汽車轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的作用

李耀超，馬化海，張文新，孫英會

（中國一汽技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

汽車轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的作用

李耀超，馬化海，張文新，孫英會

（中國一汽技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

文章介紹了汽車轉(zhuǎn)向輪的外傾角、前束、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角四種定位參數(shù)的作用。為了使得讀者能夠更直觀清晰的理解轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的意義，文章利用大量的簡化示意圖來說明四種定位參數(shù)的工作原理及在車輛不同工況下所起的作用。

轉(zhuǎn)向輪；定位參數(shù)；簡化示意圖

引言

汽車轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)直接影響著汽車的操控性和行駛穩(wěn)定性。目前，已有很多文章將四輪定位參數(shù)對汽車行駛性能的影響進(jìn)行了詳盡的敘述[1,2]。然而單純的文字闡述很難讓讀者直觀的理解每個(gè)參數(shù)如何影響著車輪的運(yùn)動及車身姿態(tài)。本文利用大量的簡化示意圖通過圖文結(jié)合的方式來說明四種參數(shù)的工作原理及不同工況下所起的作用，希望使讀者能夠更加直觀、清晰的理解轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的作用及意義。

1 外傾角的作用

車輪外傾角是指車輪在安裝后，其端面向外傾斜，即車輪所處平面和縱向垂直平面間的夾角。輪胎呈現(xiàn)“八”字形張開時(shí)稱為負(fù)外傾，而呈現(xiàn)“V”字形張開時(shí)稱正外傾。正、負(fù)外傾角要根據(jù)車型，車輛用途等具體情況進(jìn)行設(shè)定，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 重載前后外傾變化示意圖

當(dāng)汽車受重載時(shí)，車輪頂部會有向內(nèi)傾斜的傾向，如圖1（a）所示，在正外傾角的設(shè)定下外傾角γ會減小，輪胎與地面之間形成更好的接觸進(jìn)而輪胎的磨損減小，延長輪胎使用壽命，提高輪胎的抓地力；而如果車輪設(shè)定為負(fù)外傾角在該種工況下外傾就會進(jìn)一步變大由γ變成γ+γ’（如圖1（b）所示），這樣不但會加劇輪胎的磨損，同時(shí)也會大大降低輪胎的抓地力。

然而，負(fù)外傾角的設(shè)計(jì)卻可以提升高速轉(zhuǎn)彎時(shí)車輛的穩(wěn)定性。車輛在高速轉(zhuǎn)向時(shí)，由于離心力作用，車輛會向外傾斜，此時(shí)，如果外傾角為正，如圖 2(a)所示，其正外傾的角度就會進(jìn)一步增加，從而加大外側(cè)懸架的負(fù)荷和外側(cè)車輪的變形與磨損，導(dǎo)致外側(cè)輪胎抓地力降低，而在轉(zhuǎn)彎過程中外側(cè)輪胎為轉(zhuǎn)彎提供更多的轉(zhuǎn)向動力，進(jìn)而轉(zhuǎn)向性能變差[2]。而在負(fù)外傾角的設(shè)定下，轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)車輪外傾角減小，如圖2(b)所示，成零外傾或正外傾，降低車輛的傾斜度，減小外側(cè)輪胎的磨損，提升輪胎抓地力，提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。為了提高過彎穩(wěn)定性，負(fù)外傾角的設(shè)計(jì)目前多用于載重較輕而行駛速度相對較高的家用轎車及跑車上。

圖2 轉(zhuǎn)彎前后外傾變化示意圖

此外，正外傾角的設(shè)定會減少主銷內(nèi)偏距，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)向操縱力，使車輪轉(zhuǎn)向變得輕便。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的轉(zhuǎn)動是以主銷軸線為中心，以車輪偏距為半徑的；即車輪偏距越小，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩就越小，所需要的轉(zhuǎn)向操縱力也越小。如圖3所示，車輪的正外傾角讓輪胎接地點(diǎn)向內(nèi)收縮，從而使偏距由C減小至C’，轉(zhuǎn)向也因此變得輕便。

圖3 正外傾角對車輪偏距的影響

正外傾角的設(shè)定還可以減輕輪毅外軸承負(fù)荷，防止車輪脫滑。以左前車輪為例，如圖 4(a)所示，由于正外傾角的存在，使得路面垂直作用在車輪上的反作用力 F地產(chǎn)生一個(gè)迫使車輪沿軸線向內(nèi)的分力F2，有助于防止車輪脫滑。而負(fù)外傾角會使得分力F4方向沿車輪軸線向外，如圖4(b)所示，進(jìn)而增大輪毅外軸承負(fù)荷，減少軸頭螺母的壽命。一定的正外傾角可以有效防止車輛滿載后的車輪內(nèi)傾，減輕輪轂外軸承負(fù)荷。正外傾角還可以減小轉(zhuǎn)向節(jié)上的負(fù)荷，防止轉(zhuǎn)向節(jié)彎曲。

圖4 正負(fù)外傾角對地面反力的分解示意圖

2 前束的作用

前束是指車身前進(jìn)方向與車輪平面之間的夾角，也用前輪前端面與后端面在汽車Y方向的距離差表示。車輪前端向內(nèi)側(cè)傾斜為正前束；車輪前端向外傾為負(fù)前束。

車輪前束的設(shè)計(jì)目的在于抵消車輪外傾帶來的外滾趨勢，消除由于外傾角所產(chǎn)生的輪胎的側(cè)滑。無論是正前束還是負(fù)前束的設(shè)計(jì)，其目的都是通過外傾與前束相互制約使汽車行駛時(shí)車輪的側(cè)向滑移和輪胎的磨損都減到最小。

如圖5（a）所示，以左前輪運(yùn)動狀態(tài)為例，當(dāng)前輪只有外傾角γ時(shí)，其滾動就類似于錐體滾動，O2為錐頂，OO2為滾動半徑，如圖5（b）所示運(yùn)動軌跡不是直線而是向外的圓弧。

圖5 左前輪僅有外傾時(shí)運(yùn)動示意圖

而對于只有前束的轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向輪將按前束角偏離給定方向滾動，如圖6所示，以左前輪運(yùn)動狀態(tài)為例，前束角為α其運(yùn)動軌跡不是直線而是向內(nèi)的圓弧。

圖6 左前輪僅有前束時(shí)運(yùn)動示意圖

又由于車輪受到轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向橫拉桿等懸架結(jié)構(gòu)的約束，車輪只能按汽車給定的方向直線行駛，因此在單獨(dú)只存在外傾和前束的情況下就會形成前輪胎面在地面上邊滾動邊滑移的狀態(tài)，增加了輪胎的磨損。以左前輪為例，圖 7(a)是在只有外傾時(shí)，車輪受懸架結(jié)構(gòu)約束的影響，在地面上的運(yùn)動軌跡，運(yùn)動軌跡；而圖7(b)是只有前束時(shí)，車輪在地面上的運(yùn)動軌跡。

圖7 外傾和前束對車輪軌跡的影響

為了使前輪在每個(gè)瞬間在Y方向的位移盡可能抵消，使車輪滾動方向更接近于正前方，即接近于在XZ平面內(nèi)滾動，前束與外傾之間需要有特殊的設(shè)定關(guān)系。

前輪在外傾與前束共同作用下的運(yùn)動示意如圖8所示，為汽車行駛方向，O2為前輪只有外傾時(shí)車輪做錐體運(yùn)動的錐頂， O3為前輪只有前束時(shí)，車輪作錐體運(yùn)動的錐頂，O為輪胎與地面接觸印記的中點(diǎn)。由圖分析可知，假設(shè)車輛直線行駛時(shí)，前輪外傾角和前束角恒定不變，弧和有公切線AG，當(dāng)前輪從 O點(diǎn)開始沿著的方向運(yùn)動時(shí)，如果只考慮外傾的影響，那么前輪將沿著弧運(yùn)動，設(shè)在某一瞬間Δt內(nèi)，滾動距離為弧長；而僅僅考慮前束影響時(shí)，前輪將沿著弧運(yùn)動，在同一瞬間Δt內(nèi)，滾動的弧長為，而實(shí)際上前輪在向前運(yùn)動過程中，在Δt瞬間內(nèi)既沒有到達(dá)C點(diǎn)，也沒有到達(dá)E點(diǎn)，而是分別從C、E兩點(diǎn)側(cè)滑到D、F兩點(diǎn)。如果前束值和外傾角匹配得合理，則向量，的橫向分量，會大小相等方向相反。此時(shí)OX和OG的夾角等于前束角，輪胎的側(cè)滑量最小[3]。

圖8 左前輪在外傾、前束共同作用時(shí)的運(yùn)動分析

現(xiàn)代汽車前輪外傾角減小（甚至為負(fù)）前輪前束也應(yīng)相應(yīng)減?。ㄉ踔翞樨?fù)）。而前束與外傾角匹配不當(dāng)時(shí)，會使轉(zhuǎn)向輪相對地面發(fā)生偏左或偏右的側(cè)向滑動，即轉(zhuǎn)向輪側(cè)滑。

目前，國內(nèi)外對于汽車外傾和前束的合理匹配關(guān)系的研究仍處于探索階段，沒有統(tǒng)一定論，衡量外傾角與前束匹配是否合理，只能通過反復(fù)側(cè)滑試驗(yàn)來確定[4]。

3 主銷內(nèi)傾角的作用

主銷在前軸上安裝時(shí)，其上端略向內(nèi)傾斜，形成主銷內(nèi)傾；在橫向平面內(nèi)，主銷軸線與垂線之間的夾角叫主銷內(nèi)傾角。主銷內(nèi)傾角的作用是使車輪自動回正，提升行駛穩(wěn)定性。主銷內(nèi)傾較大時(shí)，車輪回正作用變強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向費(fèi)力。

如圖9所示，主銷具有內(nèi)傾角β后，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在外力作用下由中間位置偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，車輪繞主銷軸線旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，車輪的最低點(diǎn)將陷入地面以下h處，但事實(shí)上車輪不可能陷入路面以下，而是將前輪連同汽車前部向上抬起相應(yīng)高度。

圖9 主銷內(nèi)傾作用原理示意圖

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)由于主銷內(nèi)傾，車輛前部被抬起，那么整個(gè)車就像停在一個(gè)斜坡上，車應(yīng)該向后滑移，而實(shí)際上車沒有后移，就是因?yàn)榈孛娼o車輪一個(gè)向前的摩擦力 F，設(shè)該摩擦力作用點(diǎn)到主銷軸線的距離為 C，進(jìn)而形成回正力矩M=FC，在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，如圖10所示，由于內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角Δ2大于外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角Δ1，故內(nèi)側(cè)被抬起的高度大于外側(cè)，所以內(nèi)側(cè)的車輪受到地面的摩擦力 F2大于外側(cè)車輪受到的地面的摩擦力 F1，內(nèi)側(cè)的力矩 M2=F2C大于外側(cè)的力矩M1=F1C，因此M2>M1，前輪整體還是受到回正力矩M=M2-M1的作用，而自動回正[5]。

同理低速直行時(shí)偶遇路面沖擊，車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主要依靠內(nèi)傾角的回正作用使車輪回到直線行駛時(shí)的位置。

圖10 主銷內(nèi)傾的回正作用示意圖

4 主銷后傾角的作用

在汽車縱向平面內(nèi)，主銷軸線上端略向后傾斜，在縱向垂直平面內(nèi)，主銷軸線與垂線之間的夾角叫主銷后傾角。

主銷后傾的作用主要是為了保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，并使汽車轉(zhuǎn)向后前輪有自動回正的作用。主后越大，方向越重；主后越小，方向越輕，越易搖擺。然而，主銷后傾角也不易過大，過大的主銷后傾角會增大方向盤轉(zhuǎn)向阻力，轉(zhuǎn)向后可能因方向盤回正過猛而出現(xiàn)打手現(xiàn)象。車速較高時(shí)，如果后傾較大，行駛轉(zhuǎn)向力矩過大還會引起擺振。

圖11 主銷后傾結(jié)構(gòu)示意圖

如圖11所示，主銷具有后傾角時(shí)，主銷軸線的延長線與路面的交點(diǎn)B位于輪胎與地面接觸點(diǎn)A的前面。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)做圓周運(yùn)動，受向心力作用，此向心力正是圖中的作用力F，由地面摩擦力提供，垂直于車輪，作用于A點(diǎn)。向心力F對車輪形成繞主銷軸線作用的回正力矩為M=FL，其方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反。當(dāng)駕駛員放松方向盤時(shí)，車輪僅受回正力矩M的作用，所以車輪自動恢復(fù)到原來的中間位置。此時(shí)汽車做直線運(yùn)動，向心力F自動消失。

通過物體做圓周運(yùn)動的規(guī)律可知，運(yùn)動速度越快，需要的向心力越大，即汽車轉(zhuǎn)彎速度越快，向心力F越大，回正力矩M越大，回正效果越明顯，然而，向心力F是由地面摩擦力產(chǎn)生的，所以當(dāng)摩擦力大于F時(shí)，可以正常轉(zhuǎn)彎；當(dāng)摩擦力小于F時(shí)，汽車不能正常轉(zhuǎn)彎，將發(fā)生漂移，所以在有水和冰雪的路面上由于摩擦力下降，汽車轉(zhuǎn)彎速度不易過快。

此外，行駛時(shí)由于輪胎與地面的接觸面中心向后移動，即摩擦力F作用點(diǎn)后移，引起穩(wěn)定力矩增加，提高汽車直線行駛的穩(wěn)定性。

根據(jù)以上分析可知，主銷內(nèi)傾和主銷后傾的作用都在于使車輪能夠自動回正，保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性；而區(qū)別在于主銷內(nèi)傾的回正作用與車速無關(guān)，低速時(shí)內(nèi)傾的回正作用起主要地位，主銷后傾的回正作用與車速有關(guān)，高速時(shí)后傾的回正作用起主要地位。

5 結(jié)束語

良好的四輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)是使車輛具有良好的操控性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，需要大量的設(shè)計(jì)，計(jì)算和試驗(yàn)來驗(yàn)證。本文僅對轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的作用及意義進(jìn)行了簡化的解釋和說明，而在四輪定位參數(shù)中，參數(shù)與參數(shù)之間，前輪與后輪之間的影響更為復(fù)雜；此外，汽車在運(yùn)動過程中又涉及到四輪定位參數(shù)的變化，則需要更加深入的理論和分析才能進(jìn)行解釋和說明。

[1] 陳科利, 邢贊. 汽車轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)及檢測原理.[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2013(6):59-63.

[2] 張梅,黃如君. 四輪定位對于汽車行駛性能的影響.[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,10(3):56-60.

[3] 魏道高,陳雪琴.車輛前輪前束值與外傾角合理匹配算法商討.[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2003(6):139-142.

[4] 祝學(xué)亮. 四輪定位參數(shù)對汽車使用性能的影響分析.[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2015(11):107-108.

[5] 朱花. 汽車前輪定位之—主銷后傾和主銷內(nèi)傾工作原理詳解.[J].2014(2):44-45.

The function of car steering wheel positioning parameters

Li Yaochao, Ma Huahai, Zhang Wenxin, Sun Yinghui
( China steam technology center, Jilin Changchun 130011 )

The function of automobile steering wheels’ camber angle, toe, kingpin caster angle, kingpin inclination angle were introduced in this paper. In order to make the theory more intuitive, many simplified schematic diagrams were used to illustrate the principle of the parameters above.

Steering Wheel; Positioning Parameter; Schematic Diagram

CLC NO.: U471.2 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)12-150-04

U471.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988 (2017)12-150-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.050

李耀超（1987-），工程師，現(xiàn)就職于中國一汽技術(shù)中心試制部。