在弄清楚這個問題之前，首先我們要了解一下為什么多數人腦海里的汽車轉向系統模型只對了一半兒以及實際的轉向系統是什么樣子的。

1. 為什么多數人腦海里的汽車轉向系統模型只對了一半兒？

個人認為，在很多人的腦海里，汽車前輪實現轉向的機械結構大概是下面這樣的。

駕駛員操縱方向盤，方向盤連接著轉向柱，轉向柱連接并控制有液壓做助力的轉向盒（Steering box中文是啥？），后者再通過控制左右側的轉向拉桿來操縱前輪進行轉向。

當然，對于最近5-6年內的新車，液壓助力（HPS/EHPS）被電動助力（EPS）取代，助力直接由電機施加在轉向柱上，如下圖所示。

但不管用什么做助力，如果從車頂部往下看車的前軸，如下圖藍色箭頭所示，

在去掉不必要的車身結構（發動機艙/發動機/變速箱）之后，我們看到的轉向系統的簡化示意圖都是下面這樣的，紅色箭頭是車身前進方向。

這個簡單的結構馬上就會給我們帶來一個不小的困擾，那就是他可以提供轉向的功能，但是無法提供自動回正的功能，更無法保證高速駕駛時方向的穩定性以及在過彎的時候給駕駛員提供足夠的轉向手感，為什么？

很簡單，沒有回正/反饋力矩。

假設我們右轉，此時車輪從直行時候的紅色位置右轉到橘黃色位置，

由于輪胎轉向產生了側向力F，我們看這個側向力能產生什么，

如圖所示， 因為輪胎產生的側向力是一定和輪胎行進方向垂直并且由輪胎接地面施加的，所以這個力是一定經過前輪的轉向軸的，這也就導致這個力無法產生使車輪轉動的力矩。

（實際中，輪胎產生的側向力一定不是和行進方向垂直，因為存在側滑角，但是通常在正常行駛時這個側滑角相對于90度來說是非常小的（在1-3度）所以當作垂直沒有問題）

那么加減速時候的作用力呢？

對于后驅車，前輪不管加速，減速還是勻速行駛的過程，都受到阻力，但這個時候也無法利用阻力回正，因為左右車輪產生的轉動力矩基本上是大小相等方向相反的，所以轉向系統沒有回正力矩，如下圖所示。

對于前驅車，減速和剎車的情況和后驅車一樣，受阻力，不同的地方是加速的時候受到的是向前的動力，但是同樣的，因為左右車輪因為動力產生的力矩也是大小相等方向相反，又抵消了，如下圖所示。

所以綜上所述，如果汽車懸架的轉向系統是這樣話的，就無法實現自動回正的功能，也沒有過彎時候轉向的“手感”和高速行駛時的穩定性。

因為這個系統，不管車輪轉到哪兒，宏觀而言，對于方向盤都是沒有什么反饋（扭矩）的。

2. 實際是轉向系統什么樣子的？

讓我們再看一下轉向系統的示意圖，其實問題出在轉向軸。

按照上圖的情況，如果從車輛正前方看，轉向軸是完全垂直于地面的，如下圖所示，

從側面看，轉向軸也是完全垂直于地面的，

現實中，轉向軸在這兩個維度均不垂直于地面。

2.1 從正前方看，轉向軸頂部向內傾斜，這個角度叫做主銷內傾角

這樣做的結果是很好理解的。

考慮原本垂直的轉向軸，如果進行轉向，輪胎在空間中劃過的軌跡是一個圓柱體的表面（繞下面橘黃色的軸）。

但是如果有內傾角，轉向之后輪胎在空間中劃過的軌跡，就是一個圓錐體的表面了，如下圖所示，這也就導致，只要轉向，輪胎上的每一個質點，都必須向下運動，

這也就等價地意味著，一旦轉向，就相當于懸架在把車身“抬高”，因為車輪的每一點都在向下運動，并且左右輪雖然轉動角度相反，但是抬高的幅度是相同的，就是不光左側或者右側高度抬升，是前軸懸架在一起抬升。

所以因為“重力”的存在，始終會有一個回正的力矩，讓系統回到能量最低的狀態，也就是轉向角度為零的時候（車身高度最低），并且這個作用是在車輛靜止和行進的過程中都始終存在的，只要存在轉向角度。

如果你開過卡丁車就知道，主銷內傾的效果很明顯，只要你原地打方向，就能很明顯地感覺到自己和卡丁車都被“抬高”了，這也是為什么開卡丁車很累的原因之一，即有比較大的主銷內傾且沒有助力。

當然，和汽車一樣，卡丁車你原地靜止打方向之后，雖然有回正的趨勢，但是車輪并不會馬上回正，因為輪胎的接地面還和地緊貼“糾結”在一起，提供大小相等方向相反不讓你回正的力矩，但是一旦車動起來，因為輪胎有側滑的角度（因為重力有轉向方向的分量），導致其在沿著減小系統總勢能的方向運動，轉向就開始回正了，所以雖然主銷內傾產生的回正力矩在車輛靜止和行進的過程中都始終存在，但是只有當車輛動起來的時候才會實際發揮作用（除非內傾角過大但是一般情況下都不會達到那個程度）

顯然，轉向軸的這個內傾斜角度越大，和地面的交點離車輪的距離越遠（主銷偏距/King-pin offset/Scrub Radius取決于中國歐洲還是美國的叫法），這個回正的力矩就越大，回正效果就越好，還能帶來轉向“手感”，比如轉彎越快轉彎越急需要的角度就越大，轉向就感覺越重。

除了實現回正和提供轉向手感，內傾還能帶來穩定性。比如在高速行駛時，由于路面的因素（小障礙）導致車輛偏離了直線軌跡，完全垂直于地面的轉向軸就讓這個轉向角度保持下去了，即“隨它去了”，這在控制上屬于廣義“臨界穩定”的概念。

然而有主銷內傾角的轉向系統就是“穩定”的，即能夠減小這方面的影響（因為有重力的作用在那兒“壓著”不讓你轉向或者轉了馬上讓你回來）從而增加高速直線駕駛的穩定性和安全性，比如在比較小的外界干擾（激勵）的情況下保持直線，或者在遇到相對較大的外界干擾的情況下減小影響。

當然，過大的主銷內傾也有缺點。

首先需要更大的轉向力度，雖然現在都有助力轉向了，助力本身不是個問題，但是在減排的大背景下，轉向系統的能量消耗也是要盡量減小的。減小這方面的助力需求，對于比較老的系統（HPS/EHPS）能夠節能，對于比較新的系統（EPS）能夠減小其尺寸，總體上都是收益的。

其次，轉向軸距離車輪過遠（主銷偏距大）會導致剎車的時候產生過多的toe-out從而影響穩定性，所以實際中現代車輛都在盡量減小主銷偏距來減小這個作用，從而做到有一些回正，有一些轉向手感，有一些直線行駛的穩定性就可以了。之所以是這樣，是因為主銷內傾角不是唯一一個產生這些現象的因素，正如我們馬上看到的，主銷后傾角也能產生自動回正的力矩并且能保持高速直線穩定性。

主銷偏距舉例，對于下圖雙叉臂懸掛，紅色虛線設定的內傾角導致了一個比較小的主銷偏距（L1），如果轉向軸是由藍色實線確定的（比如可以通過更改懸架參數做到，比如懸架上下控制臂都更短一些），則主銷偏距（L2）更大回正更好。由于上段提到的原因，現代車輛一般傾向于盡可能小的主銷偏距（內傾多在10-15°，主銷偏距在+/-20mm內，考慮到前輪胎寬150-250mm）

2.2 從側面看，轉向軸頂部向后傾斜，這個角度叫做主銷后傾角

向后傾斜轉向軸也能產生自動回正的力矩，但是不是通過“重力”，而是通過改變轉向軸幾何參數巧妙地利用輪胎的滾動阻力和轉向的力。

如此的設定只需要舉一個例子就可以了。超市的小推車，你一推，會發生什么？

他自動轉到你行進的方向了。汽車的前輪也是一樣的，還是考慮下面這個圖，

如果從頂部看，車輪轉向的時候就是下面這樣，黃色標出來的A點就是上圖用紅色標出的轉向軸和地面相交的點，B點就是上圖用藍色標出的輪胎垂直軸和地面相交的點。

這樣一來，不管前驅車后驅車，只要車在動，就始終有因為阻力而產生的回正力矩（這個阻力其實是阻力和轉向側向力的合力），并且是隨著速度和轉向角度的增加而增加。

隨轉向角度增加好理解。隨速度增加是因為，比如保持同樣一個角度的前軸轉向，對比在時速5公里和50公里下產生的側向力，顯然是后者大，所以速度越快回正力矩越大。

不難理解，主銷后斜的角度越大，在相同其他情況下產生的力矩越大，操控的手感和駕駛的方向穩定性也越好，這也是為什么一些追求操控的車都有比較大的這個角度的轉向傾角。

（下圖這個漂著的M5顯然前輪的轉向軸不是垂直于地面的）

不過此時，聰明且細心的童鞋可能已經注意到了，前驅車加速的情況好像有一些特殊。沒錯的，因為對于前驅車，這個時候縱向力的方向反過來了。

考慮上面這個示意圖，滾動阻力變成了驅動力，這個時候這個系統就不完全是一種“穩定”的結構了，尤其是對于動力比較大的前驅車。

原因也很簡單，就是因為輪胎受到向前的驅動力，只要這個力不經過上圖轉向軸和地面的交點，輪胎的轉向角度就會有被加大的趨勢（進一步受到轉向的力矩），即你打了一些方向，方向會自己不確定地變得更大，即系統不穩定。

這也就是為什么一般在后驅車上，主銷后傾角在0.5-5度，而在前驅車上就變成了-0.5-1.5度，因為后驅車前輪永遠只受阻力所以不存在這種因為驅動力而不穩定的情況。

（除了很老的車（沒有助力轉向）因為需要減小轉向的力度在使用負的主銷后傾角，現代車輛的轉向系統基本不會出現（比較大的）負值）

最后還想補充一個例子。

高環大家都知道的。

上圖的這輛車，如果你在開的話，是要施加一個人為向左轉方向盤的力度的。

很多人覺得這很正常，因為重力的作用車自然要向右偏。然而這并不正常。

不是因為有重力就會偏，而是因為有重力分量且有了主銷后傾角才會向右偏。

如果是開始的那個轉向系統，坡度再大，（理論上）轉向也偏不了。

3. 做個總結

汽車的方向能自己回正，就是因為主銷內傾和主銷后傾，低速范圍內主要是前者的作用，中高速范圍主要感受到的是后者（當然由于懸架設計和驅動布局的影響，在不同車輛上兩者實際的回正貢獻也是會變換的）

除此之外，這兩者還是提供高速行駛穩定性和良好的轉向手感的重要設計參數。

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