​汽车四轮定位参数解析

汽车四轮定位参数解析

0. 引言

考大家一个问题，车辆行驶过程中，轮胎是完全垂直于路面的吗？

答案是否定的！

车辆实际行驶时，轮胎不是完全垂直于路面的。举个通俗易懂的例子。滑雪时为了保持平衡，人的双脚一般脚尖向内、脚跟朝外，同时腿部呈人字形。车轮也一样，车轮的前端向内，后端向外，称为前束；轮胎的上端向内，下端向外，称为负外倾（内倾）。把车轮的姿态想象成我们滑雪时双脚的姿势，就容易理解了。这样的车轮姿态，对抵抗侧向干扰、提高转弯时车辆的稳定有重要作用。

图1 滑雪者的姿态

车轮不是完全垂直于路面行驶，就会增加轮胎的磨损。所以具体选取多少角度十分重要。多年将详细介绍车轮前束、车轮外倾、主销后倾的作用和设计要求。

1. 前束V和前束角δV

前束，指左右两侧车轮轮辋前端与后端的差值，如图2中，V=b-a。前束角，是轮迹线（车轮平面与地面的相交线）和车辆纵向轴线的夹角。前束和前束角可以通过车轮轮辋半径换算。负的前束，也可称为后束。

图2 车轮前束和前束角

适当的前束（常见在0～50’以内），有以下优点：

a) 车轮前束配合车轮内倾，可使轮胎内外侧的磨损均匀

车轮前束+车轮内倾（即：负的车轮外倾），是目前全球乘用车主流的设计理念。车轮前束，轮胎外侧磨损较多。下一节将介绍的车轮内倾，轮胎内侧磨损较多。所以两者配合合理，可以改善车轮的偏磨。如果大家的爱车，出现车轮偏磨严重的情况，很有可能是车轮前束或者外倾出现了问题，应尽快检测四轮定位参数。

b) 提高车辆的行驶稳定性

车辆在行驶过程中，会受到侧向力的作用（比如侧风、转弯时的离心力等）。通过轮胎变形，地面对车辆提供一个反作用力，维持车辆的平衡。

对于轮胎、橡胶衬套等弹性元件，其刚度特性类似图3的曲线。当弹性件没有变形时，其刚度较低，可以提供的反作用力小。当弹性件有一定预变形，其刚度提高，可以提供较大的反作用力。所以车轮前束，使轮胎预先有一定的变形，当侧向外力施加到行驶中的车辆时，轮胎可以快速提供一个反作用力，保持车辆的稳定行驶。

图3 弹性件刚度特性曲线

c) 车轮跳动时，恰当的车轮前束变化，保证车辆实现不足转向特性

驾驶员打方向盘，保持一个角度。随着车速提高，如果车辆的转向半径R增大，称为过度转向；如果转向半径R减小，称为不足转向；如果转向半径R不变，称为中性转向。通常认为，操纵性良好的车辆，应具有适度的不足转向特性，保证车辆的行驶安全。

理想中的车轮前束，随车轮跳动（即弹簧拉伸和压缩）的变化，按照图4设计。当车辆右转向时，受离心力作用，左侧弹簧受压缩，右侧弹簧受拉伸。左前轮，弹簧压缩，左轮后束；右前轮，弹簧拉伸，右轮前束。前桥左右轮由于前束变化引起的转动，对车辆的转向有一定的抑制作用，车辆呈现不足转向特性。当后桥车轮前束随车轮跳动的变化与前桥正相反时，如图4曲线，可以使车辆进一步趋向不足转向。

在设计普通乘用车底盘时，工程师致力于实现车轮跳动过程中如图4的前束变化。

图4车轮跳动时，前后轮前束理想变化趋势

2. 车轮外倾角γ

车轮外倾角，指车轮平面与路面法向的夹角（图5所示）。外倾为正值，内倾为负值。负的车轮外倾角可以提高轮胎提供侧向力的潜力。但外倾或内倾会增加直线行驶时的轮胎磨损和滚动阻力，通过与车轮前束的配合，可以降低轮胎磨损。

图5 车轮外倾角

如图6的车辆，向右转向。车辆受到向左的离心力，左侧车轮承受路面垂向作用力Fz大于右侧车轮。因此左轮提供侧向力Fz的潜力大于右侧车轮，重点考察左轮。左轮负的外倾角，使轮胎与路面间产生更大的侧向力Fy，保持车辆稳定行驶。因此目前多数乘用车采用负的车轮外倾角，常见的车轮外倾角为0～-2°。

图6 车轮外倾角对车轮侧向力的影响

3. 主销

车轮实际的转向，不是完全绕z轴，而是绕主销转动。与主销有关的参数较多，图7所示为与主销有关的运动学参数。

主销内倾角σ及其相关参数

主销内倾角σ，在y-z平面内，主销与地面法线z向的夹角。

主销偏移距rL，在y-z平面内，车轮接地面中心与主销延长线和地面交点的距离。当主销延长线和地面交点在车轮中心平面外侧，是负值。设计底盘时，尽量选择中性或者略微负值的主销偏移距，以便当两侧车轮制动力不平衡时，能够使车辆自动平衡。

图7 主销参数

图8所示，左轮位于冰雪路面（附着系数低），右轮在普通干燥路面上，进行制动。由于附着系数不同，右轮制动力远大于左轮制动力，车辆向右偏移。对于负的主销偏移距，普通路面上的右前轮，制动力与主销偏移距的乘积得到的力矩，使右前轮逆时针方向转动，抑制车辆向右的偏移，起到稳定车辆行驶姿态的作用。

实现负的主销偏移距，需要将主销靠近车轮中心平面，这将占据轮辋及制动盘的安装空间，空间布局存在一定难度。

图8 主销偏移距的作用

在x-z平面内，主销后倾角τ为主销与路面法线z向的夹角。主销后倾偏移值no为，在车轮中心高度，主销与车轮中心的距离。设计主销后倾nK为，主销延长线与地面交点和车轮接地点中线的距离。

此外还有一个参数，轮胎后倾nR，指车轮接地点受横向力中心与z向的距离。由于轮胎变形，轮胎侧向力受力点在轮胎前进方向靠后的位置。

当车辆直线行驶时，如果车辆偏移，主销后倾会使车轮产生回正力矩，保持车辆直线前进。主销后倾越大，车辆直线行驶时，车轮回正性能越好；但与此同时，路面突如其来的侧向干扰对转向系统的影响也越显著。

4．四轮定位参数不合理的负面影响

当四轮定位参数不合理时，会导致：

a) 车辆跑偏

方向盘摆正，车辆直线行驶时，车辆会自行向左或向右跑偏，驾驶员需要不断调整方向盘，一不留神，车辆就跑到隔壁车道了。

b) 吃胎

轮胎一侧磨损严重。车辆高速行驶一段里程后，如果有严重吃胎现象会影响轮胎的使用寿命，不仅轮胎抓地力减小，严重时还会导致爆胎。

众泰T600曾因为四轮定位参数不合理，导致部分车辆行驶5000公里就发生严重吃胎现象，客户只能更换轮胎了。

图9 跑偏和轮胎偏磨

c) 车辆侧滑、转向不稳定、方向盘过沉或过轻、悬挂系统零部件异常磨损

5. 多年小结

a) 四轮定位参数包括：车轮前束、车轮外倾、主销后倾等。

b) 为了保持车辆的行驶稳定性，抵抗路面的侧向干扰，一般采用车轮前束+负的车轮外倾（也称为正的车轮内倾）的组合。举个通俗易懂的例子。滑雪时为了保持平衡，人的双脚一般脚尖向内、脚跟朝外，同时腿部呈人字形。把我们的双腿想象成两个车轮，不正是前束与负外倾的组合嘛！

c) 车轮前束，增大轮胎外侧的磨损；车轮负外倾（正内倾），增加轮胎内侧的磨损。优化车轮前束与负外倾的数值，可以中和两者引起的轮胎磨损。如果车主发现自家的爱车，轮胎偏磨严重，通常就是车轮前束和外倾角没有调整好。

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