第一章 緒論 1-1 前言
車輛的所有元件中唯一與地面接觸的元件為輪胎，其與路面的接觸力扮演著 使車輛在行駛中能夠改變方向的重要角色。當駕駛者轉動方向盤，帶動轉向機構，
進而將運動傳遞到車輪，使得車輪與車身縱向形成夾角，此時車輪與路面間產生之 側向力將提供車輛轉彎所需之向心力，並使得車身也隨著車輛前進而偏離原行進 方向，達到轉向的目的。
一般常見之雙軸車輛多為前軸轉向，只有少數車輛同時具有後軸輔助轉向的 功能，稱為四輪轉向[1]。多軸車輛的話，如大型貨車、吊車和軍用載具等等，其轉 向軸數則有較多之變化，包含雙軸轉向、三軸轉向、四軸轉向等等，依據不同的軸 數和行駛需求會有相異的轉向設計。在軍用載具方面，由於高機動性、輕量化與操 控便利性的需求，再加上現代戰場環境涵蓋許多舖設柏油路面之地區，輪型車輛因 此逐漸成為各國之主流研發項目，四軸裝甲車即是其中一種。四軸裝甲車之尺寸與 重量大於一般車輛，為了達到較好之轉向特性，一般會有數量大於一軸的轉向軸，
常見的設計包括前雙軸轉向、四軸轉向，以及前雙軸搭配第四軸輔助轉向。
不論是雙軸還是多軸車輛，其轉向機構之設計大多依循阿克曼轉向幾何 (Ackerman steering geometry)。在此轉向幾何下，車輛轉向時的各輪胎轉向角關係 是以輪軸中心延伸線交於一點來設定，應能使輪胎磨耗降到最低。然而，對於軍用 四軸車輛來說，受限於車身尺寸和轉向軸數等因素，其各輪轉向角未必能遵循阿克 曼轉向幾何，而且，即使能遵循阿克曼轉向幾何，也未必能提高機動性，因此，對 於探討多軸轉向幾何對車輛轉向特性之影響，以及將轉向幾何應用於實際轉向機 構之研究即有其需要。本研究即是藉由分析四軸車輛在不同轉向幾何下之轉向特 性，推論出可以符合實際需求之轉向幾何，並且以現行車輛上的轉向機構為原型，
進行轉向機構之設計，探討阿克曼與新型轉向幾何在實際應用上的可行性。
1-2 文獻回顧
根據車輛相關書籍[2-4]可以得知，在研究車輛轉向行為時，常會以簡化的二自 由度自行車轉向模型來分析。其分析方法大致可分為兩類：Gillespie[2]、Wong[3]、
Dixon[4]以穩態力平衡的觀點來推導側向力之數學式，並且代入輪胎轉向角與側滑 角的幾何關係，建立車輛穩態轉向之統御方程式。藉由此方程式進一步分析歸納出 車輛穩態轉向特性；Milliken[5]與 Abe[6]則根據牛頓力學理論建立車輛轉向運動之 微分方程式，藉此得到車輛暫態響應，同時也探討加入驅動力與剎車力後響應的變 化情況。
除了上述之外，對於二軸車輛轉向行為之探討也已有許多相關研究，Nalecz 與 Bindemann[7, 8]考量懸吊幾何變化(suspension kinematics)與側向負載轉移(lateral weight transfer)等效應之影響，以三自由度之四輪車輛模型探討 4WS 車輛在高速行 駛的動態響應與穩定性。Itoh 與 Oida[9]使用三自由度之四輪車輛模型分析4 × 4 × 4農用曳引機在一般路面的轉向行為，探討車速、輪胎轉向角、車重配置與路面摩 擦係數對車身側滑角和偏擺率之影響。簡志鴻[10]考量各輪胎側滑角，利用數值方 法建立具有驅動力和無驅動力的三自由度4WS 車輛模型，並以此模型分析不同轉 向設定下之穩態轉向行為。陳昱達[11]參考簡志鴻[10]之車輛模型，進一步考量正 向負載轉移效應，探討單後輪與雙後輪轉向對於 4WS 車輛穩態轉向行為之影響。
關於多軸車輛轉向行為之研究，Ellie[12]在小轉向角之假設下，以幾何關係發 展二軸與三軸車輛的穩態轉向模型，並且探討輪胎的磨耗現象與能量耗損的關係。
Winkler 與 Aurell[13, 14] 以簡化自行車模型分析多軸車輛之穩態轉 向特性。
Watanabe 等人[15]採用 brush 輪胎模型計算側向力，以牛頓力學建立多軸車輛穩態 轉向模型，輔以實車測試作驗證，探討多軸車輛之轉向設定與驅動輪扭力分配之關 係。Silva 等人[16]使用簡化自行車模型發展前雙軸轉向之四軸車輛穩態轉向模型，
並推導量化公式來分析輪胎磨耗。Nell[17]同樣以簡化自行車模型發展全輪轉向之 三軸車輛穩態轉向模型，考量真實轉向機構中轉向軸之間的比率，建立標準實驗流
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程來進行全輪轉向原理與效果之驗證。蔡榮暉[18]建立等效四輪車數學模型來模擬 八輪甲車之穩態轉向特性，並且利用ADAMS 建立車輛模型進行驗證。黃昱儒[19]
使用 Winkler[14]研究中的輪胎模型計算側向力，並且簡化正向負載轉移之計算，
建立四軸車輛轉向模型以分析阿克曼轉向幾何下車輛轉向行為。楊明憲[20]參考黃 昱儒[19]之車輛模型，改採用 Magic Formula 輪胎模型以及改良正向負載轉移計算 方式，以Newton-Raphson 數值方法發展三自由度八輪車輛穩態轉向模型，並以此 模型分析非阿克曼轉向幾何下八輪車輛之穩態轉向特性。魯士強[21]進一步發展楊 明憲[20]之研究，建立三自由度多軸車輛穩態轉向模型，分析二軸、三軸和四軸車 輛之穩態轉向特性，並探討第四軸輔助轉向設定對於四軸車輛轉向特性之影響。
前述研究大多沒有討論實際轉向機構之設計，以下為關於車輛轉向機構研究 的部分，Ansarey 等人[22]考慮轉向時的操縱性，以基因演算法最佳化設計二軸車 輛的轉向連桿機構。Hanzaki 等人[23]分析一包含齒條和齒輪之六連桿轉向機構，
並以 ADAMS 為輔助，設計其尺寸以達到阿克曼轉向幾何。Singh Gautam 和 Awadhiya[24]提出一改良之六連桿阿克曼轉向機構，並與其他現有轉向機構比較桿 件之運動特性，提供一車輛轉向機構之選擇。Simionescu 與 Beale[25]研究平面四 桿機構之設計，提出一種新基準來定義目標方程式，並以阿克曼轉向機構為範例進 行設計。Chaudhuri 等人[26]以聯結車為對象，探討其多軸轉向機構之設計。Qin 等 人[27]考慮了動態負載的影響，以分級制度之最佳化程序(hierarchical optimization procedure)設計三軸車輛之雙軸轉向機構。Chen 等人[28]依據現行四軸車輛之車身 規格與轉向機構，設計前雙軸之阿克曼轉向機構，並且依據車輛轉向特性，進一步 以最小迴轉半徑的優化為目標進行轉向機構設計。
另外，在進行連桿機構尺寸設計時，常會以最佳化演算法來求解，Cabrera 等 人[29]以演化算法為基礎，提出一最佳化方法對四連桿機構進行設計，並和基因演 算法等最佳化方法比較。Shinde 等人[30]以基因演算法設計一六連桿機構之尺寸，
使其運動時能達到特定軌跡。McDougall 與 Nokleby[31]取數個點作為桿件運動之
目標路徑點，以粒子群演算法設計四連桿機構之尺寸，使四連桿運動盡可能通過所 有路徑點。Alinia 等人[32]以粒子群演算法為基礎發展一新方法，用於四連桿機構 之合成，並以三個範例呈現其方法之特點。Lee 等人[33]提出一種混合式粒子群演 算法，將其應用於四連桿機構設計，並以四種軌跡為設計目標(goal of design)，比 較基因演算法、粒子群演算法和混合式粒子群演算法之優劣。
綜合上述之文獻可以得知：
1. 車輛模型的建立可分為穩態與暫態兩大類，穩態車輛模型可用於分析車輛轉 向特性，暫態模型則用於分析車輛行駛狀態隨時間之變化。
2. 二軸車輛之轉向機構設計已有許多相關研究。
3. 研究多軸車輛之轉向機構的文獻較少，而且也較少研究對整車多軸轉向機構 進行設計。
4. 針對轉向機構之研究大多以阿克曼轉向幾何為設計目標，較少探討其他轉向 幾何在轉向機構上之應用。
5. 已有不少研究以基因演算法、粒子群演算法等現代最佳化演算法進行連桿機 構之設計。
1-3 研究動機與目的
隨著文明的發展，城市地區越來越多，軍用車輛需要行駛在城市道路上的機會 也跟著增加，因此，勢必得提高機動性，如此才能順利地在轉向空間較小或是轉彎 角度較大之路段行駛。
現行的軍用四軸車輛一般具有前雙軸轉向之功能，若要改良機動性，縮小其 所能達到之最小迴轉半徑的話，可行的方法包含改變轉向幾何與增加轉向軸數。
轉向幾何對於轉向特性的影響需要藉由適當的模擬分析來確定是否有益於改良機 動性，而且分析後所採用的轉向幾何也必須考量其在實際機構上應用的可能性，如 此才能證明其實用價值。此外，在設計轉向幾何時，輪胎的磨耗程度也是重要的考 量因素，故不能單以縮小迴轉半徑為目標。增加轉向軸數的考量點也相同，若要增
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加第四軸輔助轉向，轉向幾何之挑選以及實際轉向機構應用之可行性，都是改良車 輛機動性時所必須注意的。
因此，本研究藉由分析不同轉向幾何與轉向軸數設定下之穩態轉向特性，比較 不同轉向幾何之優缺點，並以此為依據設計一新型轉向幾何，接著再以最佳化方法 設計轉向機構的尺寸規格，使其盡可能實現理想轉向幾何與新型轉向幾何，藉此探 討可行性，以及證明設計之轉向機構的轉向幾何是否優於一般理想轉向幾何，達到 改良機動性的目的。除此之外，考慮到機構維修之便利性，如果每一軸轉向機構的 尺寸規格都相同，在維修上就只需要準備一種尺寸規格之轉向機構，故本研究也探 討在此情況下，實際機構是否也能實現新型轉向幾何，期望在改良機動性的同時，
也顧及維修之便利性。
也顧及維修之便利性。