汽車轉向輪定位參數的作用

李耀超，馬化海，張文新，孫英會

（中國一汽技術中心，吉林 長春 130011）

汽車轉向輪定位參數的作用

李耀超，馬化海，張文新，孫英會

（中國一汽技術中心，吉林 長春 130011）

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

轉向輪；定位參數；簡化示意圖

引言

汽車轉向輪定位參數直接影響著汽車的操控性和行駛穩定性。目前，已有很多文章將四輪定位參數對汽車行駛性能的影響進行了詳盡的敘述[1,2]。然而單純的文字闡述很難讓讀者直觀的理解每個參數如何影響著車輪的運動及車身姿態。本文利用大量的簡化示意圖通過圖文結合的方式來說明四種參數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、清晰的理解轉向輪定位參數的作用及意義。

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“八”字形張開時稱為負外傾，而呈現“V”字形張開時稱正外傾。正、負外傾角要根據車型，車輛用途等具體情況進行設定，它們都有各自的優缺點。

圖1 重載前后外傾變化示意圖

當汽車受重載時，車輪頂部會有向內傾斜的傾向，如圖1（a）所示，在正外傾角的設定下外傾角γ會減小，輪胎與地面之間形成更好的接觸進而輪胎的磨損減小，延長輪胎使用壽命，提高輪胎的抓地力；而如果車輪設定為負外傾角在該種工況下外傾就會進一步變大由γ變成γ+γ’（如圖1（b）所示），這樣不但會加劇輪胎的磨損，同時也會大大降低輪胎的抓地力。

然而，負外傾角的設計卻可以提升高速轉彎時車輛的穩定性。車輛在高速轉向時，由于離心力作用，車輛會向外傾斜，此時，如果外傾角為正，如圖 2(a)所示，其正外傾的角度就會進一步增加，從而加大外側懸架的負荷和外側車輪的變形與磨損，導致外側輪胎抓地力降低，而在轉彎過程中外側輪胎為轉彎提供更多的轉向動力，進而轉向性能變差[2]。而在負外傾角的設定下，轉向時外側車輪外傾角減小，如圖2(b)所示，成零外傾或正外傾，降低車輛的傾斜度，減小外側輪胎的磨損，提升輪胎抓地力，提高轉向穩定性。為了提高過彎穩定性，負外傾角的設計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 轉彎前后外傾變化示意圖

此外，正外傾角的設定會減少主銷內偏距，進而減小轉向操縱力，使車輪轉向變得輕便。汽車轉向時車輪的轉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，產生的轉向力矩就越小，所需要的轉向操縱力也越小。如圖3所示，車輪的正外傾角讓輪胎接地點向內收縮，從而使偏距由C減小至C’，轉向也因此變得輕便。

圖3 正外傾角對車輪偏距的影響

正外傾角的設定還可以減輕輪毅外軸承負荷，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地產生一個迫使車輪沿軸線向內的分力F2，有助于防止車輪脫滑。而負外傾角會使得分力F4方向沿車輪軸線向外，如圖4(b)所示，進而增大輪毅外軸承負荷，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傾，減輕輪轂外軸承負荷。正外傾角還可以減小轉向節上的負荷，防止轉向節彎曲。

圖4 正負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。車輪前端向內側傾斜為正前束；車輪前端向外傾為負前束。

車輪前束的設計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生的輪胎的側滑。無論是正前束還是負前束的設計，其目的都是通過外傾與前束相互制約使汽車行駛時車輪的側向滑移和輪胎的磨損都減到最小。

如圖5（a）所示，以左前輪運動狀態為例，當前輪只有外傾角γ時，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）所示運動軌跡不是直線而是向外的圓弧。

圖5 左前輪僅有外傾時運動示意圖

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

圖6 左前輪僅有前束時運動示意圖

又由于車輪受到轉向軸，轉向橫拉桿等懸架結構的約束，車輪只能按汽車給定的方向直線行駛，因此在單獨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，增加了輪胎的磨損。以左前輪為例，圖 7(a)是在只有外傾時，車輪受懸架結構約束的影響，在地面上的運動軌跡，運動軌跡；而圖7(b)是只有前束時，車輪在地面上的運動軌跡。

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平面內滾動，前束與外傾之間需要有特殊的設定關系。

前輪在外傾與前束共同作用下的運動示意如圖8所示，為汽車行駛方向，O2為前輪只有外傾時車輪做錐體運動的錐頂， O3為前輪只有前束時，車輪作錐體運動的錐頂，O為輪胎與地面接觸印記的中點。由圖分析可知，假設車輛直線行駛時，前輪外傾角和前束角恒定不變，弧和有公切線AG，當前輪從 O點開始沿著的方向運動時，如果只考慮外傾的影響，那么前輪將沿著弧運動，設在某一瞬間Δt內，滾動距離為弧長；而僅僅考慮前束影響時，前輪將沿著弧運動，在同一瞬間Δt內，滾動的弧長為，而實際上前輪在向前運動過程中，在Δt瞬間內既沒有到達C點，也沒有到達E點，而是分別從C、E兩點側滑到D、F兩點。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OX和OG的夾角等于前束角，輪胎的側滑量最小[3]。

圖8 左前輪在外傾、前束共同作用時的運動分析

現代汽車前輪外傾角減小（甚至為負）前輪前束也應相應減小（甚至為負）。而前束與外傾角匹配不當時，會使轉向輪相對地面發生偏左或偏右的側向滑動，即轉向輪側滑。

目前，國內外對于汽車外傾和前束的合理匹配關系的研究仍處于探索階段，沒有統一定論，衡量外傾角與前束匹配是否合理，只能通過反復側滑試驗來確定[4]。

3 主銷內傾角的作用

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

如圖9所示，主銷具有內傾角β后，當轉向輪在外力作用下由中間位置偏轉一定角度時，車輪繞主銷軸線旋轉相應的角度，車輪的最低點將陷入地面以下h處，但事實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高度。

圖9 主銷內傾作用原理示意圖

當車輛轉彎時由于主銷內傾，車輛前部被抬起，那么整個車就像停在一個斜坡上，車應該向后滑移，而實際上車沒有后移，就是因為地面給車輪一個向前的摩擦力 F，設該摩擦力作用點到主銷軸線的距離為 C，進而形成回正力矩M=FC，在車輛轉彎時，如圖10所示，由于內側車輪轉向角Δ2大于外側車輪轉向角Δ1，故內側被抬起的高度大于外側，所以內側的車輪受到地面的摩擦力 F2大于外側車輪受到的地面的摩擦力 F1，內側的力矩 M2=F2C大于外側的力矩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]。

同理低速直行時偶遇路面沖擊，車輪發生偏轉，主要依靠內傾角的回正作用使車輪回到直線行駛時的位置。

圖10 主銷內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，主銷軸線上端略向后傾斜，在縱向垂直平面內，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定性，并使汽車轉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向阻力，轉向后可能因方向盤回正過猛而出現打手現象。車速較高時，如果后傾較大，行駛轉向力矩過大還會引起擺振。

圖11 主銷后傾結構示意圖

如圖11所示，主銷具有后傾角時，主銷軸線的延長線與路面的交點B位于輪胎與地面接觸點A的前面。汽車轉彎時做圓周運動，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。向心力F對車輪形成繞主銷軸線作用的回正力矩為M=FL，其方向與車輪偏轉方向相反。當駕駛員放松方向盤時，車輪僅受回正力矩M的作用，所以車輪自動恢復到原來的中間位置。此時汽車做直線運動，向心力F自動消失。

通過物體做圓周運動的規律可知，運動速度越快，需要的向心力越大，即汽車轉彎速度越快，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是由地面摩擦力產生的，所以當摩擦力大于F時，可以正常轉彎；當摩擦力小于F時，汽車不能正常轉彎，將發生漂移，所以在有水和冰雪的路面上由于摩擦力下降，汽車轉彎速度不易過快。

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

根據以上分析可知，主銷內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定性；而區別在于主銷內傾的回正作用與車速無關，低速時內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，高速時后傾的回正作用起主要地位。

5 結束語

良好的四輪定位參數設計是使車輛具有良好的操控性和穩定性的基礎，需要大量的設計，計算和試驗來驗證。本文僅對轉向輪定位參數的作用及意義進行了簡化的解釋和說明，而在四輪定位參數中，參數與參數之間，前輪與后輪之間的影響更為復雜；此外，汽車在運動過程中又涉及到四輪定位參數的變化，則需要更加深入的理論和分析才能進行解釋和說明。

[1] 陳科利, 邢贊. 汽車轉向輪定位參數及檢測原理.[J]. 汽車實用技術, 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].重慶科技學院學報：自然科學版,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].農業工程學報, 2003(6):139-142.

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

[5] 朱花. 汽車前輪定位之—主銷后傾和主銷內傾工作原理詳解.[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 文獻標識碼：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，現就職于中國一汽技術中心試制部。