Categories
Auto

Техническое объяснение: геометрия рулевого управления Ackermann

Геометрия рулевого управления – один из многих инструментов, имеющихся в распоряжении конструкторов гоночных автомобилей, чтобы обеспечить максимальную производительность всех четырех шин. В этой статье с техническим объяснением мы расскажем о происхождении и назначении так называемой геометрии рулевого управления Аккермана и о том, как ее вариации могут повлиять на характеристики шин во всем рабочем диапазоне транспортного средства.

Определение рулевого управления Аккермана

Рассмотрим маневр на повороте на низкой скорости, когда все шины находятся в состоянии чистого качения, а проскальзывание автомобиля отсутствует. Когда автомобиль движется по изогнутой траектории, все четыре колеса следуют уникальным траекториям вокруг общего центра поворота, как это определено синими дугами на рисунке 1.

Рисунок 1: Упрощенное изображение конфигурации рулевого управления Ackermann

Различные радиусы кривизны означают, что во избежание скольжения геометрия рулевого управления должна направлять внутреннюю переднюю шину под большим углом, чем внешнюю переднюю. Под рулевым управлением Ackermann понимается геометрическая конфигурация, позволяющая поворачивать оба передних колеса под соответствующим углом во избежание скольжения шин.

Для заданного радиуса поворота R, колесной базы L и ширины колеи T инженеры рассчитывают требуемые углы поворота передних колес (δ_ (f, in) и δ_ (f, out)) с помощью следующих выражений:

Разница в угле поворота передних колес в зависимости от входного угла поворота называется динамическим схождением. Если размеры автомобиля известны, можно построить кривую желаемого изменения схождения для всего диапазона ожидаемых радиусов поворота, как в примере на рисунке 2.

Рисунок 2: Конфигурация рулевого управления Ackermann для образца автомобиля

Чем меньше желаемый радиус поворота автомобиля, тем больше требуется разница в углах поворота. Ackermann Геометрия рулевого управления – это практичная мера, позволяющая избежать скольжения шин при движении по пит-лейн или парковке на улице. Когда автомобиль набирает скорость, картина становится намного сложнее.

Включая углы скольжения

Транспортное средство, движущееся по кривой траектории со скоростью, требует наличия центростремительной силы благодаря способности шин сохранять свою траекторию поперечной силы. Центростремительная сила возникает, когда шина принимает угол скольжения, о котором вы можете узнать больше в предыдущем Статья с объяснением технических характеристик .

Последующая разница между курсом шины и ориентацией пятна контакта смещает поворот центр транспортного средства впереди, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 : Влияние угла скольжения шины на центр поворота транспортного средства (источник: www.racing-car-technology.com.au)

Если шина имеет угол скольжения, присутствующая поперечная составляющая скорости скольжения больше нуля.

По этой причине цель состоит в том, чтобы точно настроить условия скольжения каждой шины для оптимизации общей производительности, а не пытаться избежать шины полностью проскальзывает.

Ключ к разблокировке этих характеристик заключается в понимании взаимосвязи между вертикальной нагрузкой и допустимой поперечной силой в шинах.

На рисунке 4 показана зависимость поперечной силы от угла скольжения для Покрышка Indy Lights в диапазоне вертикальных нагрузок.

Рисунок 4: Кривые зависимости поперечной силы от угла скольжения для Cooper Tyres Indy Lights 2021 Передняя шина

Чем выше вертикальная нагрузка на шину, тем большую пиковую поперечную силу она может создать. При более высоких вертикальных нагрузках пиковая поперечная сила достигается при большем угле скольжения. Эта тенденция ожидается, но не обязательно для всех шин и может зависеть от состава или конструкции.

Связь между вертикальной нагрузкой и пиковым углом скольжения известна как линия пиков. Определение линии пиков важно из-за начала передачи поперечной нагрузки во время маневра на повороте, передавая вертикальную нагрузку с внутренних шин на внешние шины.

Очень важно убедиться, что обе шины работают с максимальными углами скольжения одновременно, чтобы максимизировать производительность. В случае шины Indy Lights это означает, что более сильно нагруженная внешняя шина должна иметь больший угол скольжения, чем внутренняя шина. Этого можно добиться, управляя внешней шиной больше, чем внутренней при заданном усилии рулевого колеса.

Результат является полной противоположностью рулевого управления Аккермана и известен как обратный Аккерманн или анти-Аккерманн. Многие гоночные автомобили, оснащенные системой Anti-Ackermann, используют пиковые условия эксплуатации отдельных шин.

Разработка для Аккермана

Уровень Аккермана в рулевом управлении автомобиля геометрия представлена ​​в процентах, где 200% Акерманн означает, что разница в угле поворота между внутренней и внешней шиной соответствует геометрическому центру низкоскоростного поворота.

Большинство гоночных машин не ездят 200% Аккерманн или 292% Anti-Ackermann. Вместо этого дорабатывайте свое решение где-то посередине, чтобы удовлетворить свои конкретные проектные цели и ожидаемые условия эксплуатации.

Есть несколько важных соображений, которые дизайнер должен учитывать при выборе геометрии рулевого управления для гоночного автомобиля. Дизайнеры должны понимать профиль скорости и характеристики трассы, на которой будет участвовать автомобиль.

Чем медленнее и круче трасса, тем более важным становится использование Аккермана для помощи в перемещении по шпилькам и другим узким поворотам, где геометрия доминирует еще. Пока автомобиль Формулы-1 движется по 292 При прохождении поворотов с радиусом м можно значительно выиграть от Anti-Ackermann, аналогичная установка серьезно затруднит навигацию автомобиля Method Scholar. шпилька радиусом 5 м.

Пример средства Anti-Ackermann, используемого на автомобиле Crimson Bull F1, показан на рисунке 5.

Рисунок 5: Пример использования Anti-Ackermann на автомобиле Crimson Bull F1 (источник: apexspeed.com)

Разработчики должны использовать характеристики транспортного средства и гусеницы для прогнозирования вертикальных нагрузок на все четыре шины на протяжении круга. . К фундаментальным факторам могут относиться вес, высота дорожного просвета, распределение поперечной нагрузки и уровни прижимной силы, а сложность анализа может зависеть от доступной информации.

Точное приближение вертикальных нагрузок на всех углах можно комбинировать с информацией о линии пиков, извлеченной из анализа данных шины, чтобы понять пиковые углы скольжения для обе передние шины на каждом повороте. Дизайнеры могут использовать эту информацию для построения целевой динамической кривой носка, подобной показанной на рисунке 2.

Во многих случаях упаковка и кинематические ограничения могут сделать невозможным создание геометрии рулевого управления, которая может соответствовать этой целевой кривой для всех углов пути. Дизайнер должен будет решить, где они готовы пойти на компромисс с производительностью.

Наконец, это Важно помнить, что Ackermann – это не единственный способ отрегулировать отдельные углы скольжения шины. Отбойник может быть включен кинематически, чтобы вызвать дополнительный угол поворота от хода подвески, который инженеры могут использовать, когда автомобиль скатывается в поворот.

Кроме того, никакие компоненты подвески не являются чисто жесткими, и соответствие в звеньях может повлиять на угол поворота шин в повороте. Предположим, что эти факторы хорошо изучены и интегрированы в систему подвески.

В этом случае это может помочь устранить описанные выше компромиссы, но если их игнорировать или неправильно понимать, это может привести к непредсказуемому поведению на поворотах. и потери производительности.