汽車前輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)

孫飛豹，毋師平

(沈陽工學(xué)院，遼寧 沈陽 113122)

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汽車前輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)

孫飛豹，毋師平

(沈陽工學(xué)院，遼寧 沈陽 113122)

本文通過對(duì)汽車前輪定位參數(shù)力學(xué)分析，論述了前輪定位結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)直線行駛穩(wěn)定性和操縱輕便性作用原理，進(jìn)而明確了設(shè)置前輪定位參數(shù)的必要性，并給出了前輪定位參數(shù)的設(shè)計(jì)原則及限值。

前輪外傾；主銷內(nèi)傾；主銷后傾；前輪前束

1 前言

汽車前輪定位參數(shù)對(duì)汽車直線行駛穩(wěn)定性、行駛安全性、操縱性、轉(zhuǎn)向輕便性及輪胎壽命影響極大，根據(jù)機(jī)動(dòng)車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),合理選擇前輪定位參數(shù)及其結(jié)構(gòu)形式、是實(shí)現(xiàn)整車綜合性能設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2 車輪外傾角α

車輪外傾角是車輪中心平面相對(duì)于垂直面的傾角。站在汽車前面向后看，如圖1所示，車輪外傾角有正、負(fù)之分。較早的車輛常具有較大的正外傾角，其目的是保證車輪垂直于當(dāng)時(shí)的表面弧度較大的單車道路面。商用車空車時(shí)車輪有外傾角要求，而當(dāng)滿載時(shí)由于前軸受載變形，車輪外傾角明顯減小。

圖1 汽車前輪定位參數(shù)示意圖

在現(xiàn)代汽車上，前輪外傾角通常為0°或+1°以內(nèi)的小角度。具有外傾角的車輪趨向于向其傾斜的方向滾動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力(外傾側(cè)向力)，它對(duì)轉(zhuǎn)向車輪具有如下兩個(gè)有益的作用：

(1)趨向于抵消由路面不平而作用到車輪上的不大的側(cè)向力。

(2)在轉(zhuǎn)向連桿系中施加一個(gè)小的側(cè)向預(yù)加載荷，有利于消除其中的間隙。

因而，其總的作用是提高汽車直線行駛的穩(wěn)定性。

3 主銷內(nèi)傾角β

主銷內(nèi)傾角β是前輪的旋轉(zhuǎn)軸線(主銷軸線)相對(duì)于垂直線的傾角，如圖1所示。在非獨(dú)立懸架前軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，確實(shí)有主銷存在，前輪在轉(zhuǎn)向時(shí)就繞著它旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸線與主銷的軸線重合。

但是在獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，不存在主銷這個(gè)零件。采用不等長雙橫臂式懸架中，主銷軸線是上、下球頭銷中心的連線；在麥弗遜懸架中，轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的主銷軸線是減振器總成的上支點(diǎn)中心和懸架橫擺臂球銷中心的連線。

主銷內(nèi)傾角對(duì)改善汽車的操縱性是有利的。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪繞傾斜的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，汽車的前部被稍稍抬起，勢(shì)能增大，有降低高度的趨勢(shì)。這樣就對(duì)轉(zhuǎn)向輪施加一個(gè)回正力矩，而且這種趨勢(shì)在汽車向前和向后行駛中都存在。在現(xiàn)代汽車中，主銷內(nèi)傾角的范圍在6°～12°之間。

4 主銷偏移距

主銷偏移距是主銷軸線與地面的交點(diǎn)和車輪中心線與地面的交點(diǎn)之間的距離，如圖1所示。主銷偏移距也有正負(fù)之分，如果偏移距在車輪中心線與地面交點(diǎn)的內(nèi)側(cè)，為正；如果在外側(cè)，則為負(fù)。設(shè)計(jì)主銷偏移距的主要目的是減小停車轉(zhuǎn)向力。

在一些比較新型的汽車中采用負(fù)偏移距。其優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)輪胎放氣或左、右車輪上制動(dòng)力不相等時(shí)，具有抵抗汽車改變行駛方向的能力。但當(dāng)偏移距為正時(shí)，不具有這種特性。

當(dāng)主銷軸線與地面的交點(diǎn)和輪胎在地面上的印跡中心重合時(shí)，偏移距為零，這種轉(zhuǎn)向稱為中心點(diǎn)轉(zhuǎn)向(其主銷內(nèi)傾角一般不小于10°而當(dāng)偏移距為負(fù)時(shí)，主銷內(nèi)傾角更大)。

中心點(diǎn)轉(zhuǎn)向的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力(在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋情況下)對(duì)主銷軸線均無轉(zhuǎn)矩作用，因?yàn)樗鼈兌纪ㄟ^輪胎在地面上的印跡中心。其缺點(diǎn)在于停車轉(zhuǎn)向阻力較大。

5 主銷后傾角γ

主銷后傾角γ是轉(zhuǎn)向車輪的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于垂直線(從汽車側(cè)面看，如圖1所示)的傾角。主銷后傾角也有正、負(fù)之分。正的主銷后傾角的作用是使主銷軸線與地面的交點(diǎn)位于輪胎接地印跡中心之前，二者之間的距離稱為機(jī)械拖距。汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向車輪上作用有側(cè)向力，引起彈性輪胎出現(xiàn)側(cè)偏角。地面對(duì)輪胎作用的側(cè)向力的合力作用點(diǎn)位于輪胎的地面印跡中心之后。側(cè)向力合力作用點(diǎn)與輪胎的地面印跡中心的距離，稱為輪胎拖距。

在現(xiàn)代裝有子午線輪胎的車輛上，其主銷后傾角的范圍大致為-1°～+3°，也有采用+6°的。但在后置發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車中，由于前輪負(fù)荷較輕，輪胎拖距較小，為提供足夠的回正力矩，往往采用更大的主銷后傾角。

6 前束和反前束

在汽車的俯視圖上，如圖1所示；反前束使兩個(gè)前輪的中心線向汽車前方發(fā)散。在實(shí)際中，前束和反前束是用在車輪輪輞最前點(diǎn)和最后點(diǎn)之間的距離之差表示，一般為0～5mm。

在前輪不是驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，往往設(shè)置前束。

對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)汽車，當(dāng)主銷偏移距為正時(shí)，往往設(shè)置反前束。

7 結(jié)束語

正確的前輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)；保證可靠地承受車輪所受的各種力和力矩,使轉(zhuǎn)向輪受干擾后回正能力強(qiáng)、響應(yīng)快速、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，操縱輕便并減輕輪胎的磨損。轉(zhuǎn)向輪的擺振應(yīng)盡可能小，以保證汽車的正常、穩(wěn)定行駛。對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)汽車，當(dāng)主銷偏移距為正時(shí)，應(yīng)設(shè)置反前束。

[1] 余志生主編.汽車?yán)碚?第5版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 劉惟信主編.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版杜，2001.

孫飛豹(1959.4-)，男，漢族，遼寧沈陽人，高級(jí)工程師(副教授)，本科，沈陽工學(xué)院，研究方向：汽車設(shè)計(jì)，汽車操縱穩(wěn)定性研究，汽車?yán)碚摻虒W(xué) 毋師平(1959.12-)，女，漢族，遼寧丹東，教授，本科，遼寧廣播電視大學(xué)丹東分校，研究方向:機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)理論教學(xué)。

TH122

A

1671-1602(2016)20-0075-01