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汽车为什么选择前轮转向？

生活中 ， 我们见到的汽车普遍都是前轮转向 ， 有没有想过为什么？今天我们站在汽车操作稳定性的角度去简单理解一下 。
汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的情况下 ， 汽车能遵循驾驶者通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶 ， 且当遭遇外界干扰时 ， 汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力 。
先说结论 ， 前轮转向操稳性更好 ， 更安全 。
以下我们从理论分析、定性理解两个方面介绍 。
理论分析进行汽车操作稳定性分析时 ， 一般忽略若干因素影响 ， 把汽车简化为二自由度的汽车模型 ， 即沿Y轴方向的侧向运动和绕Z轴的横摆运动 。 可参考下图的车辆坐标系 。
汽车为什么选择前轮转向？
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将车辆坐标系远点与汽车质心重合 ， 二自由度车辆模型可简化为两轮车模型 ， 如下图 。
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此处忽略繁琐推导（具体内容可参考汽车理论专业书籍） ， 直接给出二自由度车辆运动微分方程式：
一般用稳态横摆角速度增益（横摆角速度与前轮转角）来评价稳态特性 。
稳态时 ， 车速和横摆角速度恒定：
带入车辆运动微分方程可以算出稳态横摆角速度增益：
其中 ， u可近似理解为车速 ， L为轴距 ， K为稳定性因数 ， 与车辆参数有关 。
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如下图 ， 当车速非常小时 ， 侧向加速度接近于0 。
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所以可由横摆角速度增益公式和R=u/wr计算车辆转弯半径为：
1）当K=0时 ， R=R0 ， 车辆转弯半径不随车速变化 ， 车辆稳定 ， 此种稳态称为中性转向；
2）当K>0时 ， R>R0 ， 车辆转弯半径随车速增大而增大 ， 车辆稳定 ， 此种特性称为不足转向；
3）当K
相同车速下 ， 转弯半径越小 ， 侧向加速度越大 ， 需要地面提供的侧向力越大 ， 超过路面附着时就会发生侧滑甚至侧翻 。
所以 ， 一般车辆应具有适当的不足转向特性 ， 保持车辆行驶稳定性 。
汽车为什么选择前轮转向？
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定性理解通过上面的理论分析 ， 我们知道了车辆操稳性与稳定性因数直接相关 ， 不过这个稳定性因素与车辆质量、轴距、前后轮侧偏刚度、质心位置等都有关系 ， 但是这些参数之间存在耦合关系 ， 不便于定性分析 。 所以我们对上述公式继续优化 。
结合侧偏力计算公式 ， 对稳定性因数计算公式进一步处理：
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式中 ， α1、α2分别代表前后轮侧偏角 。 很容易看出 ， 当α1>α2时 ， 车辆趋于不足转向 ， 稳定性较好 。
如下图 ， 对于一般的乘用车 ， 一般前重后轻 ， 即质心靠前（a
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当车辆转弯时 ， 在离心力的作用下 ， 前后轮都会产生侧偏力来克服离心力 。 有：
Fy1*a*cosδ=Fy2*b
所以
Fy1=Fy2*b/(a*cosδ)
由于aFy2 。 一般情况下 ， 前轮与后轮侧偏刚度差别不大（k1≈K2） ， 所以α1>α2 ， 车辆具有不足转向特性 。
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假如后轮为转向轮 ， 则有：
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Fy1*a=Fy2*b*cosδ
所以
Fy1=Fy2*b*cosδ/a
虽然a
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也就是说 ， 如果车辆使用后轮转向 ， 当转向角较大时 ， 车辆可能会从不足转向特性转化为过度转向特性 ， 车辆转弯半径随车速急剧减小 ， 增加了车辆的驾驶难度 ， 操控不好很容易发生侧滑等失稳现象 。
一般地 ， 前轮侧偏角有利于增加不足转向趋势 ， 后轮侧偏角有利于增加过度转向趋势 ， 所以汽车一般前轮侧偏角稍大 ， 保证车辆趋于不足转向特性 ， 保证操作稳定性 。
以上 ， 通过理论分析和定性理解 ， 可以得出结论：
【汽车为什么选择前轮转向？】前轮转向使得车辆趋于不足转向 ， 有利于车辆行驶稳定性 ， 而后轮转向汽车 ， 在某些情况下可能会出现过度转向特性 ， 在高速行驶时是非常危险的 ， 所以一般车辆选择更加安全的前轮转向 。


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