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第六节车轮定位

首先看一下车轮定位概述

车轮定位并不是汽车上独有的

在我们日常生活中

也有车轮定位的例子

比如说我们的自行车前叉

从下端往上是向后倾斜的

我们的拉杆箱或手拖车

它车轮的转轴与本身轮轴

也是不垂直相交的

中间有一个偏置距

我们看一下自行车

为什么前叉会后倾

假设我们自行车向右转向

在我们的前轮上

就会有个向右侧的作用力

而这个作用力

与我们前叉与地面的轴线

有个偏置距

这个力绕着这个轴线的力矩

就使得我们的车轮会向左侧偏转

这样就起到了回震的作用

我们说手拖车的脚轮

以及拉杆箱的脚轮

轮轴和它的转轴不是垂直相交

道理与自行车前叉后倾是一个道理

关于车辆定位

有几个基本概念需要介绍一下

所谓的车轮定位就是指

车轮与车架或车身

以及车轮之间的相对位置关系

还有我们刚才提到的自动回震

就是只车轮偏转以后

能够自动的回到中间

直线行驶的位置上的能力

车轮的定位参数

对于前轮来说有主销后倾角

主销内倾角

车轮外倾角和车轮前束

对于汽车后轮有外倾角和前束

而对于四轮驱动车辆

有推力线和推力角

总体来看

车轮定位的作用

包括以下几个方面

一是增强汽车

行驶方向稳定性和操控性

二是转向操纵更加轻便省力

三是防止轮胎过早过快的磨损

还有就是降低轮胎振动和噪声

提高汽车的燃油经济性

关于车轮定位有以下几点说明

一是车轮定位参数

是在空载时测定的

汽车行驶过程中车轮参数是变化的

二是车轮定位参数

影响到汽车的操纵稳定性

行驶平顺性 燃油经济性

转向操纵轻便性和轮胎磨损等

上述各方面对车轮定位的要求

可能往往是矛盾的

因此需要合理的确定车轮定位参数

是各种因素之间的

折中和妥协的结果

有关此方面的论述

详见汽车轮理论和汽车设计书籍

下面介绍车轮定位

前轮定位参数有四个

一是主销后倾角

二是主销内倾角

三是车轮外倾角

四是车轮前束

首先我们要找到在汽车上

主销在什么位置

对于这种非独立悬架来说

有明显的主销存在

所以我们很容易找到主销

但是对于这两种非独立悬架来说

因为没有实际的主销存在

通常是以主销轴线来表示

对于麦弗逊式悬架来说

转向自助的与车身的上支撑点

与下摆臂的外球头点之间的连线

就构成了主销的轴线

而对于双横臂独立悬架来说

上下悬臂的外端球头点之间的联系

就是转向轴线

也就是我们俗称的主销

首先看一下主销后倾角

主销后倾就是从侧视图上看

主销从下端到上端

往后倾斜了一个角度

主销后倾之后

主销延长线与地面的交点A

位于车轮接地中心O之间

有一个纵向距离 称之为

后倾拖距

在介绍了主销后倾的概念之后

我们来分析一下

主销后倾有什么作用

与刚才的自行车前叉后倾一样

主销后倾通过侧向力

可以产生回震作用

车厢内产生回震作用

是在汽车行驶过程中产生的

因此我们也称之为动态回震

侧向力能够产生回震作用

那在主销后倾之后

纵向力会不会产生回震作用

我们看一下这个图

这个图的两个圆圈

表示左右轮胎与地面的接地印痕

我们假设为是椭圆型

O点表示轮胎的接地中心

A点就是主销延长线与地面的交点

我们可以看到

对于前置后驱车辆来说

后轮驱动通过车身推动主销

向前行驶

在A点上就一个冲前的力P

轮胎本身与路面接触

有一个阻力矩

所以在O点上有个向后的作用力

A点和O点之间的这两个力

形成一个力O

对于左侧车轮来说

产生一个力O为T

右侧来说力O为T'

在正向行驶的时候

T和T'是相等的

它能够维持汽车的直线运行

假设现在我们汽车向左转弯

我们要知道汽车转弯时

轮胎是绕着主销转动的

所以对于左侧车轮来说

O点就会绕A点顺时针

转动一个角度 这样的结果

就是使得左侧车轮产生的力矩T

要小于右侧车轮产生的力矩T'

也就是说T'和T的交互作用的结果

是使得汽车向右侧行驶

刚才我们汽车是向左侧行驶

就产生左右力矩相互抵消

就维持了汽车的直线行驶

所以我们可以看出主销后倾之后

纵向力也产生了回震作用

刚才分析的是发动机前置

后轮驱动车的情况

如果我们这个车是发动机前置

前轮驱动车

情况又怎么样

对于发动机前置

前轮驱动的车辆而言

在A点左右的力它不是冲前的

而是冲后的

而在O点作用的力

是地面的驱动力 是冲前的

这样在直线行驶的时候

对于左侧车轮来说有一个力矩

对于右侧车轮来说

也有一个力O距

直接行驶的时候

这两个力O距是相等的

如果我汽车受到了外界的干扰

向左侧转向时

这时候O点还是绕着A点

顺时针转动

这时候就会使得右侧的力矩大

而左侧的力矩小

相互的作用的结果是使得汽车

更加向左偏驶

所以对于前置前驱车辆来说

它的主销后倾角应该小

我们可以看到

对于前置后驱车辆来说

它的主销后倾角典型值

是正的0.5度到5度

而对于前置前驱车辆来说

它的主销后倾角为-2度到3度

而典型值是-0.5度到1.5度

也就是说它的主销后倾角

普遍的要减小

主销后倾时

重力是否产生作用

结论是 主销后倾时

在重力作用下

左右轮产生的回正作用相互削弱

课后 同学们自行思考一下这个问题

如何得到或者是改变

主销的后倾角

对于纵置钢板弹簧的车辆来说

我们可以在

钢板弹簧座和弹簧之间

加上一个线性块

来改变主销的后倾角

而对于独立悬架来说

比如麦弗逊式悬架

可以通过改变悬架与车身

上下支撑点的位置及摆臂的

形状来改变主销后倾角

下面介绍主销内倾

所谓主要内倾就是主销轴线

在横向平面内的投影

与地面垂线之间的夹角

一般为6度到8度

主销内倾之后

主销延长线与地面交点

到车轮基地点之间的距离

有个横向距离

我们称之为主销偏置距

适当的减小主销偏置距

可以减小转向阻力距

以及转向能

传到方向盘上的冲击力

主销后倾如何产生

对于非独立悬架车架来说

改变转向节主销轴线

与轮轴直线的夹角

就决定了主销的内倾角

而对于非独立悬架来说

比如说图中的双横臂式独立悬架

改变上下摆臂

外球到销之间的横向距离

就可以改变主销内倾角

主销内倾角有什么作用

假设说我的车轮能够旋转180度

当你转主销后倾之后

在车轮的转向过程中

车轮就会视你主销为径向

会转到地下去

但是由于路面是硬路面

所以在重力的作用下

将车轮会抬起

因此在主销后倾之后

依靠重力就会产生回震作用

因为重力在汽车静止状态下

也会存在

所以依靠重力产生的回震作用

我们也称为静态回震

主销内倾的另外一个作用

主销内倾之后

横向偏置距会减小

这就会使得转向比较轻便

也可以减少路面

对方向板的冲击

这里给出了主销偏移距的大小

通过改变主销内倾角的大小

可以得到零主销偏置距

正主销偏置距和副主销偏置距

对于前置前驱车辆来说

通常会采用主销偏置距

小于零的这种情况

它有什么好处

前置前驱车辆

一般采用X型制动管路

也就是说右前轮和左后轮

共用一条制动管路

左前轮和右后轮

共有一条制动管路

制动的时候

由于制动减速的存在

使得前轮的附着重量增加

后轮的附着重量减小

也就是制动时

前轮的制动力

要大于后轮的制动力

假设当连接右前左后车轮的

制动管路发生漏油的时候

这时候的制动力矩 也就是

前轮的制动力

与后轮的制动力之差

与轮距宽度的一半之极

使得汽车沿着轨迹1运动

我们由于采用了主销负的偏置距

前轮的制动力会使得左前轮

沿着轨迹2的方向行驶

这样综合的结果

就是使得车轮能够维持直线

轨迹3的方向运动

所以对于FF型车来说

采用负的偏置距

对制动时的直线行驶稳定性

有一定的好处

原则上来说

主销偏置距最好是负值

但是这势必要增加主销内倾角

而过大的内倾角对转向操纵不利

因此许多车辆的主销偏置距

仍然为正值

下面介绍主销外倾角

主销外倾角就是从前后方向看

车轮对称轴线与地面垂线之间

有一个夹角

早期由于排水的需要路面成弓形

而为使得车轮与地面垂直

车轮必须外倾

现在道路排水设施完善

路面相当的平坦

传统意义上的车轮外倾角

已经没有必要

但是业内普遍认为

车轮适量的外倾对车辆是有益的

它的作用对重型车辆和轿车来说

有所不同

对于中大型商用车而言

主销外倾可以避免

满载时出现车轮内倾

而导致的轮胎异常磨损

还可以避免

车轮压向外端小轴承

而造成了危险情况

而对于轿车来说

由于轮胎载荷不大

适当的车轮负外倾可以减小

高速转向时车轮的侧倾

保持外侧车轮垂直于地面

而过大的车轮正外倾

可以加剧轮胎外侧的磨损

而过大的车轮负外倾

会加剧轮胎内侧的摩擦

下面我们分析一下车轮前束

所谓车轮前束

就是从俯视图上看

两侧车轮前端向内收拢

也就是我们常说的内八字

车轮前束有两种操作方法

一是测量左右两侧车轮

轮辋后端与前端的距离差

二是测量轮胎的前束角

也就是轮胎的对称中心线

与车辆总轴线之间的夹角

这两种方法

从测量的简便性角度来说

测量距离差比较方便

而测量角度比较困难

因为轮胎对称中心线

和车辆总轴线

都是一个虚拟的直线

而且这个角度很小

所以测量比较困难

但是测量困难

为什么还有人采用

它的合理性到底在什么地方

我们可以看一下这张图来说

用红线表示的定位前束关系

可以保证前后的距离差

但是对于每个车辆来说

它的定位关系

早已偏离了它的厂家规定值

所以用前束角

来表示车轮的前束

虽然测量困难但是它更为合理

车轮定位有什么用

它可以抵消车轮外倾

所形成的滚轴效应

避免车轮的变管变化现象

所谓的车轮外倾

造成了滚轴效应

就是车轮外倾时

要求轮轴与地面倾斜一个角度

这样车轮滚动的过程中

两侧的车轮势必要向两侧滚开

但是由于车身结构横拉杆的作用

两侧车轮要维持直线行驶

所以在向两侧滚动

与直线行驶之间有一个距离差

所以我们事先

让车辆的前端往前收拢

这样就可以避免车轮外倾

造成的滚动效应

由于车轮负外倾和转向轮

作为驱动轮的情况存在

所以车轮前束的确定

需要综合考虑多方面的因素

第一方面就是驱动形式

与偏置距的关系

驱动力与行驶阻力错位

而产生前轮前张

就可能驱动力与行驶阻力的错位

而产生前轮的前束

另外在正偏置距的情况下

对于从动轮应该有正的前束

而对于驱动轮应该有负前束

或适当减少前束值

而在负偏置距的情况下

对于从动论应该有负的前束

或者适当减少前束值

对于驱动轮应该有正的前束

第二方面考虑的因素

就是轮胎的磨损

过大的车轮正前束

可能造成车轮的外侧磨损

而过大的车轮前张

也就是车轮负前束

可能造成轮胎内侧的过度磨损

考虑的第三个因素

就是滚动阻力

研究表明前束值每增加10分

滚动阻力就会增加1%

所以对于前置后驱车辆来说

它的前束值一般在15分左右

而对于前置前驱车辆

它的前束值在0分左右

还需要说明的是

在车轮跳动的过程中

前束值的变化

比前束值更为重要

这是在使用和设计过程当中

应该注意的问题

一般车子的前束

可以通过调整横拉杆的长度

来进行改变

下面介绍后轮定位角

对于前置前驱车辆来说

常采用纵臂式后悬架

后轮会因驱动力和滚动阻力错位

而有前张的趋势

因此这类车型上后轮常有前束角

一般为8分左右

和外倾角-1度左右

通过采用后轮前束和外倾角

一方面可以抵消高速行驶

前驱动力较大时

前轮出现的前张情况

同时后轮负外倾

还可以增加车辆

接地点之间的跨度

对汽车的横向稳定性有好处

对于后轮前束和外线脚

因为悬架结构的关系

有的车上可以调整

有的车上不可以调整

图示的是大众速腾的汽车后悬架

可以通过调整天线螺栓

来改变悬架上下摆臂

和前后摆臂之间的相对位置关系

从而改变后轮的外倾角和前束值

同学们可以分析一下

这辆三轮车有什么特点

为什么这辆三轮车的

后旋角和前束如此之大

下面分析一下四轮定位

在四轮定位上有两个参数

一个是推力线 一个是推力角

推力线也就是车辆的

几何行驶轴线

它是后轮总前束角的角平分线

推力角

就是推力线与车辆纵向对称线

之间的夹角

如果推力线偏向汽车中心线左侧

则推力角为负值

如果推力线偏向汽车中心线的右侧

则推力角为正值

正确的推力线和推力角

是四轮定位的基础

不正确的推力线和推力角

可能引起如下问题

一是定位问题

如果推力线偏左

行驶时车辆可能向右跑偏

另外方向会造成方向盘不对中

汽车斜向行驶

也可能引起汽车不足或者过度转向

推力角不正确

还可能加剧轮胎的磨损

这种磨损

与车轮前束造成的磨损像类似

再来看一下车轮定位不了

所引起的后果

如果车轮外倾角过大

就会使得轮胎外侧磨损加剧

悬架配件也会造成磨损

如果是左右两侧外倾角不相等

就会使得直行时

汽车向大外倾角一侧方向偏驶

对于前束角

如果前束角过大

车轮外侧就会形成羽毛状的磨损

方向盘会漂浮不定

如果前束角前张过大

也就是负前束角

轮胎内侧会产生羽毛状的磨损

方向盘也会漂浮不定

这里给出了外倾角不合适

而造成的轮胎一侧磨损的情况

以及车轮不正确造成的

轮胎羽毛状磨损情况

如果主销后倾角过大

就会使得转向时

方向盘过于沉重

而主销后倾角过小

会使得直线行驶时

方向盘漂浮不定

转向后方向盘不能自动回震

如果是左右两侧

主销后倾角不相等

就会造成车辆的跑偏

直线行驶时车辆会

向着小后倾斜的方向偏斜