汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)外文原文及翻譯

本文摘于《RaceCarVehicleDynamics》作者：WilliamF.MilikenandDouglasL.MilikenSteeringsystemsIntroductionThischapterbeginswithadiscussionofsteeringgeometry—casterangle,trail,kingpininclination,andscrubradius.ThenextsectiondiscussAckermanngeometryfollowedbysteeringracksandgears.Ridesteer(bumpsteer)androllsteerarecloselyrelatedtoeachother;withoutcompliancetheywouldbethesame.Finally,wheelalignmentisdiscussed.thischapteristiedtochapter17onsuspensiongeometry–whendesigninganewchassis,steeringandsuspensiongeometryconsiderationsarehighpriorities.19.1steeringgeometryThekingpininasolidfrontaxleisthesteeringpivot.Inmodernindependentsuspensions,introducedbyMauriceolleyatCadillacin1932,thekingpinisreplacedbytwo(ormore)balljointsthatdefinethesteeringaxis.Thisaxisisnotverticalorcenteredonthetirecontactpatchforanumberofreason.seefigure19.1toclarifyhowkingpinlocationismeasured.Infrontview,theangleiscalledkingpininclinationandtheoffsetofthesteeringaxisfromthecenterofthetireprintmeasuredalongthegroundiscalledscrub(orscrubradius).Thedistancefromthekingpinaxistothewheelcenterplane,measuredhorizontallyataxleheight,isthespindlelength.Insideviewthekingpinangleiscalledcasterangle;ifthekingpinaxisdoesnotpassthroughthewheelcenterthensideviewkingpinoffsetispresent,asinmostmotorcyclefrontends.Thedistancemeasuredonthegroundfromthesteeringaxistothecenterofthetireprintisthetrail(calledcasteroffsetinref.1)KingpinfrontviewgeometryAsmentionedinchapter17,kingpininclination,spindlelength,andscrubareusuallyacompromisebetweenpackagingandperformancerequirements.Somefactorstoconsiderinclude:1.Withapositivespindlelength(virtuallyeverycarispositiveasshowninfigure19.1)thecarwillberaisedupasthewheelsaresteeredawayfromcenter.Themorethekingpininclinationistiltedfromverticalthemorethecarwillberaisedwhenthefrontwheelsaresteered.Thiseffectalwaysraisesthecar,regardlessofwhichdirectionthewheelissteered,unlessthekingpininclinationistruevertical.theeffectissymmetricsidetosideonlyifthereisnocasterangle.Seethefollowingsectiononcasterangle.Foragivenkingpininclination,alongerpositivespindlelengthwillincreasetheamountofliftwithsteer.2.Theeffectofkingpininclinationandspindlelengthinraisingthefrontend,byitself,istoaidcenteringofthesteeringatlowspeed.Athighspeedanytrailwillprobablyswampouttheeffectthatraiseadfallhaveoncentering.3.Kingpininclinationaffectsthesteer–cambercharacteristic.whenawheelissteered,itwillleanoutatthetop,towardpositivecamber,ifthekingpinisinclinedinthenormaldirection(towardthecenterofthecarattheupperend).Positivecamberresultsforbothleft–andright-handsteer.theamountofthiseffectissmall,butsignificantifthetrackincludestightturns.4.Whenawheelisrollingoverabumpyroad,therollingradiusisconstantlychanging,resultinginchangesofwheelrotationspeed.Thisgivesrisetolongitudinalforcesatthewheelcenter.Thereactionoftheseforceswillintroducekickbackintothesteeringinproportiontothespindlelength.Ifthespindlelengthiszerothentherewillbenokickfromthissource.DesignchangesmadeinthelastmodeloftheGM“P”car(fiero)shortenedthespindlelengthandthisresultedinlesswheelkickbackonroughroadswhencomparedtoearlymodel“P”cars.5.Thescrubradiusshowninfigure19.1isnegative,asusedonfront-wheel–drivecars(seebelow).drivingorbrakingforces(attheground)introducesteertorquesproportionaltothescrubradius.Ifthedrivingorbrakingforceisdifferentonleftandrightwheelsthentherewillbeanetsteeringtorquefeltbythedriver(assumingthatthesteeringgearhasgoodenoughreverseefficiency).Theonlytimethatthisisnottrueiswithzeroscrub(centerpointsteering)becausethereisnomomentarmforthedrive(orbrake)forcetogeneratetorqueaboutthekingpin.Withverywidetiresthetireforcesoftenarenotcenteredinthewheelcenterplaneduetoslightchangesincamber,roadsurfaceirregularities,tirenonuniformity(conicity),orotherasymmetriceffects.Theseasymmetriescancausesteeringkickbackregardlessofthefrontviewgeometry.Packagingrequirementsoftenconflictwithcenterpointsteeringandmanyracecarsoperatemoreorlessokayonsmoothtrackswithlargeamountsofscrub.6.Forfrontdrive,anegativescrubradiushastwostrongstabilizingeffects:first,fixedsteeringwheel–ifonedrivewheellosestraction,theopposingoperateatsignificantslipAnglesandtheloadsontheinsidetrackarelessthanontheoutsidetrack.Lookingbacktothetireperformancecurves,itisseenthatlessslipangleisrequiredatlighterloadstoreachthepeakofthecorneringforcetoahigherslipanglethanrequiredformaximumsideforce.DraggingtheinsidetirealongathighslipAngles(aboveforpeaklateralforce)raisethetiretemperatureandslowsthecardownduetoslipangle(induced)drag.Forracing,itiscommontouseparallelsteeringorevenreverseAckermannasshownonthecenterandrightsideoffigure19.2.ItispossibletocalculatethecorrectamountofreverseAckermannifthetirepropertiesandloadsareknown.Inmostcasestheresultinggeometryisfoundtobetooextremebecausethecarmustalsobedriven(orpushed)atlowspeeds,forexampleinthepits.AnotherpointtorememberisthatmostturnsinracinghaveafairlylargeradiusandtheAckermanneffectisverysmall.Infact,unlessthesteeringsystemandsuspensionareverystiff,compliance(deflection)undercorneringloadsmaysteerthewheelsmorethananyAckermann(orreverseAckermann)builtintothegeometry.ThesimplestconstructionthatgeneratesAckermannngeometryisshowninfigure19.3for“rearsteer”.Here,therack(crosslinkorrelayrodinsteeringboxsystems)islocatedbehindthefrontaxleandlinesstaringatthekingpinaxis,extendedthroughtheoutertierodends,intersectinthecenteroftherearaxle.Theangularityofthesteeringknucklewillcausetheinnerwheeltosteermorethantheouter(toe-outonturning)andagoodapproximationof“perfectAckermann”willbeachieved.Thesecondwaytodesign-indifferencesbetweeninnerandoutersteerAnglesisbymovingtherack(orcrosslink)forwardorbackwardsothatitisnolongeronalinedirectlyconnectingthetwooutertierodballjoints.Thisisshowninfigure19.4.with“rearsteer”,asshowninthefigure,movingtherackforwardwilltendmoretowardparallelsteer(andeventuallyreverseAckermann),andmovingittowardtherearofthecarwillincreasethetoe-outonturning.Athirdwaytogeneratetoewithsteeringissimplytomakethesteeringarmsdifferentlengths.Ashortersteeringarm(asmeasuredfromthekingpinaxistotheoutertierodend)willbesteeredthroughalargeranglethanonewithalongerknuckle.Ofcoursethiseffectisasymmetricandappliesonlytocarsturninginonedirection—ovaltrackcars.RecommendationWiththeconflictingrequirementsmentionedabove,theauthorsfeelthatparallelsteerorabitofreverseAckermannisareasonablecompromise.Withparallelsteer,thecarwillbesomewhatdifficulttopushthroughthepitsbecausethefrontwheelswillbefightingeachother.atracingspeeds,onlarge-radiusturns,thefrontwheelsaresteeredverylittle,thusanyackermanneffectswillnothavealargeeffectontheindividualwheelslipangles,relativetoareferencesteerangle,measuredatthecenterlineofthecar.文獻(xiàn)翻譯摘自《RaceCarVehicleDynamics》第19章轉(zhuǎn)向系統(tǒng)序言：本章以轉(zhuǎn)向幾何參數(shù)的討論為開(kāi)始，包括主銷(xiāo)后傾角，后傾拖距，主銷(xiāo)內(nèi)傾角，主銷(xiāo)偏置量。接下來(lái)的部分討論了轉(zhuǎn)向齒輪齒條以及阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系。跳動(dòng)轉(zhuǎn)向和側(cè)傾轉(zhuǎn)向之間是緊密相關(guān)的，如果沒(méi)有柔性這兩種情況是等同的。最后討論了車(chē)輪的調(diào)整。這一章與第17章的懸架幾何形狀密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)新的底盤(pán)系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)向和懸架幾何參數(shù)是優(yōu)先考慮的因素。19.1轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系（定位參數(shù)）在整體式車(chē)橋上轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)是轉(zhuǎn)向時(shí)的樞軸。1932年MauriceOlley在Cadillac首次提出了現(xiàn)在的非獨(dú)立懸架，主銷(xiāo)因此而被兩個(gè)球絞連接定義的轉(zhuǎn)向軸線(xiàn)代替。因?yàn)楦鞣N原因這根軸并不是垂直的也不在輪胎接地中心處。主銷(xiāo)的位置表示見(jiàn)圖19.1?！ぴ谇耙晥D中，主銷(xiāo)偏轉(zhuǎn)的角度被稱(chēng)為主銷(xiāo)內(nèi)傾角，轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)與地面的交點(diǎn)至車(chē)輪中心平面與地面相交處的距離稱(chēng)之為主銷(xiāo)偏置量。在前軸所在水平面內(nèi)，從主銷(xiāo)軸心到車(chē)輪中心平面的距離稱(chēng)為主銷(xiāo)偏距（spindlelength）?！ぴ趥?cè)視圖中，主銷(xiāo)偏轉(zhuǎn)角度稱(chēng)為主銷(xiāo)后傾角。如果主銷(xiāo)軸線(xiàn)沒(méi)有通過(guò)車(chē)輪中心那么就有了側(cè)視的主銷(xiāo)偏距（sideviewkingpinoffset），就像大部分的摩托車(chē)前輪一樣。在地平面內(nèi)測(cè)量從主銷(xiāo)到輪胎接地點(diǎn)中心的距離稱(chēng)為主銷(xiāo)后傾拖距。前視圖中的主銷(xiāo)定位參數(shù)正如在17章中提到，主銷(xiāo)內(nèi)傾角，主銷(xiāo)偏距還有主銷(xiāo)偏置量在裝配以及性能滿(mǎn)足時(shí)往往是互相妥協(xié)的。一些需要考慮的因素包括以下：當(dāng)主銷(xiāo)偏距是正的時(shí)（一般的車(chē)都是正主銷(xiāo)偏距，如圖19.1中一樣）那車(chē)輪轉(zhuǎn)離中心位置的時(shí)候車(chē)會(huì)有一個(gè)抬升效果。主銷(xiāo)內(nèi)傾角偏離豎直平面越大前輪轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)被抬起的效果越明顯。不管車(chē)輪往哪個(gè)方向轉(zhuǎn)都會(huì)是一個(gè)抬升的效果，除非主銷(xiāo)是完全垂直的。這個(gè)效果只有在主銷(xiāo)后傾角為零時(shí)才是兩邊對(duì)稱(chēng)的。見(jiàn)后面關(guān)于主銷(xiāo)后傾角部分。對(duì)于一個(gè)給定的主銷(xiāo)內(nèi)傾角來(lái)說(shuō)，主銷(xiāo)偏距越大轉(zhuǎn)向時(shí)的抬升量也越大。主銷(xiāo)內(nèi)傾角和主銷(xiāo)偏距將車(chē)子前端抬起的效果對(duì)于自身來(lái)說(shuō)是有助于低速轉(zhuǎn)向的。在高速轉(zhuǎn)向時(shí)，只要有主銷(xiāo)后傾拖距就可能會(huì)掩蓋掉轉(zhuǎn)向時(shí)抬升和下落的效果。主銷(xiāo)內(nèi)傾角影響轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪的外傾角特性。如果主銷(xiāo)向內(nèi)傾斜（主銷(xiāo)上端傾向車(chē)輛中心）當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)向的時(shí)候，車(chē)輪上端將會(huì)向外傾斜，趨向正的車(chē)輪外傾角。左右轉(zhuǎn)向都會(huì)導(dǎo)致正的車(chē)輪外傾。如果跑道有比較緊的彎這個(gè)作用效果是比較小但卻是有重要意義的。當(dāng)車(chē)輪滾過(guò)顛簸不平的路面時(shí)，滾動(dòng)半徑是不斷變化的，將會(huì)導(dǎo)致輪速的改變。這將會(huì)增加車(chē)輪中心的縱向力。這些力的反作用與主銷(xiāo)偏距的大小成比例，成為反沖效果進(jìn)入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。如果主銷(xiāo)偏距為零，那么將不會(huì)有由此引起的反沖。在前面提到的一輛通用“P”型車(chē)（菲羅車(chē)）中做出設(shè)計(jì)改動(dòng)，與較早的一輛“P”型車(chē)模型相比，減小了主銷(xiāo)偏距，因此而減少了不平路面上的反沖。如圖19.1中所示的主銷(xiāo)偏置量是負(fù)的，正如下面這輛前輪驅(qū)動(dòng)車(chē)用的一樣。來(lái)自地面的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)力與主銷(xiāo)偏置量成比例的轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)向力矩。如果左右輪的制動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)力是不等的，那么駕駛者將會(huì)感受到的到這個(gè)轉(zhuǎn)向力矩（假設(shè)轉(zhuǎn)向器有較高的逆效率）。只有在主銷(xiāo)偏置量為零時(shí)才不會(huì)有這個(gè)力矩產(chǎn)生因?yàn)榇藭r(shí)制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力對(duì)主銷(xiāo)的作用力臂為零。如果輪胎比較寬的話(huà)輪胎力通常并不是作用在輪胎中心平面內(nèi)的，因?yàn)檩p微的外傾角變化、路面不平、輪胎有一定圓錐度、或者其他的不對(duì)稱(chēng)因素存在。這些不對(duì)稱(chēng)因素可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向反沖，即使沒(méi)有前輪的各個(gè)定位參數(shù)作用。裝配要求通常會(huì)與中心點(diǎn)轉(zhuǎn)向要求沖突因而很多賽車(chē)在較平整的賽道上是采用較大的主銷(xiāo)偏置量也是可以的。對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)負(fù)的主銷(xiāo)偏置量有兩個(gè)重要的穩(wěn)定作用：固定方向盤(pán)，如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪打滑，另外一個(gè)輪將會(huì)外張一定角度，因?yàn)檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)有變形。即使兩側(cè)的牽引力不等，不同的牽引力使車(chē)輛產(chǎn)生一個(gè)偏航角，這個(gè)負(fù)的主銷(xiāo)偏置量作用也會(huì)使車(chē)輛回復(fù)到直線(xiàn)行駛。有良好的反饋?zhàn)饔们闆r下駕駛員從來(lái)不會(huì)真正的固定住方向盤(pán)。在這種情況下方向盤(pán)可能在不等的車(chē)輪縱向牽引力作用下而轉(zhuǎn)動(dòng)，因此而增加了負(fù)主銷(xiāo)偏置量的穩(wěn)定效果。制動(dòng)的情況同樣適用。負(fù)的主銷(xiāo)偏置量能使車(chē)子回正，即使是在左右輪制動(dòng)力不等的情況下（左右輪的制動(dòng)情況或者路面情況不同時(shí)）。(fsae沒(méi)人用吧)主銷(xiāo)后傾角和后傾拖距如圖19.1中所示，在有后傾拖距時(shí)，側(cè)視圖中輪胎接地點(diǎn)是在主銷(xiāo)之后的?；蛟S最簡(jiǎn)單的例子就是辦公室座椅上的小腳輪（？）——不管移動(dòng)多遠(yuǎn)，輪子總會(huì)校正使其自身在樞軸之后。主銷(xiāo)拖距越大意味著輪胎側(cè)向力在主銷(xiāo)軸上作用有更大的力臂。這會(huì)產(chǎn)生更明顯的回正作用，并且是作用在主銷(xiāo)上最主要的回正力矩。在選擇主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)拖距時(shí)需要考慮的因素如下：主銷(xiāo)后傾拖距越大轉(zhuǎn)向力也越大。對(duì)于所有的車(chē)來(lái)說(shuō)，小的后傾拖距都將會(huì)減小轉(zhuǎn)向力。在某些情況下，如果后傾拖距減小接近零的話(huà)，人力轉(zhuǎn)向也可能被用于重型轎車(chē)（代替助力轉(zhuǎn)向）。像主銷(xiāo)內(nèi)傾角一樣，主銷(xiāo)后傾角伴隨著轉(zhuǎn)向過(guò)程也會(huì)引起車(chē)輪的抬起和回落。與內(nèi)傾角不同的是，后傾角對(duì)兩側(cè)的影響是相反的。在有對(duì)稱(chēng)定位參數(shù)時(shí)（包括左右輪有相等的正的主銷(xiāo)后傾角），左轉(zhuǎn)的效應(yīng)是使車(chē)向右側(cè)傾，導(dǎo)致一個(gè)對(duì)角線(xiàn)的重量轉(zhuǎn)移。在這種情況下，左前——右后對(duì)角線(xiàn)會(huì)承受更大的載荷，有一個(gè)左轉(zhuǎn)時(shí)的過(guò)度轉(zhuǎn)向效應(yīng)。使用的彈簧越硬對(duì)角線(xiàn)的重量轉(zhuǎn)移效果也會(huì)越明顯因?yàn)檫@個(gè)是幾何效應(yīng)。每個(gè)車(chē)輪被抬起（或者下落）的距離是恒定的但是重量抬起量和底盤(pán)側(cè)傾角是前后側(cè)傾剛度的作用結(jié)果。這個(gè)對(duì)角線(xiàn)的載荷轉(zhuǎn)移可以通過(guò)把車(chē)放在秤上和定位板上來(lái)測(cè)量。記住在實(shí)際比賽中前輪并沒(méi)有轉(zhuǎn)過(guò)很大的角度，除非是非常緊的發(fā)夾彎。例如，在一個(gè)半徑是100英尺（時(shí)速在40-50英里）的彎，一個(gè)10英尺的軸距的中性轉(zhuǎn)向車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)前輪只需要轉(zhuǎn)過(guò)0.1rad（5.7°）（轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比是16：1時(shí)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角大概在90°）。對(duì)于只往一個(gè)方向轉(zhuǎn)的車(chē)來(lái)說(shuō)，因?yàn)檎?chē)為了尋求最低的最小離地間隙，可以使主銷(xiāo)后傾角交錯(cuò)（左右主銷(xiāo)后傾角不同）來(lái)把車(chē)?yán)揭贿?。主銷(xiāo)后傾角的交錯(cuò)也會(huì)影響上面提到的對(duì)角線(xiàn)重量抬升效應(yīng)。如果兩側(cè)主銷(xiāo)后傾角是相反的（一側(cè)為正一側(cè)為負(fù)且兩側(cè)角度大小相等）那么在轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)的前端只會(huì)抬升和下落，而不會(huì)有對(duì)角線(xiàn)的重量抬升。主銷(xiāo)后傾角也會(huì)影響轉(zhuǎn)向外傾角，但是不像內(nèi)傾角一樣，這個(gè)效應(yīng)是有利的。當(dāng)有正的后傾角時(shí)將會(huì)導(dǎo)致外側(cè)車(chē)輪內(nèi)傾（車(chē)輪的上部指向車(chē)的中心）同時(shí)內(nèi)測(cè)輪外傾角為正，兩輪都向彎內(nèi)傾。在側(cè)滑恢復(fù)的時(shí)候，反打方向（出彎），后傾角引起的外傾角變化會(huì)使前輪抓地力減小。而此時(shí)后輪抓地力也很小并不需要很大的前輪抓地力。如第2章提到，輪胎本身的輪胎拖距會(huì)使實(shí)際主銷(xiāo)后傾拖距明顯增加（有大的側(cè)偏角時(shí)會(huì)減小）。這個(gè)效應(yīng)并不是隨著側(cè)向力變化而線(xiàn)性變化的，并且會(huì)影響轉(zhuǎn)向力矩和駕駛感。特別是輪胎到極限時(shí)輪胎拖距會(huì)接近零，這時(shí)回正力矩會(huì)減小，并給車(chē)手一個(gè)信號(hào)輪胎就要側(cè)滑了。如果主銷(xiāo)后傾拖距相對(duì)輪胎拖距很大的話(huà)，輪胎拖距給出的這個(gè)信號(hào)會(huì)被掩蓋。有時(shí)主銷(xiāo)后傾拖距是在垂直于主銷(xiāo)軸心的方向上進(jìn)行測(cè)量的（而不是像19.1中在水平面內(nèi)測(cè)量的），因?yàn)檫@能更準(zhǔn)確的描述輪胎側(cè)向力對(duì)主銷(xiāo)作用的力臂。拉桿位置注意在19.1中的陰影部分就是轉(zhuǎn)向拉桿的合適位置。側(cè)向力引起的外傾角是不可避免的，如果拉桿的位置如圖中示，