关于阿克曼转向的详解

阿克曼转向是一种现代化的汽车转向技术。在车辆转弯时，内外轮转过的角度有所差异，内侧轮胎的转弯半径会小于外侧轮胎。下面这张图就展示了理想的阿克曼转向效果。

这种转向方式的历史可以追溯到德国马车工程师Georg Lankensperger在1817年的提出。他的代理商Rudolph Ackerman在1818年于英国为其申请了专利，因此这种转向原理后来被称为阿克曼转向几何。

阿克曼转向的初衷是为了改善马车的转向性能（奔驰在1885年才生产了第一辆汽车）。当时的转向设计是单铰链转向，其形态如下图所示。

然而，这种转向方式存在几个显著问题：

（1）由于车辆需要围绕中间单一的轴进行转弯，摆动空间较大，前轮无法设计得过大。这导致在行驶过程中，一旦遇到石头或其他障碍物，前轮容易被抬起。

（2）由于两个前轮是平行的，当转弯过度时，四个轮子可能会在同一个平面上构成一个三角形，导致车辆卡死无法移动。

在这样的背景下，一种新的梯形（最初是矩形）转向机构应运而生，它就是现在我们熟知的阿克曼转向，其形态如下图所示。

阿克曼转向机构的优势在于，左右车轮可以围绕独立的旋转轴（主销）进行旋转，显著减少了车轮转向所需的空间。

阿克曼转向梯形的设计主要分为三类：

第一类，阿克曼转向梯形（见下图（a）），内轮转角大于外轮。理想的阿克曼梯形设计中，内外轮转角的垂线相交于后轴延长线上。

第二类，平行转向梯形（见下图（b）），内轮转角等于外轮。

第三类，反阿克曼转向梯形（见下图（c）），内轮转角小于外轮。

当车辆在低速转弯时，侧向加速度很小（可忽略不计），理想的转向方式如图（a）所示，即阿克曼转向。

然而，在高速转弯时，由于侧向角速度较大，根据轮胎特性（车轮侧偏角越大越容易达到侧滑极限），内轮更容易侧滑。因此，为了提升车辆的转弯极限能力，需要适当减小内轮转角和外轮转角的差值。

一些追求车辆极限性能的车辆有时会选择使用反阿克曼转角（由于轮胎特性，外轮轮荷大，更大的侧偏角可以产生更大的侧向力）。

家用车辆常常需要在低速和高速转弯两种工况下使用，因此其转向设计通常介于阿克曼转向和平行转向梯形之间。

阿克曼转向梯形指的是从车辆俯视图看，左右转向拉杆外点与左右轮主销在转向拉杆外点所在高度横截面交点所围成的四边形，具体形态如下图所示。

另一种梯形设计方法则是调整转向拉杆内点相对于外点的位置。当内点更靠前时，设计更趋近于平行转向；当内点更靠后时，设计则更趋近于阿克曼转向。具体形态如下图所示。

这种设计方法的灵活应用，使得阿克曼转向能够适应不同车辆在不同工况下的需求，提升了车辆的操控性和稳定性。