汽车四轮定位的探讨毕业论文(「底盘篇」——四轮定位是什么？)

Posted 2023-05-31

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汽车四轮定位的探讨毕业论文(「底盘篇」——四轮定位是什么？)

当你的家用小汽车出现转向沉重、发抖，或者发生轮胎非正常磨损，或者驾驶时有车飘浮、摇摆，或是出现行驶方向跑偏现象时，有人就会建议你去做四轮定位。那么什么是四轮定位呢？

定位，指确定某一事物在一定环境中的位置。现代汽车在进行转向和悬架系统设计时给车轮进行正确定位，可以说是立体几何学在工程实践中的成功应用范例，正确的车轮定位可使汽车操纵起来更安全、乘坐更舒适，并能够最大限度延长汽车轮胎的使用寿命。

汽车的转向车轮、转向节和前轴三者之间的安装保证一定的相对位置，被称之为转向车轮定位，也叫前轮定位。前轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。对后轮来说，一般都是非转向轮，但同样存在轮胎与后轴之间的相对安装位置，称后轮定位。后轮定位包括车轮外倾角和后轮前束。前轮定位和后轮定位合起来就叫做四轮定位

1.前轮定位

要了解前轮定位，得先认识一下主销。采用整体式转向桥的汽车，主销（见图1）是用于较接转向桥和转向节，转向节绕着主销摆动以实现车轮的转向。一般在主销中部切有凹槽，通过螺栓将主销固定在前桥的拳形孔中，转向节上的销孔与主销采用动配合，以实现车轮相对于前桥的转动。对独立悬架来说不存在主销实体，比如双叉臂独立悬架的主销轴线是上、下摆臂外端球头中心的连线；麦弗逊式独立悬架的主销轴线是减震器上支点与下摆臂球头的连线，即图中的红色虚线。

图1 主销与前桥、转向节的关系

主销后倾角

在纵向平面内（从汽车侧面看过去）转向轴线的上端略向后倾斜，这种现象称为主销后倾。主销轴线与垂线之间的夹角叫主销后倾角（图2）。无独有偶，我们发现自行车、摩托车都存在主销后倾角，由于主销后倾角的存在，使轮胎接地点位于主销轴线的后方，超市的小推车也有这个特点。主销后倾角越大，稳定性越好，不过转向就越费力。

图2 主销后倾角

主销后倾角的作用是使汽车可以自动回正，保证汽车直线行驶的稳定性。如图3所示，主销后倾使主销轴线延长线与地面交点A位于轮胎与地面接触点B之前，这样B点到主销轴线就有一段垂直距离l。汽车转弯时(向右转弯)，汽车曲线运动产生的离心力将引起地面给车轮一侧向反作用力 Y，Y 通过 B 点作用于轮胎上，形成绕主销偏转力矩M=Y*l，其作用方向正好与车轮偏转方向相反，即试图让车轮恢复到原来的中间位置。这种回正力矩即使在汽车直线行驶偶尔遇到阻力使车轮偏转时，也存在。

后倾角越大（l越大）、车速越高（Y越大），回正力矩M就越大，即前轮的稳定性越强，但后倾角过大必然造成转向盘沉重，一般主销后倾角 < 3°。有些汽车（轿车）的轮胎气压较低，弹性大，行驶时由于轮胎与地面的接触面中心向后移动，使回正力矩增加，故后倾角可以减小到接近于零，甚至为负值(即主销前倾)。但采用动力转向的汽车，配有液压助力或电动助力转向系统，其主销后倾角设计时一般仍取正值。

图3 主销后倾角的回正作用

主销内倾角

主销内倾角是从汽车前方或后方看车轮时，车轮的主销轴线向车身内侧倾斜的角度β (图4)。当车轮以主销为中心轴线转动，这里假设可转动180°，我们发现车轮将陷入路面以下，实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，地面会给转向车轮连同整个汽车前部一个向上抬起的作用力，在此作用力下，转向车轮产生自动回复到原来中间位置的效应。由此可见，主销内倾的作用也可使前轮自动回正。主销内倾角越大或前轮转角越大，则汽车前部被抬起趋势越大，前轮的自动回正作用就越明显，但转向越费力，转向轮的轮胎磨损也会增加。主销内倾角一般控制在5°～8°之间为宜。

在同样视角下，主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离叫主销偏置距，通过减小主销偏置距，可减小转向时驾驶员加在转向盘上的力，从而提高转向系统的操纵轻便性（类似我们原地转向最容易），同时也可减少从转向车轮传到转向盘上的冲击力。负的主销偏置距能够有效减小制动过程中由于左、右车轮制动力大小不等所造成的制动跑偏。

图4 主销内倾角

主销后倾和主销内倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的作用。但主销后倾的回正作用与车速有关，而主销内倾的回正作用与车速无关。因此，高速时主销后倾的回正作用起主导地位，而低速时则主要靠主销内倾起回正作用。此外，直行时前轮偶尔遇到冲击而偏转时，也主要依靠主销内倾起回正作用。

前轮外倾角

前轮安装在车轮上，其中心平面上方略向外倾斜，这种现象称为前轮外倾。车轮外倾角是由车轮中心线与接地垂直线形成的夹角。角度大于零时称为正倾角，这种倾角大部分用于越野车或者承载量大的大货车，当承载重量时车轴将承受下压的重力发生轻微变形，前轮外倾角可以使车轮接近与路面垂直，与地面有更好的接触，滚动时阻力减小了，使汽车转向变得轻便（图5）。

图5 车轮外倾角

当角度小于零时称为负外倾角，常见的赛车比如F1，GT等会有非常明显的负外倾角度（图6），这是因为在过弯时车轮会因离心力向外扩张，更大的负外倾角可以使轮胎与地面更完美的贴合，增加附着，防止打滑，从而提高过弯极限。负外倾角过大，会使直线加速与制动性能下降，还会带来轮胎偏磨。一些运动车型，设定了偏大的负外倾角以获得更好的操控性，为了避免出现轮胎出现偏磨现象，要求供应商轮胎的内、外侧采用软硬程度不同的配方（比如倍耐力、米其林运动系列轮胎）。

图6 F1赛车负的前轮外倾角

前轮前束

汽车的前束角是汽车纵向中心平面与车轮中心平面和地面的交线之间的夹角，一般也用两前轮前边缘与后边缘距离差A-B表示，如图7所示。

图7 车轮前束与后束

车轮外倾会使得转向轻便，但左、右前轮会分别产生向外侧转动的趋势，为了抵消此不良作用，才设置了车轮前束，把左、右两轮向内拉，这样正负作用相抵，从而让左、右两轮可保持直线行驶，以减少轮胎磨损。即前轮前束主要是为了消除车轮外倾的不良影响而存在的。

一般，车辆的车轮外倾和车轮前束常常“正正”搭配或“负负”搭配，综合考虑车辆的整体性能，也有车轮外倾和车轮前束的例外搭配。一般载重汽车都设计为正外倾配合较大正前束，而现代轿车多采用较小的负外倾搭配小一些的正前束。

2.后轮的外倾角和前

车轮定位参数通常都指汽车的前转向轮而言。但是，现代汽车不仅前转向轮有外倾角和前束，有些汽车的后轮也有外倾角和前束。如一些发动机前置前驱动形式的轿车，后轮是从动轮，汽车的驱动力F通过纵臂作用于后轴上（图8）。如果车轮没有前束角，当汽车行驶时，在驱动力F作用下，后轴将产生一定弯曲，使车轮出现前张现象，而预先设置的前束角就是用来抵消这种前张的。

而设置后轮外倾角有两个作用∶①由于外倾角是负值，可增加车轮接地点的跨度，增加汽车的横向稳定性；②负外倾角是用来抵消当汽车高速行驶且驱动力F较大时车轴出现的负前束（前张），以减少轮胎的磨损。

图8 驱动力作用在后轴上的示意图

某些后轮驱动的重型汽车上，由于采用独立悬架和脊骨式车架，为了保持加载后汽车行驶时轮胎处于正确的接地位置，减少磨损，后轮也设计成有一定的正外倾角。

轮胎动平衡

在了解了四轮定位后，再说一下，车轮的动平衡。

汽车车轮是由轮胎、轮毂组成的一个整体。由于材料组织内部的不均匀、零件外形的尺寸误差、装配尺寸的误差以及结构形状等原因，使通过车轮重心的主惯性轴线与旋转轴线不相重合，因而旋转时的车轮会产生不平衡的离心力，特别是高速运转的轿车车轮，即使偏心距极小也会引起很大的不平衡力，导致车轮的持续振动，尤其是转向轮的振动还会引起转向盘的抖动，会加速悬架、转向系统部件及车轮内轴承的磨损，振动大的汽车也很难驾驶，危及行车安全。为了避免这种现象或是消除已经发生的这种现象，就要使车轮在动态情况下通过增加配重的方法，校正车轮各边缘部分的平衡。这个校正的过程就是常说的动平衡。

当行车过程中发现车辆高速行驶时转向盘抖动或是车轮出现某种有节奏的异响时，就有可能是车轮该做动平衡了，尤其是当更换轮胎、轮毂或是补过轮胎后、车轮受过大的撞击、由于颠簸导致平衡块丢失等都应该对车轮做动平衡。

何时做四轮定位？

多久给你的爱车做四轮定位呢？建议如下：

1）一般车辆行驶2万公里或者1年后；

2）在水平路面直行，需要用大力握紧方向盘才能保证车辆不跑偏时；

3）在汽车正常行驶时，感觉车身漂浮或摇摆不定；

4）前、后轮的胎面有一侧磨损特别严重时；

5）汽车直行时，放开方向盘，车子会自动向左或者向右拉。

6）换装新的悬挂或转向有关配件后。

7）高速撞击路面深坑或路肩。

结束语

汽车四轮定位出了问题，八成的原因是自身驾驶习惯不好或随意改装导致的，养成良好的驾驶习惯，定期检查车辆四轮定位对车主来说很重要。

来源：知乎Green