范围内的需求。所以阿克曼理论诞生多年了,但即使现在的豪华轿车仍然用这种简化结构,仍然也不是全行程内的阿克曼转向。
在我们了解了阿克曼基本的知识点之后,回过头来探索一下它的诞生背景,在汽车诞生之前,陆上非轨道交通工具非马车莫属。追述马车发展历史,我们会有一个惊奇的发现,欧洲的马车似乎从一开始就是四轮,而我们的则是两轮。不得不说四(4)是一个神奇的数字,四足动物是地球上存在种类最多的物种自有它的道理。
同样四轮车辆在稳定性与灵活性方面达到了一个完美的平衡。三轮车够灵活,但不够稳定,多轮车辆够稳定,但不够灵活。
但四轮马车必须要解决一个问题:转向。为了实现这一功能,四轮马车的前轮可以转向,但它与我们轿车上的转向还是有差别的,这里有个专有名词叫:轴转向,单纯转向角度出发,轴转向是比较理想的一种结构,它能时刻保持四轮纯滚动的模式。
但它的缺点也是相当的明显。
1、轴转向占据了相当大的包络空间。这对于寸土寸金的乘用车布置空间来说没有可行性。
2、载荷的分布不均导致的车辆稳定性差,当转向时,两个前轮实际上前后位移相当的大,极端一点,当转90度时前轮完全失去了对车辆侧倾的支撑,完全依靠后轮来支撑,当然了,这种情况并不常见。
这些问题引起了德国马车工程师(哈哈)GeorgLankensperger的研究兴趣,能不能设计一种结构,既保持四轮马车的先天优势,又能规避轴转向的缺点。过程自不必表,终于在设计出了概念的轮转向车辆。
不知何故,这一专利是由他的经纪人鲁道夫·阿克曼(RudolphAckermann)在英国申请,现在阿克曼转向也来源于此。
虽然理论上实现了轮转向,但此后的近百年时间里,四轮马车仍旧采用轴转向的模式,最大的问题就是以当时的工业水平,实现轮转向的加工实在太难了,优势并不明显。真正让阿克曼转向发扬光大的还是汽车诞生之后.
我们看Benz的原型车:一个简单的三轮车,我们可以大胆的猜想,是否是当时CarBenz无法解决四轮车辆前轮转向这一难题,才临时采用了三轮车的形式。
从第二辆车开始,Benz再也没有采用过三轮模式,我们权且认为CarBenz解决掉了上述的问题,从此汽车产业一飞冲天。
看完了西方的发展,我们再来看看我们的东方历史,了解历史,我发现从先秦开始一直到清末明初,我们的马车结构都没有发生过变化,一直都是两轮模式。
从转向角度出发,两轮车当然是比较理想的一种状态,不存在前后轮的转向干涉,无论何时,两个车轮都是纯滚动。
但是从实用角度出发,两轮车真是糟透了的一种结构,最大的一个问题就是纵向的稳定性。
可怜的小马既要出力拉车,还有承受来自车辆无时无刻的压力。相对来说,西方的四轮马车,马的出力就比较单纯,只管向前拉车,对马儿还是比较友好。
也许有人说了,我们的两轮马车灵活啊!但看历史,你会发现古代即使四乘马车也是两轮。
甚至还出现过天子驾六,这样只图排面,不讲武德的结构。从操控角度来说,这样的布局实在太难控制了,六匹马占据了很宽的横向空间,同时又要齐头并进,极大的考验了操控者。
写在后面
今天的话题有点发散,从讨论阿克曼转向,扯到了历史车轮,细品其实挺有意思。我们的祖先创造过灿烂的文明,但我们对待问题的态度似乎与西方人不同,我们喜欢绕过问题前进,而西方人似乎更喜欢踏平问题再走。
如果没有否定现在、否定自己的勇气,就像现在各种‘祖传工艺’,‘古法炮制’….的宣传噱头一样,沉浸在自嗨的气氛之中饮鸩止渴,就如天价‘章丘铁锅‘,如果它真那么神奇,总能找到代替它现在所谓十二道火候,一万多次捶打的现代工艺。每个时代都有其历史局限性,抱着不增、不减不假思索的继承就是迂腐。