試論汽車構造與操縱穩定性的關系

張谷雨

（中國人民解放軍軍事交通學院，天津 300161，中國）

試論汽車構造與操縱穩定性的關系

張谷雨

（中國人民解放軍軍事交通學院，天津 300161，中國）

隨著汽車的普及，人們對汽車的要求越來越高，在獲得良好的動力性和經濟性的同時，還要求具有良好的操縱穩定性。在汽車操縱穩定性的研究中，前輪外傾、主銷后傾、主銷內傾、前輪前束的變化趨勢，對汽車的穩定性有重要影響。

汽車；操縱穩定性

1 操縱穩定性概述

通常認為汽車的操縱穩定包含兩個互相聯系的部分，在不能過分地降低汽車的行駛車速或造成駕駛員過分緊張和疲勞的條件下滿足：（1）根據路面、地形和交通情況的限制，汽車能夠正確地遵循駕駛員通過操縱機構所給定的行駛方向，這主要指操縱性。（2）汽車在行駛過程中具有抵抗可能改變其行駛方向的各種干擾，并保持穩定行駛的能力，這主要指穩定性兩者很難斷然分開，穩定性的好壞直接影響操縱性的好壞，通常兩者統稱為操縱穩定性，并定義為：駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能夠遵循駕駛員通過轉向系統及轉向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車抵抗干擾而保持穩定行駛的能力。

2 汽車轉向系統與操縱穩定性

2.1 汽車轉向系統的作用

汽車上用來改變或恢復其行駛方向的專設機構稱為轉向系。汽車在行駛過程中經常需要改變行駛方向(即轉向)時，駕駛員通過汽車轉向系使汽車轉向橋(一般是前橋)上的車輪(轉向輪)相對于汽車縱軸線偏轉一定角度。另外，當汽車直線行駛時，轉向輪往往會受到路面側向干擾力的作用而自動偏轉，改變了汽車原來的行駛方向。此時，駕駛員可以通過汽車的轉向系統使轉向輪向相反的方向偏轉，恢復汽車原來的行駛方向。

2.2 汽車轉向系統的組成

盡管現代汽車中轉向系的結構形式多種多樣，但都包括轉向操縱機構、轉向器（齒輪齒條式、循環球式、蝸桿曲柄指銷式）和轉向傳動機構三個基本組成部分。

轉向操縱機構是駕駛員操縱轉向器的工作機構，主要有轉向盤、轉向軸、轉向柱等組成。轉向器是將轉向盤轉動變為轉向搖臂的擺動或齒條軸的直線往復運動，并對轉向操縱力進行放大的機構。轉向器一般固定在汽車車架或車身上，轉向時，操縱力通過轉向器后一般還會改變傳動方向。從轉向盤到轉向傳動軸這一系列的零件和部件，均屬于轉向傳動機構。

（1）轉向器的影響

汽車行駛時，駕駛員對汽車行駛方向的改變是通過操縱方向盤來實現的，轉向盤的性能直接影響汽車的操縱性。轉向器常見的故障有游隙過大和轉向沉重。轉向器游隙過大會造成前輪擺頭現象。轉向器游隙過大的原因是：轉向器蝸桿軸上下軸承間隙過大；擺臂軸上的雙銷與蝸桿嚙合間隙過大：轉向垂臂軸緊固螺栓松動。轉向沉重會使操縱系統不易控制。造成轉向沉重的原因是：轉向器缺油；轉向軸因彎曲或軸管癟而互相碰擦；轉向搖臂軸與襯套配合間隙過小；蝸桿與滾輪傳動副嚙合間隙過小；轉向器蝸桿上下軸承調整過緊或軸承損壞。

（2）轉向傳動機構的影響

轉向傳動機構是將轉向器傳來的力經該機構傳向車輪，并使左右轉向輪同時朝一個方向偏轉一個角度，以保證實現汽車轉向。轉向傳動機構由轉向垂臂、轉向縱拉桿、轉向節臂、梯形臂、轉向橫拉桿及球頭銷等組成。傳動機構出現故障會使汽車失去控制，造成交通事故。常見的故障有：轉向拉桿球頭銷裝配不適（過緊或松曠），轉向節主銷與襯套配合不符合標準，轉向節止推軸承間隙不符合標準；間隙過大會導致汽車中速擺頭，而配合過緊或缺油會使汽車轉向沉重。

3 懸架系統與操縱穩定性

3.1懸架系統作用

汽車懸架是汽車重要的組成部分，它是連接車輪與車架的彈性傳力裝置。不僅承受作用在車輪和車體之間的力，還可以吸收與緩和汽車在不平的路面上行駛時，所產生的振動和沖擊，從而提高乘坐的舒適性，延長機件的壽命。

3.2 懸架系統的組成

現代汽車的懸架盡管各有不同的結構形式，但一般都是由彈性元件、減振器和導向機構三部分組成，這三部分分別起緩沖、減振和力的傳遞作用。轎車上來講，彈性元件多采用螺旋彈簧，它只承受垂直載荷，緩和不平路面對車體的沖擊，具有占用空間小，質量小，無需潤滑的優點，但沒有減振作用。采用減振器是為了吸收振動，使汽車車身振動迅速衰弱（振幅迅速減小），使車身達到穩定狀態。減振器指液力減振器，是為了加速衰減車身的震動，它是懸架機構中最精密和復雜的機械件。導向機構在輕型汽車中，也是連接車架（或車身）與車橋（或車輪）的結構，除了傳遞作用力外，還能夠使車架（或車身）隨車輪按照一定的軌跡運動。傳力裝置是指車架的上、下擺臂等叉形鋼架、轉向節等元件，用來傳遞縱向力、側向力及力矩，并保證車輪相對于車架（或車身）有確定的相對運動規律。

3.3 懸架系統對操縱穩定性的影響

懸架的作用是把車架與汽車前后橋連接在一起，并使車輪在行駛中所承受的沖擊力不直接到車架，以免引起車身的劇烈震動而加速機件的損壞。減振器的作用是當鋼板彈簧變形時，能迅速消減其震動，使汽車平穩行駛。如果懸架出現故障，如鋼板彈簧剛度不一，減震器失效，則會出現前輪擺頭或行駛跑偏，嚴重影響操縱穩定性。

4 前輪定位參數與操縱穩定性

車輪定位有主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角和前束四個幾何結構參數，在汽車行駛中起著重要作用。

4.1 主銷后傾角γ

圖1所示，轉向節主銷軸線或假想的主銷軸線(某些獨立懸架的汽車無實際主銷)在縱向平面內向后傾斜，與鉛垂線所形成的夾角稱為主銷后傾角。主銷后傾角的作用在于當轉向輪受外力影響偏離直線行駛方向時，形成穩定力矩自動回正。

主銷后傾角的獲得一般是在安裝時，通過懸架元件相互位置來保證的。主銷后傾角的存在可使轉向軸線與路面的交會點在輪胎接地點的前方，可利用路面對輪胎的阻力讓車子保持直進，其原理就如購物推車的前輪會自動轉至你施力的方向并保持直進。由于汽車轉向輪始終是圍繞著主銷旋轉，并且前軸軸荷是通過主銷傳給車輪的，那前軸的重心就在主銷軸線和它的延長線上，由于主銷軸線的延長線與輪胎和地面的實際交點之間以保持有一定的距離，汽車轉彎時轉向輪便產生了離心力，這種離心力引起地面對轉向輪的側向反作用力作用在輪胎與地面的實際接觸點上。汽車在轉向時，不僅要克服輪胎與地面的摩擦阻力，同時也要克服這一側向反作用力。同樣汽車在行駛過程中由于種種非人為因素造成轉向輪產生轉向時，這種轉向力必須大于主銷后傾角帶來的側向反作用力，車輪才能真正實現偏轉，迫使轉向輪發生偏轉的外力消失后，側向反作用力就可以幫助車輪自動回正，這個側向反作用力就是主銷后傾角產生的回正力矩。側向反作用力矩的大小取決于主銷后傾角軸線的延長線與輪胎和地面實際接觸點的距離，以及行車的速度。主銷后傾角越大，車速越高，轉向輪自動回正的力矩也就越大。

按照國內傳統的汽車理論，主銷后傾角越大，行駛中產生的離心力就越大，防止車輪發生偏轉的反向推力就越大，所以主銷后傾角越大，汽車直線行駛的穩定性就越好。但是主銷后傾角越大，汽車轉向時所需克服的反向推力也就越大，轉向就越重，所以主銷后傾角一般不超過3°。此外，主銷后傾角對轉向輪的擺振也起到很好的阻尼作用。但過多地加大主銷后傾角也會影響汽車行駛的穩定性，在實踐中發現，超過原設計，過多的加大主銷后傾角，在高速行駛中會出現轉向發飄，左右牽引的故障。哲學上講凡事都有度，量變多了就會發生質變。主銷后傾角過大，轉向盤回正過快、過猛，超過了回正范圍，到了另一側繼續回正，如此反復就形成了高速行駛中轉向發飄、左右牽引，這時適當降低主銷后傾角即可排除故障。

4.2 主銷內傾角β

圖2所示，轉向節主銷軸線或假想的主銷軸線在橫向平面內向內傾斜，與鉛垂線所形成的夾角稱為主銷內傾角。主銷內傾角亦有使車輪自動回正的作用，同時可使轉向輕便。

主銷內傾角能幫助轉向輪自動回正。前輪是圍繞主銷旋轉的，而主銷是向內傾斜的。

主銷內傾使轉向節距地面高度降低，距地面更近，重力作用使車輛高度被降低，轉向輪在轉向時沿著傾斜的主銷作弧線運動，就和圍繞歪斜的門軸做弧線運動一樣，隨著轉向角和主銷內傾角加大，輪胎外側逐步加大路面的壓力。汽車在柏油、水泥路面上行駛時，地面比輪胎更為堅硬，輪胎不可能陷入地下。于是，轉向時輪胎外側給地面一個壓力，地面就給它一個反作用力，在地面反作用力下，轉向輪連同它所承載的汽車前部都要抬起一個相應的高度，才能使它實現轉向。

汽車完成轉向后，迫使汽車轉向的外力消失后，前輪就會在前軸軸荷重力的作用下，自動回到中間位置。從理論上講主銷內傾角越大，汽車的轉向輪和整個汽車的前半部分就抬得越高，轉向輪的回正力矩就越強，因此汽車急轉彎后，手一松方向盤，車輪就能自動回正。

4.3 轉向輪外傾角α

轉向輪安裝時并非垂直于路面，車輪中心平面與鉛垂線的夾角稱為外傾角，如圖3所示。

作用及原理：轉向輪外傾可使主銷偏移距進一步減小，因而具有使轉向輕便的作用。同時，可使轉向輪適應路面拱形，防止輪胎表面內外磨損不勻。此外，還能防止車橋承受強荷變形時出現車輪內傾，減小軸端小軸承及輪鞍緊固螺母的負荷，以延長其使用壽命。

4.4 前束

從汽車的正上方向下看，由輪胎的中心線與汽車的縱向軸線之間的夾角稱為前束角，如圖4所示。輪胎中心線前端向內收束的角度為正前束角，反之為負前束角。總前束值等于兩個車輪的前束值之和，即兩個車輪軸線之間的夾角。

前輪前束的作用與原理：車輪外傾角使車輪只有在汽車承載后才能垂直于路面，而在空載時車輪則向外傾斜，在行駛中車輪就成了錐體，左右車輪有向兩邊滾開的趨勢，但因前軸和橫拉桿又是和左右車輪相連，這就造成了車輪的滑移。為了抵消車輪向兩邊滾開的趨勢，并最大限度地消除車輪的滑移，于是設計了前輪前束，給車輪一個向內滾動的趨勢，與車輪外傾造成向外滾開的趨勢相抵消，達到直線行駛的目的。前輪前束必須和前輪外傾角相匹配，前輪外傾角越大，前束值就越大。

4.5 車輪定位參數對操縱穩定性的影響

車輪外傾角是汽車前輪定位的一個重要參數，一般盡量減少車輪相對車身跳動時的外傾角的變化，在常見的車輪跳動范圍內，其變化量控制在1°以內。最好應使車輪由下向上跳動時外傾角向減小方向變化，以確保汽車曲線行駛過程中車身側傾時，外傾車輪接近于垂直地面狀態，從而提高輪胎的側偏特性。

主銷后傾角對轉向時車輪外傾變化影響較大。假若主銷后傾角過大，則外側轉向輪的外傾角會向負方向變化。因此，當前輪主銷后傾角較大時，需增加前輪轉向所必需的橫向力，以抵消外傾推力，這樣不足轉向弱，最大橫向加速度會增大。一般認為2°到3°是合理的范圍。

主銷內傾角有利于主銷橫向偏距的減小，從而可以減少轉向時駕駛員加在方向盤上的力，使轉向輕便，同時也減少從轉向輪傳到方向盤上的沖擊力。內傾角不宜過大，否則在轉向時，車輪繞主銷轉動的過程中，輪胎與路面之間將產生較大的滑動，增加了輪胎與路面間摩擦阻力，這不僅使轉向發沉，而且加速了輪胎的磨損。

車輪跳動時的前束變化對車輛的穩態響應特性有很大的影響，是汽車懸架的重要參數之一。設計時希望在車輪跳動時，前束不變或變化幅度較小。

前束值誤差過大的危害：

（1）加大了輪胎的側滑量。跑長途時爆胎大都是由于前束值超差過多所致。汽車過側滑板時側滑量過大是由于前輪前束和前輪外傾角不合適造成的，而最常見的是前輪前束不對。不僅前輪，后輪也存在側滑問題。

新型汽車必須做四輪定位就是因為它們增加了后輪外傾角和后輪前束的設計，這其中重要目的之一就是減少后輪的側滑。正確的前束值是減少側滑、延長車輪壽命的有效方法之一。那些在胎冠和胎側交角處出現鋸齒形磨損，就是典型的前束值超差過多所致。外側胎肩處產生鋸齒形磨損說明前束值過大；內側胎肩處產生鋸齒形磨損說明出現了嚴重的反前束。無論是側滑摩擦生熱造成的爆胎，還是軟橡膠和硬地面反復摩擦造成的鋸齒形磨損，出現這些故障的車輪的前束值誤差都在15mm以上。圖5的兩條曲線分別表示了外傾角失準和前束失準對輪胎磨損的影響：縱坐標是相對磨損率，橫坐標是前束和外傾角。研究證明，在相同的時間里，前束失準狀態下輪胎磨損曲線比外傾角失準輪胎磨損曲線上升得要快。而且外傾角不當磨損的是輪胎胎冠的一側，而前束不當造成的磨損是整個輪胎胎面拉鋸齒狀的損壞，這證明前束失準造成輪胎滾動時的摩擦比地面相對滑動摩擦更嚴重。

（2）轉向器中速擺振。汽車在接近中速的5km速度范圍內出現轉向器擺振，提速或減速離開這個速度區域后擺振故障現象自然消失，這通常是前輪前束值誤差在8mm以上所致。調整前束后，故障即可消除。

（3）造成輕微的轉向偏重。前束值超過8mm時，轉向會略感發沉。如使用是循環球式轉向器會出現向左轉時沉，向右轉時輕。我國使用的是左側轉向器，這就決定了循環球式轉向器的螺桿是反扣的，向左轉時轉向螺母向上移動，上軸承受力大。向右轉向時轉向螺母下移動，下軸承受力大。循環球轉向器采用噴濺潤滑，但轉向器也是減速器，速度極低，上軸只是半干潤滑，所以它受力較大時，問題就暴露出來。前輪定位不當造成轉向沉重的最常見原因是前輪前束值和主銷后傾角，二者區別是：主銷后傾角造成的轉向沉重，同時伴有轉向輪回位差的故障；前輪前束值誤差過大造成的轉向沉重，在梯形結構轉向器中通常表現為轉向向左重向右輕，其中前輪前束值不當造成的轉向重更為明顯一些。

（4）行駛跑偏。齒輪齒條式轉向器使用兩根橫拉桿，調前束時，兩根橫拉桿調整量必須相等，否則會造成兩側車輪偏轉角度不一樣，造成行駛跑偏。為此大部分廠家都規定，前束調整完后兩根橫拉桿在前束上的差值不得大于3mm。通常前輪驅動的轎車與后輪驅動的轎車相比受前束的影響更大，這些轎車的前輪不是被推向前進，而是前輪拉著車輛前進，若是前輪前束值不正確，在冰雪濕滑路面上對方向的控制和操縱的穩定性的破壞更大，所以前輪驅動的轎車前束值更需嚴格控制。

現代汽車前輪定位參數調整方法隨著道路運輸高速化的迅速發展，世界各國汽車制造廠為適應汽車在高速公路上行駛的穩定性和舒適性要求，對汽車的懸架及轉向系統都進行了根本性的改革。尤其是乘用車，幾乎均采用了獨立懸架裝置，同時改變了單一前輪定位的傳統觀念，實行前、后車輪都有定位參數的“四輪定位”，進一步保證了車輛行駛系統的穩定性和舒適性。不同車型的懸架系統結構各異，尤其是進口乘用車，其懸架及轉向系統差異很大，因而其定位參數及調整方法也各不相同，這給汽車維修工作帶來了很大的困難。為保證檢測結果的準確可靠，在車輛檢測、調整車輪定位參數前，應首先檢測并確保下列幾點：輪胎的磨損正常、充氣壓力正確、輪轂軸承不松動；懸架或連接襯套無變形、松動；轉向桿系、球形節連接無松動；車輪動不平衡符合標準。

汽車轉向系統、懸架系統、前輪定位參數對汽車的穩定性具有十分重要的影響，通過以上闡述可以是我們明白汽車的生產使用中穩定性如何調試，從而增加汽車使用的舒適程度，從而達到了此文的研究目的。

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[1] 余志生主編：《汽車理論》，機械工業出版社，2009年版。

[2] 陳家瑞主編：《汽車構造》，人民交通出版社，2008年版。

[3] 幺居標主編：《汽車底盤構造與維修》，機械工業出版社，2004年版。

[4] 王望予主編：《汽車設計》(第4版)，機械工業出版社，2004年版。

[5] 馮永亮主編：《汽車電控底盤檢修》，中國勞動社會保障出版社，2006年版

[6] 張光裕、許純新主編：《工程機械底盤設計》，機械工業出版社，1994年版。

[7] 張光裕主編：《工程機械底盤構造與設計》，中國建筑工業出版社，1986年版。

[8] 諸文龍主編：《底盤設計》，機械工業出版社，1981年版。

[9] 陳煥江主編：《汽車診斷與檢測》，機械工業出版社，2007年版。

[10] 李白娜主編：《汽車操縱穩定性的仿真分析研究》，華中科技大學出版社，2006年5月版。

[11] 張蕾主編：《汽車電子控制技術》，清華大學出版社，2009年版。

[12] 戴胡軍、程國元主編：《豐田系列轎車維修一本通》，江蘇科技技術出版社, 2007年版。

On the relationship between automobile structure and handling stability

ZHANG Gu yu
（Institute of military traffic in The Chinese People's Liberation Army, Tianjin 300161, China）

With the popularity of automobiles, people have higher requirements not only on automotive dynamics and economics but on vehicle handing stability. On the research of vehicle handing stability, the tendency of front wheel camber, kingpin caster, kingpin inclination and front wheel toe has a significant influence on vehicle handing stability.

Vehicle; handling stability