● 賀 : 榮獲臺北市 第44屆 科學展：冠軍

【頒獎照片】

【指導老師與學生】

【研究內容概要】

據統計，目前世界上汽車數量至 少有17億輛。試想，若每輛車每年節省1公升汽油，就能節省多少能源？對環境保護影響有多大？然而，當我們研究車輛轉向 系統時，卻發現到車輛的轉向系統其實還有改善空間。

如下圖，理想狀態下，車輛轉向時，轉向機構必需讓四個輪子繞同一點旋轉。

圖1：理想狀態轉向機構

但實際情況下，隨著轉向角度的變化，轉向機構不一定會讓四輪交於同一點。如下圖左所示，阿克曼轉向機構由一個四連桿機構構成，其角度X及高度Y會決定前輪 轉向交點的軌跡。下圖右可看出，前輪的轉向中心會隨轉向角度的增加而向上偏移。當前、後輪轉向中心不在同一點時，車輪就會產生側滑，浪費引擎動力。

圖2：實際轉向機構

然而，隨著電子與機械技術的進步，我們可以修正這個誤差值，讓車輛轉彎時的行進阻力更小。

本研究的根本目的是減少車輛轉彎時 的行進阻力。為了達到這個目的，我們分為二個步驟研究：

一、研究傳統阿克曼轉向機構，找出一套阿克曼轉向機構設計方法，使輪胎側滑達到最小。

二、在第1點的基礎下改良阿克曼轉向機構，使輪胎完全不產生側滑。

本小組在此次研究中，有二大目的：

一、研究傳統阿克曼轉向機構，找出一套阿克曼轉向機構設計法則，使輪胎側滑達到最小。

二、在第一點的基礎下改良阿克曼轉向機構，使輪胎完全不產生側滑。

針對第一個目的，本小組成果如下：

一、傳統阿克曼系統有著無法避免的問題：轉向中心的運動軌跡會偏移，導致輪胎磨耗。所以在設計傳統阿克轉向系統的重點是讓「車輛最常轉彎的角度」側滑 最小。

二、為了讓研究結果更符合現實情況，我們參考市區道路工程設計規範與車輛最小轉向半徑規範，得知小客車最小轉彎半徑為6公尺，而市區道路的轉彎半徑則 一般在25公尺以下。所以在設計小客車的轉向系統時，需以轉向半徑6 < R < 25為設計重點，尤其是轉向半徑15米～20米範圍。如果這個範圍的轉向阻力最小的話，那麼，車輛轉向時的動力損耗就會最小。

三、設計傳統阿克曼系統，基本上就是在設計一個四連桿機構。從「道路交通安全規則」及市售車規格可知，一般小客車的 Z 桿長度約為 1.3 公尺。而X角度、Y桿長度可以用幾合求解的方法求出，求解過程如報告內文。

針對第二個目的，本小組成果如下：

一、從轉向中心運動軌跡可知，若動態改變橫拉桿長度，可免除傳統阿克曼的缺點。

二、再次利用幾合求解的方法，求出「最適合的橫拉桿長度」，研發出可變阿克曼轉向系統。並使用馬達控制系統進行控制。

三、另外，本小組實際製作出改良系統模型，實驗證明改良系統的轉向交點比傳統阿克曼準確。

在研究車輛轉向系統時，本小組 發現：

一、本研究報告的內容是以小客車為範例，進行設計。其他車輛只要依相同原則設計即可。

二、設計傳統阿克曼四連桿時，除了要決定X角度與Y、Z長度外，還要一併決定「後軸位置」。後軸位置會決定車輛「軸距」及「最佳轉向半徑」。在實際狀 況下，車輛轉彎時必需順著「道路」轉彎，所以最佳轉向半徑最好是設定為一般道路最常出現的轉彎半徑。

三、設計傳統阿克曼四連桿時，若增加X角度，則軸距會跟著增長；當Y長度增加時，軸距則小幅減短。因此，設計一部車輛時可以依上述原則，反向推算出適 合的X角度、Y長度。

四、在研發車輛系統時，必需考量的因素很多。例如，車輛的懸吊系統在崎嶇道路上行駛時彈簧會壓縮，轉向四連桿長度可能改變。而這類情況是屬於其他研究 主題，必需另開研究項目。我們在進行研發時，必需針對「各別問題」逐一克服，不能把所有複雜問題混在一起討論。

在此次研究的二大目的之中，第一項「設計傳統阿克曼轉向」提供了一個實際車輛可用設計原則，如果能依此原則設計X角度、Y長度、Z桿長度，並決定適當 的軸距的話，就可以使車輛轉彎時的輪胎側滑減到最小。此時，傳統阿克曼轉向機構的效能也發揮到最高。

而第二項「改良型轉向系統」是屬於「先端研究」。若要實際應用在車輛上，必需通過工業強度考驗，但它提供了一個不錯的思考方向給車輛相關研究人員。動 態改變橫拉桿的長度，經本小組實驗證明確實可以讓轉向中心更精確，而改變橫拉桿長度的方法可以有很多種，(本小組使用馬達控制方式來證明之)。橫拉桿長度 的修正量則可以用「幾合求解」的方法求出。