乘用車四輪定位參數設計

王凱 李海龍 王明 羅誠 張連飛 劉澤毅

優跑汽車技術（上海）有限公司 重慶市 401120

1 引言

四輪定位參數是汽車底盤性能的核心指標，通過參考競品車設定，在側向力外傾、側傾外傾、轉向外傾等關鍵KC 性能指標與競品車存在差異時，參考設定的四輪定位參數就很難到達理想的底盤性能，甚至可能導致輪胎異常磨損。因此四輪定位參數正向設計和驗證意義重大。

2 外傾角設計

路面為了排水而設計成拱形，車輪采用正的外傾角最初目的是為了跟拱形路面垂直從而減少輪胎磨損。外傾角設計是四輪定位設計的核心之一，然而外傾角并不是簡單的垂直拱形路面即可。商用車載重大時，需要考慮加載后整體車橋受力變形導致的負外傾變化。乘用車為了保證高速過彎穩定性，通常采用負外傾設計，以補償受側向力以及側傾等導致車輪正外傾變化。

乘用車后懸架（非轉向輪）以在側向加速度0.4g 左右時保持全胎面接地，即外傾角0°為目標，根據KC 特性導致的外傾角變化反推得到初始外傾角。轉彎時載荷轉移導致外輪受力大，因此主要考慮外側。某車設計載荷（半載）下后懸架外輪外傾角計算過程如下：

式中：α為半載下的初始外傾角、α為側向力導致的外傾角變化、α為側傾導致的外傾角變化，Fy 為側向力，△α為側向力外傾變化梯度(Lateral Force Camber change)，單位deg/kN,此處取正值，為車身側傾角度，△α為側傾外傾變化梯度（Roll camber）,單位deg/deg，此處取正值，m 為載荷轉移后的外輪輪荷，C 為側傾角梯度，單位deg/g。

本文采用roll camber 計算，也可用側傾時外輪的懸架跳動量與bump camber 計算。

整備初始外傾角：

式中：α為整備下的初始外傾角，T為整備到半載時的輪心上跳量，△α為垂跳外傾變化梯度（bump camber），此處取負值。

后輪外傾角設計主要考慮側傾外傾和側向力外傾變化，而前輪（轉向輪）在轉彎時車輪轉角大，故需考慮繞主銷旋轉導致的轉向外傾變化（steer camber）。

外傾隨轉角變化公式：

式中：α為轉向外傾變化，β 為主銷內傾角，γ 為主銷后傾角,δ 為車輪轉角。

然而前輪轉角取多大卻很難確定！從客戶日常使用情況看，側向加速度極少超過0.4g。中速轉彎比高速（≥100km/h）轉彎達到0.4g 的概率更多，如從高速公路行駛到匝道沒有及時降低到限定車速時側向加速度較大。而高速公路正常變道時方向盤轉角很小，通常5°以內，對應加速度也小。查詢《公路路線設計規范》，轉彎路面60、70km/h對應的最小轉彎半徑為75、90m，側向加速度為0.38、0.43g。按照60km/h 設計的高速匝道一般最小半徑為150m，60km/h 對應側向加速度0.19g，87km/h 對應0.4g。

轉角取平均值2°時，轉向外傾變化為：

上述僅僅是中速0.4g 對應的轉角，是否具有代表性呢？接來下我們看看全行程時外傾角變化。圖1 是主銷后傾角5°，內傾角13.5°時，外輪外傾角隨車輪轉角的變化曲線。

圖1

從整個轉角范圍來看，外傾角變化可達-0.9°，與前面的-0.2°差異較大。由于此處缺乏太嚴謹的數據參考，故建議轉向外傾角變化取全行程的平均值-0.58°。

通常考慮側向穩定性，前輪要先于后輪失去抓地力，或者前后同時失去抓地力。加上前輪為轉向輪，外傾太大容易加快磨損。基于此，前輪外傾角建議以0.3g 側向加速度時外傾角為0 去設計。

前輪半載外傾角計算：

前輪整備時初始外傾角：

普通乘用車在0.3～0.4g 左右全胎面著地，既可以保證較大側向加速度下輪胎抓地力，又可以兼顧主要駕駛工況下輪胎的壽命。偏運動風格可以在更大側向加速度下讓輪胎全胎面接地。

初始外傾角太大，使得滿載時負外傾更大，如果經常滿載行駛容易導致輪胎偏磨。另外負方向太大容易導致冰雪等低附路面抓地力變差，附著系數低，側向力小，從而側向力外傾變化小；同時車輛側傾小，側傾外傾變化也很小，也就是說側向力和側傾導致的外傾角變化很小，因此低附路面的抓地力主要受初始靜態外傾角的影響。故初始外傾角設定建議考慮低附路面的抓地力，開展冬季試驗驗證，高附為主，同時兼顧低附。

整備狀態下，后輪外傾角常見范圍為-1～-1.8 °，舒適性的車建議取-1～-1.5 °，而運動風格建議取-1.5～-1.8°。前輪外傾角通常范圍為-0.2～-1°，偏運動風格車型可以取絕對值偏大的范圍。當側向力外傾、側傾外傾和轉向外傾變化時，初始外傾角也會變化，總之以0.3、0.4g 左右側向加速度時保持全胎面著地為目標去設計外傾。

3 前束角設計

前束角ψ 最初目的是為了補償外傾角產生的跑偏趨勢，因此有理論認為外傾和前束導致的輪胎側滑量要相互抵消，即負的外傾角對應負的前束角。也有理論認為前束角*側偏剛度=外傾角*外傾剛度，即外傾產生的側向力和前束產生的側向力相互抵消，同樣也是負外傾（側向力朝內）對應負前束（側向力朝外）。

實際與上面對應不太好:1、從統計數據看目前大部分車前后懸架都是負外傾角和正的前束角，按照上述兩條理論應該是負外傾角對應負的前束角，而后軸負前束容易過度轉向；2、統計數據看后輪/前輪外傾角=2.9，后輪/前輪前束=1.1，差2.6 倍。輪胎側偏角小時，側偏剛度、外傾剛度與載荷關系較線性，按照第二條理論，后輪/前輪外傾角≈后輪/前輪前束，與統計數據吻合不好；3、如果完全抵消，轉向系統沒有預載，轉向響應將變慢。

個人認為前束設計主要基于輪胎磨損、轉向響應和不足轉向特性這三點考慮。希望在主要的行駛工況下前束在0 附近，束值太大，容易導致輪胎磨損。為了不足轉向、增強穩定性，采用前面負前束，后面正前束設定。而為了提升轉向響應，營造運動感，也可反過來設定。也可以前后都設置正前束，讓前懸架響應快，而后懸架比較穩。

某車為了穩定性，設計載荷（半載）下，前后懸架前束設定為-3′和9′。計算過程如下：

式中：ψ、ψ分別為整備和半載下的前束角，T 為整備到半載時的輪心上跳量，△ψ為垂跳前束變化梯度（bump steer），通常為了不足轉向，bump steer 設定為前負后正。

后續調校過程中建議對前束角和外傾角開展評價驗證甚至優化，因為實車狀態和設計難免出現差異，且調校時部分參數調整后會影響前束外傾，如彈簧剛度影響懸架行程，控制臂襯套剛度影響側向力外傾等等。

4 主銷后傾角設計

主銷后傾角γ 等相關術語如圖2 所示：

圖2

輪心處主銷拖距通常為0±5mm。而地面處主銷拖距受輪胎半徑和主銷后傾角影響，通常為20～40mm。

主銷后傾角大，拖距大將導致轉向負載大，在助力足夠的情況，建議后傾角大一點，以增加轉向時力的建立感。

主銷后傾角越大，外側車輪轉彎時負外傾變化越大，有利于提升前輪抓地。圖3 是主銷內傾角為0°時，不同主銷后傾角設置時外傾角隨車輪轉角的變化。

圖3

主銷后傾角越大，同樣的輪心處主銷拖距和輪胎半徑前提下，地面處的主銷拖距就越大，有利于高速回正。

對HPS 車輛來說轉向系統缺少主動回正功能，主銷后傾角需要大一點以降低跑偏概率，建議≥4°。另外HPS 系統阻尼較小，后傾角太大時，高速回正工況回正速度將過快，超調大且收斂慢，建議≤6°。EPS 有主動回正功能，且轉向系統阻尼和逆向摩擦力較大，故后傾角范圍相對可以略大一些，為了減少跑偏、減少對其它系統設計和制造精度要求還是建議≥4°。主銷后傾角過大也會帶來側向風敏感和轉向系統沖擊載荷大等問題，建議主銷后傾角≤8°。

對麥弗遜懸架來說，主銷上點、減振器和下控制臂布置一起決定了縱傾中心，后傾角還需要聯合制動點頭、縱向沖擊等多維度綜合考慮設定。

綜上主銷后傾角，HPS 建議4～6°，EPS 建議4～8°，運動風格取上限。

5 主銷內傾角設計

主銷內傾角β 等相關術語如圖4 所示：

圖4

在最初沒有轉向助力時，主銷內傾有利于減小主銷接地點到輪胎接地印記中心距離，降低轉向手力。主銷內傾角有利于低速回正；同主銷后傾角一樣，會影響轉向負載。

主銷布置時需要同時兼顧接地點的主銷偏置距和輪心處的主銷偏置距。考慮在左右附著系數不一樣的路面制動時的穩定性，接地點處主銷偏置距通常設置為負值，以彌補制動跑偏趨勢，麥弗遜懸架其值常見范圍為-20～-5mm。但負方向也不宜過大，否則彎道制動時，前輪正前束大，車輛容易卷入而失穩。輪心處主銷偏置距主要影響前驅車扭矩轉向以及車輪均勻性、制動盤DTV 大導致的方向盤擺振問題，麥弗遜懸架其值通常要求≤70mm。

麥弗遜懸架設計時考慮輪距帶寬、輪胎輪輞帶寬、防滑鏈等平臺化需求，希望主銷內傾角大一點走上極限，但是太大會導致彈簧、減振器等杠桿比降低，且要占用較多前倉Y 向內部空間。

主銷內傾角越大，在轉彎時導致外側車輪正外傾變化越大，不利于提升前輪抓地。圖5 是主銷后傾角為0°時，不同主銷內傾角設置時外傾角隨車輪轉角的變化。

圖5

對麥弗遜懸架而言，主銷上點、減振器和下擺臂的布置影響側傾中心高度，前懸架側傾中心高度一般≤120mm。側傾中心高度對側傾控制、輪距變化等等影響巨大。

在輪胎一定、地面處及輪心處主銷偏置距處于合理范圍內情況下，基本確定主銷內傾角大致范圍，根據輪輞半徑、制動盤Y向位置、擺臂與半軸間隙、上跳及轉向行程等，可以進一步鎖定控制臂外點（主銷軸線的下點）位置范圍；再根據彈簧、減振器行程以及側傾中心高度、虛擬擺臂長度等指標基本可以把內傾角鎖定在一個較小的范圍。最后根據布置和性能取舍最終選擇要想的角度。

綜上麥弗遜懸架主銷內傾角常見范圍是11～14°，而雙叉臂懸架尤其是高位雙叉臂設計自由大，可以把主銷內傾角做小。

6 結語

充分理解四輪定位參數對各個性能的影響，熟悉對周邊布置的需求，根據車型的定位進行取舍，可以在前期有效的設定四輪定位參數；在后期調校中開展外傾和前束的驗證優化，能夠最大程度得發揮底盤性能。