建立“四輪定位“的新理念

◆文/山東　吳際璋

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的汽車上，轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橋三者之間的相關(guān)幾何角度位置稱“前輪定位”。它包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、前輪前束等四個(gè)內(nèi)容，而后輪無定位角度內(nèi)容。其目的是保證汽車穩(wěn)定直行、轉(zhuǎn)向輕便、減小輪胎的磨損和行駛的安全性。這種傳統(tǒng)的理念，流傳了幾十年。隨著高速公路的出現(xiàn)，汽車已進(jìn)入高速化、電控化、高檔化的技術(shù)領(lǐng)域，先進(jìn)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，日新月異的變化，車輪的定位內(nèi)容和相關(guān)參數(shù)，發(fā)生了質(zhì)的變化。乘用車率先突破舊傳統(tǒng)觀點(diǎn)，“反其道而行”的新理念，隨著行業(yè)的發(fā)展而刷新。為此，汽車界人士，知識必須更新，不能用“老皇歷“過日子了。

一、當(dāng)代乘用車底盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

當(dāng)代乘用車除電控化的結(jié)構(gòu)內(nèi)容外，其底盤的結(jié)構(gòu)內(nèi)容和使用性能，有下述特點(diǎn)。

①車速高、輪速高——與地面間的相對運(yùn)動速度高，存在急起步、急加速、急轉(zhuǎn)向、急制動等“四急工況”，對汽車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性要求高。不僅前輪有定位內(nèi)容，后輪也有定位內(nèi)容，要求“四輪定位”的差值應(yīng)小于30′。

②輪胎寬而軟——橫向的、縱向的、徑向的彈性變形量大，對汽車的操縱性、穩(wěn)定性、安全性影響力度大，輪胎的磨損量和偏磨損量也加大(如：前輪擺振等)。

③前輪多采用獨(dú)立懸架——“麥克弗遜式”(Mac Pherson)獨(dú)立懸架，它是依靠懸架系統(tǒng)中的桿件幾何形狀，來獲得合理的定位角度。因定位件和連接件及球關(guān)節(jié)多，在使用過程中磨損、松曠、變形量加大，正確的幾何定位角度易失準(zhǔn)(如：行駛跑偏問題)。

④懸架彈簧軟——車橋和車身相對位置變化量大，因其間是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的桿件和球關(guān)節(jié)件連接，相互間的運(yùn)動干涉量大，對使用性能的影響力度大(如：點(diǎn)剎車前輪擺振問題)。

⑤獨(dú)立懸架的主銷軸線不是實(shí)體——螺旋彈簧的上支點(diǎn)與下擺臂球頭銷的連線(圖1)，它是轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)動中心線，與減振器的中心線不重合，但與萬向節(jié)的球心重合，以防運(yùn)動干涉。

⑥有轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)——轉(zhuǎn)向輕便問題可保證。前輪定位參數(shù)可以打破常規(guī)，朝著更有利的功能要求方向發(fā)展(如：主銷大內(nèi)傾問題)。

⑦多系前輪驅(qū)動——轉(zhuǎn)向加驅(qū)動合為一體后，可使汽車的操縱性和穩(wěn)定性有較大的改善，轉(zhuǎn)而可使其他性能得到更合理的滿足(如：車輪負(fù)外傾問題)。

二、乘用車四輪定位參數(shù)

兩例乘用車四輪定位參數(shù)的對比如表1所示。

表1　兩例乘用車四輪定位參數(shù)對比

三、當(dāng)代乘用車“四輪定位”的特點(diǎn)

1.主銷后傾角(γ)小，有的為負(fù)值

(1)定義

主銷后傾角(γ)如圖2所示，即主銷軸線與地面垂線的后傾角。

(2)目的

主銷后傾角(γ)的設(shè)計(jì)目的如下。

①直行穩(wěn)定——由于主銷的后傾，輪胎的轉(zhuǎn)點(diǎn)A在前、力點(diǎn)B在后，行駛中，產(chǎn)生向后的拉力，若外力使車輪偏轉(zhuǎn)時(shí)，能自動回正。

②轉(zhuǎn)向后回正——車輪轉(zhuǎn)向后，由于離心力的作用，在力點(diǎn)處產(chǎn)生地面反作用力Y，進(jìn)而產(chǎn)生回正力矩M=Y×L+ΔL ，方向盤即自動回到中立位置。

(3)原理分析

主銷后傾角(γ)的原理分析如下。

①轉(zhuǎn)向時(shí)車速愈高、離心力愈大，地面反作用力Y愈大，附加力臂ΔL愈大，回正力矩M也愈大。

②回正力矩M不是愈大愈好，過大了會使方向盤回正過猛而打手，進(jìn)而加大了前輪擺振。

③前輪驅(qū)動化后，穩(wěn)定性己經(jīng)提高。又因低壓胎彈性變化量大，附加力臂ΔL大，彈性穩(wěn)定效應(yīng)大，主銷后傾角可以減小或?yàn)樨?fù)值。

④主銷后傾角的獲得，是依靠轉(zhuǎn)向節(jié)正確的安裝位置來保證，一般不能調(diào)整，只能換件維修。

2.主銷內(nèi)傾角(β)大，有的阻力臂(e)為負(fù)值

(1)定義

主銷內(nèi)傾角(β)如圖3所示，即主銷軸線與行駛垂面的內(nèi)傾角。

(2)目的

主銷內(nèi)傾角(β)的設(shè)計(jì)目的如下。

①直行穩(wěn)定——由于主銷的內(nèi)傾，轉(zhuǎn)向時(shí)前橋?qū)⒈惶穑皹蜍囍氐膭菽茏饔茫墒骨拜啅?fù)位回正，保證了低車速、小轉(zhuǎn)彎時(shí)前輪回正直行。

②轉(zhuǎn)向輕便——使阻力矩的力臂(e)減小，轉(zhuǎn)向輪呈錐體轉(zhuǎn)動，一般(e)為+30～40mm，轉(zhuǎn)點(diǎn)在垂線內(nèi)為正值；轉(zhuǎn)點(diǎn)在垂線外為負(fù)值。力臂(e)又叫“揉搓半徑”Serub Radius，可見，加大內(nèi)傾角使力臂(e)愈小愈好，即為錐體轉(zhuǎn)動。

(3)原理分析

主銷內(nèi)傾角(β)的原理分析如下。①內(nèi)傾角加大，轉(zhuǎn)向輪的回正作用好。但會使前橋垂直位移量加大，在大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時(shí)沉重，對于無轉(zhuǎn)向助力的汽車是不利的。“揉搓半徑”e的減小，還有利于減小輪胎的磨損，它們是相互矛盾的兩個(gè)方面，有利有弊。②當(dāng)前乘用車多采用大內(nèi)傾角(10°～15°)，其力臂多為負(fù)值(-e)，即轉(zhuǎn)點(diǎn)在垂線之外，-e多為-10mm。這是為了提高行駛安全性和制動效能，即保持前后橋制動力比值不變，和提高附著力的利用率，多采用雙管路對角排列的制動管路系統(tǒng)。為了防止一條制動管路損壞，不產(chǎn)生“制動跑偏”，和一側(cè)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)或爆胎，失去了牽引能力，不產(chǎn)生“行駛跑偏”等危險(xiǎn)事故。此時(shí)，完好車輪的一邊產(chǎn)生抗偏力矩M=Fb×(-e)；或M=Ft×(-e)。起到了方向盤不必轉(zhuǎn)動，自動保持直線行駛的功能。可見，-e的存在挽救了不少的生命，國外又叫它為“安全半徑”(Relief Radius)。如果發(fā)生了上述危險(xiǎn)事故，應(yīng)把握好方向盤，緩慢減速停車，保證安全無恙。主銷內(nèi)傾角(β)的工作原理如圖4所示。

3.車輪外傾角(α)小，有的為負(fù)值

(1)定義

車輪外傾角(α)如圖5所示，即車輪的旋轉(zhuǎn)平面與縱向垂直平面之角。(2)目的

車輪外傾角(α)的設(shè)計(jì)目的如下。①提高車輪的安全性，使重力反力T的分力S壓向內(nèi)軸承，減小了輪轂軸承鎖緊螺帽的軸向切割力，防止了車輪飛脫。②轉(zhuǎn)向輕便，減小了阻力臂(e，揉搓半徑)。③減小輪胎的偏磨損，提高了汽車的橫向穩(wěn)定性。

(3)原理分析

車輪外傾角(α)的原理分析如下。①車輪外傾是依靠轉(zhuǎn)向節(jié)軸的下垂來獲得，不易過大，過大了會產(chǎn)生錐體滾動，橫向刮磨量加大(吃胎)；過小了，易產(chǎn)生負(fù)外傾，加重了鎖緊螺帽的負(fù)擔(dān)，車輪易飛脫。②乘用車高速轉(zhuǎn)向時(shí)離心力大，車身向外傾斜量大，使外側(cè)懸架和車輪超量變形，車輪瞬時(shí)產(chǎn)生更大的正外傾，即：“+”加“+”更外傾。又因?yàn)榈蛪浩捷喬ヲ?qū)動加轉(zhuǎn)向的緣故，輪胎偏磨損量加大。即：r內(nèi)＞r外，外側(cè)連滾帶拖；內(nèi)側(cè)連滾帶揉，瞬時(shí)純滾動的轉(zhuǎn)向功能降低。當(dāng)車輪外傾角為負(fù)值時(shí)，可使車輪在轉(zhuǎn)向時(shí)瞬時(shí)r內(nèi)外相等，即：“－”加“+”=0，減小了輪胎的偏磨損量，還使車身的傾斜量減小，提高了橫向穩(wěn)定性。③應(yīng)該說明，當(dāng)前乘用車前輪多用密封式雙排輪轂軸承，內(nèi)外尺寸相同，受力均勻，定期更換，可靠性好，車輪飛脫之事很少發(fā)生。

4.車輪前束小，有的為負(fù)值

(1)定義

車輪前束，輪距前窄后寬，如圖6所示。A-B之差，用mm或角度表示。

(2)目的

車輪前束的設(shè)計(jì)目的如下：①消除車輪外傾所造成的向內(nèi)刮磨現(xiàn)象；②減小輪轂軸承鎖緊螺帽的負(fù)擔(dān)，防止車輪飛脫；③減小輪胎磨損和燃油的消耗。

(3)原理分析

車輪前束的原理分析如下。①調(diào)節(jié)橫拉桿的長度，來獲得正確的前束，雙拉桿的應(yīng)等量調(diào)節(jié)，以保證方向盤居中。②當(dāng)前乘用車的前束多為0～5mm，前束過大會加大車輪外側(cè)的刮磨；前束過小會加大車輪內(nèi)側(cè)的刮磨，并加大了鎖緊螺帽的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，使行駛阻力加大，油耗增大。③車輪外傾和前束是“雙胞胎“，屬性應(yīng)相同，外傾為正值時(shí)；前束應(yīng)為正值。外傾為負(fù)值時(shí)；前束應(yīng)為負(fù)值。以減輕動態(tài)的橫向刮磨量(側(cè)滑量)，它是車輪外傾和前束綜合抵消后的差值，是代數(shù)和的關(guān)系，要求在動態(tài)下通過側(cè)滑板時(shí)，側(cè)滑量每公尺應(yīng)小于5mm(5mm/1m)。但應(yīng)有正負(fù)值之分，屬性應(yīng)相同，才能正確的反應(yīng)抵消合理性。

5.乘用車后輪定位內(nèi)容

乘用車后輪也有定位內(nèi)容，即后輪也有外傾和前束值。這是由于汽車高速化后，要求前后輪的重合性好，即車轍相符，減小前后輪的橫向相對滑移量，防止搖擺行駛，提高車身的橫向穩(wěn)定性。另外，可使后輪的輪轂軸承鎖緊螺帽減負(fù)，安全性得到提高。為此，乘用車就出現(xiàn)了“四輪定位”內(nèi)容，四輪定位檢測儀器就應(yīng)運(yùn)而生。