6.1转向系统匹配计算及设计

第六章 转向系统匹配计算及设计

根据总布置设计提供的满载前轴荷、前轮定位参数(参考同类车型数据库)，按照汽车转向系设计的要求，参照其它同类车型，进行汽车转向系设计。

6.1 转向角和传动比

6.1.1 理论转向角-左右转角差大于实际汽车应设计值

传统的理论转向角为纯滚动理论-阿克曼理论，没有考虑车轮弹性和高速应用，因此有些过时，现代轿车设计为了节省车空间，一般在该理论算出左右转角差后，可以除以2~3作为设计数值更好。

如果通过所有4个车轮中心的车轮平面垂直线都相交于一点——转向中心M ，汽车在缓慢行驶时的转弯是精确的。如果后轮不一定转向，则2个前轮的垂线必须与后轮中心连线的延长线相交于M 点（图6.1.1）。如是在车身外侧的前轮上出现不同的转向角i δ和Aa δ。根据较大的侧车轮转向角i δ可以算出外侧车轮的理论值，即所谓的阿克曼角：

l j ctg ctg i Aa /+=δδ （6.1.1）

式中：l 为在地面测得的两主销轴线延长线与地面交点交点的距离，即

s v r b j •-=2 (6.1.2）

在负的主销偏移距r S 的情况下，它在式中的运算符号变成加号。

图6.1.1 由阿克曼角确定的车轮转向角Aa δ之间的运动学关系 图6.1.2 r S 是在图示情况下为正的主销偏距

图6.1.1 由阿克曼角确定的车身外侧车轮转向角和侧车轮转向角Aa δ之间的运动学关系。图中还标出了转向角差A δ∆和转弯直径D s （亦见图6.1.1）。图6.1.2 前悬架上的尺寸说明：b v 是前轮轮距，r S 是在图示情况下为正的主销偏距。图6.1.1中标出的转向角差（也称弯角差）A δ∆在所获得理论值中必须始终为正值。

Aa i A δδδ-=∆ （6.1.3）

根据角Aa δ可得出理论转弯直径D s （图6.1.1），即车身外侧前轮平面以最大的转向角转弯时经过的圆弧直径。汽车的转弯圆应尽可能小，以易于转弯及停车方便。依图示可推导出公式：

)sin 1

(2max s Aa S r D +=δ （6.1.4）

这个要以轴距小和车身外侧车轮转向角大为前提的。而后一项条件取决于更大的侧车轮转向角。但它受到限制，因为车轮上跳并转向至极限时既不允许触及车轮罩壳也不允许碰到前悬架的零件。车轮罩壳在侧向不能超宽伸到前排乘员放脚空间，否则踏板机构——不论转向盘是左置还是右置——要偏向座椅方向，乘员放脚时就会感到局促。在前轮为驱动轮时还要考虑加装雪地防滑链的位置。此外还受到确定半轴万向节最大折弯角的限制。

6.1.2 转弯圆和转弯通道外圆

车身侧车轮转向角要规定极限值，而相反（由功能上决定它是较小的）外侧车轮转向角则不需限制。它可以具有与侧车轮转向角同样大的角度。缺点只是汽车不再是精确的转弯（图6.1.3），而优点则是具有更小的转弯圆和外侧车轮轮胎承受的侧向力增大。由于这一原因，大部分轿车增大了外侧车轮的转向角，即实际值a δ（无下标A ）比阿克曼算出的理论值Aa δ增大了一个转向误差F δ∆——所需的转向偏差。

δδδδδ∆-∆=-=∆A Aa a F （6.1.5）

图

6.1.3 为了充分利用汽车翼子板中的空间，可使车身 图6.1.4 根据式(6.1.5)算得的的BMW 323 I 型车

外侧车轮转向角和侧车轮一样大，δ∆为零。 的转向理论曲线

图6.1.3 为了充分利用汽车翼子板中的空间并提高轮胎的侧偏性能，可使车身外侧车轮转向角和侧车轮一样大，于是两个车轮平行转动，δ∆为零。

图6.1.4 根据式(6.1.5)算得的的BMW 323 I 型车的转向理论曲线。同时标出的还有在左右转弯时测得实际曲线，以及转弯偏差F δ∆（亦称转向误差）。横坐标是车身侧车轮转向角i δ，纵坐标是转向角差a i δδδ-=∆（与实际曲线有关）和a i A δδδ-=∆（适用于理论曲线）。在车间维修手册中δ∆以︒=20i δ时的公差形式出现。在此'40=∆δ。

采用已知的容许转向偏差可以减小图6.1.1中所见的转弯圆直径D s 。为此，除F δ∆外还须已知max Aa δ，即根据阿克曼确定的车身为此车轮的最论转角，才可用式(6.1.5)进行计算。一系列的测试研究表明：每10转向偏差可获得

减小值m D s 1.0≈∆；于是，公式更改为（式中所有参数单位均为m ）：

F s Aa s r D δδ∆•-+•=1.0)sin 1

(2max （m ） （6.1.6）

以一辆具有常转向误差的前轮驱动型式车为例。在右转弯时的计算数据为：

l ＝2.677m ，bv ＝1.47m ，rs ＝＝0.015m ，δimax=42º，δamax ＝35º40′

m j 5.1)]015.0(2[47.1=-•-= '5530,671.1677.2/5.142cot cot ︒==+︒=Aa Aa δδ

'454'5530'4035︒=︒-︒=∆F δ

︒•--+︒•=75.41.0)]015.0('5530sin /677.2[2s D

m D s 91.9=

在轿车上实测得转弯圆直径为D Sg ＝9.92m 。

转弯圆直径只描述了一个原则上用于理论的，设计上可理解的值。对于驾驶员来说，有意义的是街道边石圆，即相互平行的，通常高于路面的街道路边石之间的距离（图6.1.5），驾驶员可在其间架车直行再转弯。这个圆直径是可测量的，但亦可简单地通过转弯圆直径D S 和轮胎的作业宽度算出：

D B =D S +B （m ） (6.1.7）

然而更重要的是转弯通道外圆，其直径D W 约比转弯圆大一个汽车前悬长度Lov 。 图6.1.5 街道路边石圆 图6.1.6 转弯通道外圆是指汽车在极限转向角下，

最外侧零件所描绘出的圆弧

图6.1.5 街道路边石圆。它是驾驶员架车转弯时的一个重要参数。DIN 70020中将D W 规定为汽车在极限转向角下作圆周行驶时的最小柱形包络体的直径（图6.1.6）。最小转弯通道外圆可以从设计中获得，也很容易测出。它作为产品说明列入车型手册中，也作为测试报告。

从已知的转弯圆直径D S ，可算出车身外侧后轮及侧后轮驶过的圆弧半径R ha 和R hi 。分别为：

2)2/(22j

h s s ha b l r D R -+--= （6.1.8）

h ha hi b R R -= （6.1.9）

公式表明：轴距l 愈长，R ha 和R hi 则愈小（与D S 相比），即汽车作缓慢转弯行驶时的宽度要求更大。