汽车的方向盘在转弯之后为什么总是能自己回正？

在弄清楚这个问题之前，首先我们要了解一下为什么多数人脑海里的汽车转向系统模型只对了一半儿以及实际的转向系统是什么样子的。

1. 为什么多数人脑海里的汽车转向系统模型只对了一半儿？

个人认为，在很多人的脑海里，汽车前轮实现转向的机械结构大概是下面这样的。

驾驶员操纵方向盘，方向盘连接着转向柱，转向柱连接并控制有液压做助力的转向盒（Steering box中文是啥？），后者再通过控制左右侧的转向拉杆来操纵前轮进行转向。

当然，对于最近5-6年内的新车，液压助力（HPS/EHPS）被电动助力（EPS）取代，助力直接由电机施加在转向柱上，如下图所示。

但不管用什么做助力，如果从车顶部往下看车的前轴，如下图蓝色箭头所示，

在去掉不必要的车身结构（发动机舱/发动机/变速箱）之后，我们看到的转向系统的简化示意图都是下面这样的，红色箭头是车身前进方向。

这个简单的结构马上就会给我们带来一个不小的困扰，那就是他可以提供转向的功能，但是无法提供自动回正的功能，更无法保证高速驾驶时方向的稳定性以及在过弯的时候给驾驶员提供足够的转向手感，为什么？

很简单，没有回正/反馈力矩。

假设我们右转，此时车轮从直行时候的红色位置右转到橘黄色位置，

由于轮胎转向产生了侧向力F，我们看这个侧向力能产生什么，

如图所示， 因为轮胎产生的侧向力是一定和轮胎行进方向垂直并且由轮胎接地面施加的，所以这个力是一定经过前轮的转向轴的，这也就导致这个力无法产生使车轮转动的力矩。

（实际中，轮胎产生的侧向力一定不是和行进方向垂直，因为存在侧滑角，但是通常在正常行驶时这个侧滑角相对于90度来说是非常小的（在1-3度）所以当作垂直没有问题）

那么加减速时候的作用力呢？

对于后驱车，前轮不管加速，减速还是匀速行驶的过程，都受到阻力，但这个时候也无法利用阻力回正，因为左右车轮产生的转动力矩基本上是大小相等方向相反的，所以转向系统没有回正力矩，如下图所示。

对于前驱车，减速和刹车的情况和后驱车一样，受阻力，不同的地方是加速的时候受到的是向前的动力，但是同样的，因为左右车轮因为动力产生的力矩也是大小相等方向相反，又抵消了，如下图所示。

所以综上所述，如果汽车悬架的转向系统是这样话的，就无法实现自动回正的功能，也没有过弯时候转向的“手感”和高速行驶时的稳定性。

因为这个系统，不管车轮转到哪儿，宏观而言，对于方向盘都是没有什么反馈（扭矩）的。

2. 实际是转向系统什么样子的？

让我们再看一下转向系统的示意图，其实问题出在转向轴。

按照上图的情况，如果从车辆正前方看，转向轴是完全垂直于地面的，如下图所示，

从侧面看，转向轴也是完全垂直于地面的，

现实中，转向轴在这两个维度均不垂直于地面。

2.1 从正前方看，转向轴顶部向内倾斜，这个角度叫做主销内倾角

这样做的结果是很好理解的。

考虑原本垂直的转向轴，如果进行转向，轮胎在空间中划过的轨迹是一个圆柱体的表面（绕下面橘黄色的轴）。

但是如果有内倾角，转向之后轮胎在空间中划过的轨迹，就是一个圆锥体的表面了，如下图所示，这也就导致，只要转向，轮胎上的每一个质点，都必须向下运动，

这也就等价地意味着，一旦转向，就相当于悬架在把车身“抬高”，因为车轮的每一点都在向下运动，并且左右轮虽然转动角度相反，但是抬高的幅度是相同的，就是不光左侧或者右侧高度抬升，是前轴悬架在一起抬升。

所以因为“重力”的存在，始终会有一个回正的力矩，让系统回到能量最低的状态，也就是转向角度为零的时候（车身高度最低），并且这个作用是在车辆静止和行进的过程中都始终存在的，只要存在转向角度。

如果你开过卡丁车就知道，主销内倾的效果很明显，只要你原地打方向，就能很明显地感觉到自己和卡丁车都被“抬高”了，这也是为什么开卡丁车很累的原因之一，即有比较大的主销内倾且没有助力。

当然，和汽车一样，卡丁车你原地静止打方向之后，虽然有回正的趋势，但是车轮并不会马上回正，因为轮胎的接地面还和地紧贴“纠结”在一起，提供大小相等方向相反不让你回正的力矩，但是一旦车动起来，因为轮胎有侧滑的角度（因为重力有转向方向的分量），导致其在沿着减小系统总势能的方向运动，转向就开始回正了，所以虽然主销内倾产生的回正力矩在车辆静止和行进的过程中都始终存在，但是只有当车辆动起来的时候才会实际发挥作用（除非内倾角过大但是一般情况下都不会达到那个程度）

显然，转向轴的这个内倾斜角度越大，和地面的交点离车轮的距离越远（主销偏距/King-pin offset/Scrub Radius取决于中国欧洲还是美国的叫法），这个回正的力矩就越大，回正效果就越好，还能带来转向“手感”，比如转弯越快转弯越急需要的角度就越大，转向就感觉越重。

除了实现回正和提供转向手感，内倾还能带来稳定性。比如在高速行驶时，由于路面的因素（小障碍）导致车辆偏离了直线轨迹，完全垂直于地面的转向轴就让这个转向角度保持下去了，即“随它去了”，这在控制上属于广义“临界稳定”的概念。

然而有主销内倾角的转向系统就是“稳定”的，即能够减小这方面的影响（因为有重力的作用在那儿“压着”不让你转向或者转了马上让你回来）从而增加高速直线驾驶的稳定性和安全性，比如在比较小的外界干扰（激励）的情况下保持直线，或者在遇到相对较大的外界干扰的情况下减小影响。

当然，过大的主销内倾也有缺点。

首先需要更大的转向力度，虽然现在都有助力转向了，助力本身不是个问题，但是在减排的大背景下，转向系统的能量消耗也是要尽量减小的。减小这方面的助力需求，对于比较老的系统（HPS/EHPS）能够节能，对于比较新的系统（EPS）能够减小其尺寸，总体上都是收益的。

其次，转向轴距离车轮过远（主销偏距大）会导致刹车的时候产生过多的toe-out从而影响稳定性，所以实际中现代车辆都在尽量减小主销偏距来减小这个作用，从而做到有一些回正，有一些转向手感，有一些直线行驶的稳定性就可以了。之所以是这样，是因为主销内倾角不是唯一一个产生这些现象的因素，正如我们马上看到的，主销后倾角也能产生自动回正的力矩并且能保持高速直线稳定性。

主销偏距举例，对于下图双叉臂悬挂，红色虚线设定的内倾角导致了一个比较小的主销偏距（L1），如果转向轴是由蓝色实线确定的（比如可以通过更改悬架参数做到，比如悬架上下控制臂都更短一些），则主销偏距（L2）更大回正更好。由于上段提到的原因，现代车辆一般倾向于尽可能小的主销偏距（内倾多在10-15°，主销偏距在+/-20mm内，考虑到前轮胎宽150-250mm）

2.2 从侧面看，转向轴顶部向后倾斜，这个角度叫做主销后倾角

向后倾斜转向轴也能产生自动回正的力矩，但是不是通过“重力”，而是通过改变转向轴几何参数巧妙地利用轮胎的滚动阻力和转向的力。

如此的设定只需要举一个例子就可以了。超市的小推车，你一推，会发生什么？

他自动转到你行进的方向了。汽车的前轮也是一样的，还是考虑下面这个图，

如果从顶部看，车轮转向的时候就是下面这样，黄色标出来的A点就是上图用红色标出的转向轴和地面相交的点，B点就是上图用蓝色标出的轮胎垂直轴和地面相交的点。

这样一来，不管前驱车后驱车，只要车在动，就始终有因为阻力而产生的回正力矩（这个阻力其实是阻力和转向侧向力的合力），并且是随着速度和转向角度的增加而增加。

随转向角度增加好理解。随速度增加是因为，比如保持同样一个角度的前轴转向，对比在时速5公里和50公里下产生的侧向力，显然是后者大，所以速度越快回正力矩越大。

不难理解，主销后斜的角度越大，在相同其他情况下产生的力矩越大，操控的手感和驾驶的方向稳定性也越好，这也是为什么一些追求操控的车都有比较大的这个角度的转向倾角。

（下图这个漂着的M5显然前轮的转向轴不是垂直于地面的）

不过此时，聪明且细心的童鞋可能已经注意到了，前驱车加速的情况好像有一些特殊。没错的，因为对于前驱车，这个时候纵向力的方向反过来了。

考虑上面这个示意图，滚动阻力变成了驱动力，这个时候这个系统就不完全是一种“稳定”的结构了，尤其是对于动力比较大的前驱车。

原因也很简单，就是因为轮胎受到向前的驱动力，只要这个力不经过上图转向轴和地面的交点，轮胎的转向角度就会有被加大的趋势（进一步受到转向的力矩），即你打了一些方向，方向会自己不确定地变得更大，即系统不稳定。

这也就是为什么一般在后驱车上，主销后倾角在0.5-5度，而在前驱车上就变成了-0.5-1.5度，因为后驱车前轮永远只受阻力所以不存在这种因为驱动力而不稳定的情况。

（除了很老的车（没有助力转向）因为需要减小转向的力度在使用负的主销后倾角，现代车辆的转向系统基本不会出现（比较大的）负值）

最后还想补充一个例子。

高环大家都知道的。

上图的这辆车，如果你在开的话，是要施加一个人为向左转方向盘的力度的。

很多人觉得这很正常，因为重力的作用车自然要向右偏。然而这并不正常。

不是因为有重力就会偏，而是因为有重力分量且有了主销后倾角才会向右偏。

如果是开始的那个转向系统，坡度再大，（理论上）转向也偏不了。

3. 做个总结

汽车的方向能自己回正，就是因为主销内倾和主销后倾，低速范围内主要是前者的作用，中高速范围主要感受到的是后者（当然由于悬架设计和驱动布局的影响，在不同车辆上两者实际的回正贡献也是会变换的）

除此之外，这两者还是提供高速行驶稳定性和良好的转向手感的重要设计参数。