为什么汽车要通过转动前轮来转动?


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为什么我们设计汽车通过转动前轮来转动?

像油箱履带一样,通过旋转汽车一侧的车轮而不是使汽车另一侧的车轮旋转来保持所有车轮笔直并转动会更好吗?这样,即使您站着不动,您也可以转身。汽车为什么不这样做?


另请参阅Ackerman运动学
卡洛

Answers:


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如果要在不旋转车轮的情况下向左转90度,则在转弯时会向侧面拖动车轮。这段视频中的16秒钟完全显示了我在说什么

因此,每当您出于任何原因试图退出车道或停车位,或转入停车位,或在任何地方转弯时,都将放下橡胶,因为轮胎快速旋转,而轮胎几乎保持静止到你了。同样,请看我链接的视频中的车轮打滑。

无论出于任何原因,您都很难在任何地方找到正在使用的“四轮差速器转向”。坦克用它来降低施加的地面压力,以免它们沉入泥土中。汽车不会沉入人行道,因此这不是问题。


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前两段很完美,但是关于最后一段的所有内容都是错误的。有许多机器人,叉车和其他工业车辆将4轮差速转向与麦克纳姆/多功能轮结合使用以实现3自由度转向(2轴独立旋转和平移)。坦克确实需要降低在软弱地形上行驶时施加在地面上的压力,但差速转向与此无关。压力与车辆的重量成正比,与与地面接触的表面积成反比...
bcrist 2015年

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...因此,与4个轮子相比,仅具有履带/轮距会大大增加与地面接触的表面积,从而减小施加在地面上的压力。但是使用履带意味着差速转向是您唯一的选择。胎面段之间的链接只有一个自由度。他们无法“弯曲”来操纵坦克。
bcrist

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我的回答,包括最后一段,是针对公路车辆的。我说过很难找到一个例子,而不是说它们不存在。绝大多数叉车使用后转向,而不是差速转向。麦克纳姆车轮太不切实际,无法在专用车辆上使用。OP的问题不是“四轮差速转向系统可以设计任何东西”,而是“为什么没有差速转向系统设计的汽车 ”。答案仍然是,对于使用常规轮胎的常规汽车来说,磨损太多了。
Chuck

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@bcrist,您实际上可能有没有差速转向的坦克履带。看到这样的车辆:upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/37/Tucker_sno-cat.jpg。主要原因是因为它降低了已经很复杂的系统的复杂性
Rugnir

除了@Rugnir的形象外,还有半履带车
Chuck

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尽管可以以这样的方式设计后轮驱动汽车,使得前轮基本上作为脚轮运行,并且通过以不同的速度驱动后轮来控制转向(某些自动引导车是按照这种原理运行的),当速度失去牵引力时,这种车辆的性能会很差。如果这样的汽车在左后轮失去牵引力时正在加速,那么汽车将立即开始向左旋转,并可能在驾驶员对情况作出反应之前向左行驶一段距离。即使汽车的控制系统使用加速计和陀螺仪来更快地检测到这种情况并防止汽车偏离正常路线,它们也不会对牵引力的损失做出反应,直到它已经影响了汽车的旋转速度。相比之下,


如果将方向盘保持恒定,然后开始旋转,车辆将不会神奇地直行(尽管主动式脚轮确实可以机械地校正旋转)。正因为如此,在沥青路面上放一个轮子而在沙子上放一个轮子的大功率汽车可能会出现问题。另外,如果您正在用后轮进行转向,并且计算机检测到向左旋转,则只需制动右轮以纠正打滑,然后人类甚至就不会意识到发生了什么。我的假设设置存在的问题是缺乏冗余。普通车有两个地方可以到达
MichaelS

转向(如果左轮打滑,则可以调整右轮以补偿一点),然后从两个位置加速。即使是前轮驱动汽车也可以仅使用一个前轮进行转向和加速,尽管会受到阻碍。您的设计意味着,一个好的车轮在加速时会“转向”,同时还要尝试加速,这是不使汽车旋转就无法实现的,因此除非两个车轮都没有牵引力,否则您将始终保持恒定的速度。四轮滑移转向系统将更加坚固。
MichaelS 2015年

@MichaelS:无驱动的被动摆动脚轮的行为稳定,除非它几乎直接在其枢轴点之前骑行(在这种情况下,它将处于不平等的平衡状态,直到它转向另一方向为止),并且这种脚轮可以在接近其操作角度的任何地方被制动,尽管它会在车辆上施加与该角度有多远相关的转向力。我认为自由摆动的脚轮没有一种稳定的方法可以施加除被动阻力以外的任何加速度。
2015年

@MichaelS:当然有可能使用差分驱动器作为一个补充的角度控制方向盘,但我不认为这是可能有差分驱动系统超过两个驱动轮没有任何主动控制自己的角度,这将与该问题提出的要求相反,或者在转弯时车轮打滑(这很不利于其他地方的原因。顺便说一句,我知道前轮笔直指向前方的车辆,一个后轮驱动而另一个则不,不会走得太远(具有这种设计的模型车需要具备……
supercat

...偏向于前轮的角度以抵消车辆轻微转弯的趋势),但它们的直线度要比前轮为被动脚轮时的直线度大得多。
2015年

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主要原因是因为当汽车制动/减速时,后轮的负载减少而前轮的负载增加。如果您的汽车完全是后轮转向,则在高速制动时会失去转向。相反,因为发动机加速度通常远小于制动减速度,所以不会发生相反的情况。

叉车几乎完全是后轮转向,以提高前部托盘的可操纵性,但它们仅限于低速行驶。

有四轮转向车:https : //zh.wikipedia.org/wiki/类别: Vehicles_with_four-wheel_steering

它们中的许多是由计算机控制的,它们的转向方向相反,以实现低速机动性,而方向相同的方向则用于高速冲锋。据我所知,没有一个毛虫围绕中心轴旋转。


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这解决了标题中的问题,但没有解决实际的问题,后者没有说明有关后轮转向的问题。实际上,这是在询问与履带车辆相同的转向方式:使一侧的车轮旋转得更快。
David Richerby,2015年

5

吉普飓风具有四轮转向,允许它枢转360°,而不移动。但这非常复杂且昂贵。

我猜想,滑行转向系统通常更重,更笨重并且更复杂。确实,它们唯一有用的地方是当您需要严格的转向时。我们有99%的驾驶都没有真正严格的转向,因此为另外1%的车辆设计车辆没有多大意义。


这一论点很差。我们99.99%的驾驶没有使用碰撞安全气囊。
2015年

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这个类比使用了两个影响非常不同的事物。在安全带,安全气囊和起皱区域有用的少数情况下,它们非常有用。由于采用了四轮转向系统,因此很少发生重大事故,因为四轮转向系统通常用于低速行驶,以便更好地进入狭窄的空间。
MichaelS 2015年

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除了侧滑车轮的轮胎磨损问题​​(从概念上讲,可以通过在车轮和路面上使用不同的材料来解决)之外,OP提出的转向方法相对于“常规”转向有一个巨大的缺点,即缺乏精确性。它必然会在直线驱动的静态摩擦与转弯时的动态(滑动)摩擦之间发生跳跃,并且“跳跃”会在不可预测的时间点发生。

对于像坦克这样的履带车辆的军事用途来说,这并不是什么大问题,但是当在繁忙的高速公路上以70 mph的速度行驶时改变车道时,缺乏精确的转向是非常不同的事情。


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认识滑移装载机:

滑移

它是一台机器的多功能野兽,它包装了很多动力,多个附件,并且(与当前主题最相关)具有出色的可操作性。

它完全符合您的建议。它具有固定轮胎,可以像油箱一样以不同的角速度旋转以使车辆旋转。无需改变机器的位置就可以很容易地绕一整圈。这给它带来了许多优点:

  • 如果(例如)货叉需要向左或向右移动几英寸,则它可以在装卸货物时重新调整其位置。
  • 它可以将铲斗向侧面移动,以消除灰尘或碎石。
  • 转弯半径为0,这意味着它可以进入非车辆专用的狭窄空间。

与紧凑型履带装载机(使用履带而不是轮胎的类似机器)相比,滑移转向具有以下优点和缺点

  • 降低维护成本
  • 更轻更快
  • 如果在泥泞或下雪的条件下,操作性能都很差
  • 更影响地面

汽车几乎不需要这些优势,因为它们不习惯装载,卸载或景观(尽管连接拖车会容易得多),并且通常在为他们设计的道路上行驶。

实际上,有轮式车辆的附件,它们为每个车轮提供了微型履带,可用于泥泞或积雪中:

卡车履带

但是即使如此,基本的转向功能仍然是通过定向转向而不是打滑转向。实际上,甚至有一些机器也设计用于以相同方式转向的轨道:

切边机

如果即使是一些履带式机器也以与汽车相同的方式而不是打滑的方式进行转向,那么必须具有一定的优势,对吗?

一个优点(上述限制器通常是出于这个原因而转向)是形成平滑曲线要容易得多。虽然可以使用计算机系统确定每个轮胎的转速以产生给定的转弯半径,但简单地转动车轮要简单得多。而且,正如@alphazero指出的那样,一个问题是打滑会显着降低牵引力,这可能导致高速下无法控制的情况。打滑还会带来磨损问题(提示,如果可行,请仅在移动时才转动汽车方向盘)。

结论:

汽车通常通过转动车轮而不是打滑来转向,因为打滑转向的优点很少在汽车上得到广泛应用,但是缺点从昂贵到复杂到灾难性不等。


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