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转向车轮定位-汽车底盘构造与原理精解

时间:2023-10-08 理论教育 版权反馈
【摘要】:所谓车轮定位就是指车轮、转向节和车桥与车架的安装应保持一定的相对位置。车轮定位参数有:主销后倾、主锁内倾、前轮外倾和前轮前束四个参数。通常车轮定位主要是指前轮定位,现在也有许多车辆除前轮定位外还需对后轮定位,即四轮定位。主销后倾的作用是形成回正力矩,保证汽车直线行驶的稳定性,并使汽车转向后回正操纵轻便。主销后倾角越大、车速越高,回正力矩越大,转向轮偏转后自动回正的能力也越强。

转向车轮定位-汽车底盘构造与原理精解

1.什么是转向车轮定位

一般人认为汽车的四个车轮是垂直于地面的,实际上要想保证汽车在行驶中安全和舒适,必须要考虑许多因素来确定车轮与地面的角度,也就是车轮定位。

所谓车轮定位就是指车轮、转向节车桥与车架的安装应保持一定的相对位置。车轮定位参数有:主销后倾、主锁内倾、前轮外倾和前轮前束四个参数。通常车轮定位主要是指前轮(转向车轮)定位,现在也有许多车辆除前轮定位外还需对后轮定位,即四轮定位。

对于两端装有主销的转向桥,汽车转向时,转向车轮会围绕主销轴线偏转,如图3-8a所示。但在大多数断开式转向桥中没有主销,采用上、下球头销代替主销,上、下球头销球头中心的连线相当于主销轴线,如图3-8b所示。由此可见,主销可以理解为在转向时,转向车轮所围绕转动的一条轴线。

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图3-8 主销的不同形式

2.作用

1)自动回正。当转向轮在偶遇外力作用或转向后发生偏转时,在外力消失后,应能立即自动回到直线行驶的位置。

2)使轮胎磨损均匀。使车轮轮胎尽量与地面接触,并尽量保证车轮轮胎与地面发生纯滚动,这样使轮胎磨损均匀。

3)减轻轮毂外轴承的负荷。

4)转向轻便。提高汽车安全性、经济性,降低驾驶人的疲劳强度

3.主销后倾

主销安装在前轴上,其上端略向后倾斜,这种结构形式称为主销后倾。在纵向垂直平面内,主销轴线与垂线之间的夹角γ叫主销后倾角,如图3-9所示。

主销后倾的作用是形成回正力矩,保证汽车直线行驶的稳定性,并使汽车转向后回正操纵轻便。

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图3-9 主销后倾

主销后倾,使主销轴线的延长线与地面的交点A位于车轮与路面的接触点B之前,AB两点之间的距离称为主销后倾移距。设B点到主销轴线延长线之间的距离为l。汽车直线行驶时,若转向轮偶然受到外力作用而偏转(图3-9b所示为向右偏转),汽车将偏离行驶方向而右转弯。由于汽车本身离心力的作用,在轮胎与路面接触点B处将产生一个路面对车轮的侧向反作用力Y,由于反作用力Y没有通过主销轴线,因而形成了一个使车轮绕主销轴线旋转的力矩DD=Y×l),其方向正好与车轮偏转方向相反。在此力矩作用下,将使车轮回复到原来中间的位置,从而保证了汽车直线行驶的稳定性,故此力矩称为回正稳定力矩。同理,在汽车转向后的回正过程中,此力矩具有帮助驾驶人使转向车轮回正的作用,使汽车转向后回正操纵轻便。

我们都熟悉的自行车前叉梁也是向后倾斜的,它就是自行车的“主销后倾”。我们可以松开自行车把骑车的原理就在于此。

主销后倾角越大、车速越高,回正力矩越大,转向轮偏转后自动回正的能力也越强。但主销后倾角也不宜过大,一般不超过2°~3°,否则,在转向时为了克服此力矩,驾驶人需在转向盘上施加较大的力,使转向变得沉重。

此外,有些汽车由于采用超低压轮胎,弹性增加,转向时因轮胎弹性变形而使轮胎与路面的接触点后移,使回正力矩增加,故主销后倾角可以减小,甚至为负值(即主销前倾)。

4.主销内倾

主销安装在前轴上,其上端略向内侧倾斜,这种结构形式称为主销内倾。在横向垂直平面内,主销轴线与垂线之间的夹角β称为主销内倾角。

主销内倾的作用是使转向轮转向后能自动回正,并使转向操纵轻便。

主销内倾具有使转向轮转向操纵轻便的作用,如图3-10a所示。由于主销内倾,使主销轴线的延长线与地面的交点至车轮中心平面与地面交点之间的距离c缩短(在有些维修资料中将此距离称为偏置或磨胎半径)。转向时,路面作用在转向轮上的阻力对主销轴线产生的力矩减小,从而可减小转向时驾驶人施加在转向盘上的力,使转向操纵轻便。同时,还可以减小因路面不平而从转向轮传到转向盘上的冲击力。

主销内倾具有使转向轮自动回正的作用,如图3-10b所示。当转向轮在外力作用下绕主销旋转(为了解释方便,假设旋转180°,即由图b中左边位置转到右边位置)而偏离中间位置时,由于主销内倾,车轮的最低点将陷入路面以下h处,即车轮必须将路面压低距离h后才能旋转过来,但实际上路面不可能被压低,车轮下边缘不可能陷入路面之下,而是车轮连同整个汽车前部被向上抬起相应高度。一旦外力消失,转向轮就会在汽车前部重力作用下力图自动回正到旋转前的中间位置。主销内倾角越大、转向轮偏转角越大,汽车前部就抬起得越高,转向轮自动回正的作用就越大。

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图3-10 主销内倾

主销内倾角既不宜过大,也不宜太小。主销内倾角过大(偏置c减小),转向时,车轮在滚动的同时将与路面产生较大的滑动,增加轮胎与路面的摩擦阻力,这不仅使转向沉重,而且加速了轮胎的磨损,故主销内倾角一般为5°~8°,偏置一般为40~60mm;主销内倾角过小(偏置c增大),汽车行驶的稳定性和制动的稳定性将变差。在一些发动机前置前轮驱动的轿车上,为了使汽车具有良好的行驶稳定性,特别是制动稳定性,其主销内倾角均较大。

要注意,主销后倾和主销内倾都具有使转向轮自动回正及转向操纵轻便的作用,但其区别在于: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重有关。

5.前轮外倾(www.xing528.com)

当汽车升起时,从汽车前方看前轮,轮胎并非垂直于路面,而是稍微倾斜,这种现象称为前轮外倾。在横向垂直平面内,前轮中心线与垂线之间的夹角α称为前轮外倾角,如图3-11所示。轮胎呈现“八”字形张开时称为负外倾,而呈现V形张开时称为正外倾。

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图3-11 前轮外倾

a)前轮负外倾 b)前轮正外倾

前轮外倾的作用是提高车轮工作的安全性和转向操纵的轻便性。

如果空车时车轮的安装正好垂直于路面,则满载时车桥将因承载变形而可能出现车轮内倾,这样将加速轮胎的偏磨损。另外,路面对车轮的垂直反作用力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向轮毂外端的小轴承,加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷,降低它们的使用寿命,严重时会损坏外端的紧固螺母而使车轮外脱,造成交通事故。因此,为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷,安装车轮时预先使其有一定的外倾角,以防止车轮内倾。车轮外倾与主销内倾相配合可进一步缩短距离c(图3-10a),使汽车转向轻便。此外,车轮有一定的外倾角也可以与拱形路面相适应。

前轮的外倾角是在转向节的设计中确定的。设计时使转向节轴颈的轴线与水平面成一角度,该角度即为前轮外倾角。在使用普通斜交轮胎的鼎盛时期,由于使轮胎倾斜触地便于转向盘的操作,所以外倾角设计得比较大。随着汽车上扁平子午线轮胎的普及,并由于子午线轮胎的特性(轮胎花纹刚性大,胎体比较软,外胎面宽),若设定较大的外倾角,会使轮胎偏磨,缩短轮胎的使用寿命。现在的汽车一般都将外倾角设定为1°左右,有的接近垂直,有的为负值,这样在汽车转向时可避免车身过分倾斜。

6.前轮前束

俯视两前轮会看到两前轮的中心线不平行,其前端略向内侧收束,这种现象称为前轮前束。两前轮后端距离A大于前端距离B,其差值A-B称为前轮前束值,如图3-12所示。

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图3-12 前轮前束

前轮前束的作用是消除因前轮外倾使汽车行驶时车轮向外张开的趋势,减少轮胎磨损和燃油消耗。

由于前轮外倾,在汽车行驶时,两个车轮的滚动类似于两个锥体的滚动,其轨迹不再是直线,而是逐渐向各自的外侧滚开。但因受车桥和转向横拉杆的约束,两侧车轮不可能向外滚开。这样,车轮在路面上滚动行驶的同时又被强制地拉向内侧,产生向内的侧滑,从而加剧轮胎的磨损。有了前束,车轮滚动的轨迹是向内侧偏斜,只要前束值与车轮外倾角配合适当,车轮向内、外侧滚动的偏斜量就会相互抵消,使车轮每一瞬间的滚动方向都朝着正前方,从而消除了侧滑,减轻了轮胎的磨损。

前轮前束值可以通过改变转向横拉杆的长度来调整,一般前束值为0~12mm。有的汽车为与负前轮外倾角相配合,其前束也取负值即负前束,如桑塔纳轿车前束为-3~-1mm。

要注意:采用非独立悬架的车轮,其主销内倾和前轮外倾均不可调,部分车型的主销后倾可调,而所有车型的前轮前束均可调;采用独立悬架的车轮,其前轮外倾和前轮前束均可调,部分车型的主销后倾和主销内倾也可调。

7.后轮定位

随着道路条件的改善,现代轿车的行驶速度越来越高,现在有许多高级轿车都设置了四轮定位,即不仅要求前轮定位,还需要后轮定位。其原因是对前轮驱动汽车和独立后悬架汽车,如果后轮定位不当,即使前轮定位良好,仍然会有不良的操纵性和轮胎早期磨损。为了防止高速行驶时汽车出现的“激转”及自动转向现象,在结构设计上应确保汽车具有不足转向特性。汽车后轮具有一定程度的外倾角和前束可使后轮获得合适的侧偏角,提高高速行驶的操纵稳定性。

(1)后轮外倾角 像前轮外倾角一样,后轮外倾角也对轮胎磨损和操纵性有影响。理想状态是四个车轮的运动外倾角均为零,这样轮胎和路面接触良好,从而得到最佳的牵引性能和操纵性能。

车轮外倾角不是静态的,它随悬架的上下移动而变化。车辆加载后悬架下沉就会引起车轮外倾角改变。

为了对载荷进行补偿,采用独立后悬架的大多数车辆常有一个较小的后轮正外倾角。以保护外轴承和外端锁紧螺母,避免后轮飞脱的危险及轮胎磨损。

(2)后轮前束 如同前轮前束一样,后轮前束也是后轮定位的一个重要项目。如果前束不当,后轮轮胎也会被擦伤,另外,还会引起转向不稳定及降低制动性能。而设置后轮前束,就是为了避免上述原因及后轮外倾所带来的不良后果。

(3)驱动力作用线 两后轮前端连线的中点与两后轮后端连线的中点,两中点的连线称为驱动力作用线。正常情况下,驱动力作用线将垂直于后轴并与车辆纵轴线重合。但如果一个后轮前端偏里或偏外,或者一个车轮相对于另一个略为后缩,驱动力作用线就要偏离车辆纵轴线,从而产生了一个驱动力偏离角并使车辆朝与偏离角相反方向偏行。例如,驱动力作用线偏右时,汽车向左侧跑偏。

驱动力偏离角的出现使得车辆在冰、雪或湿路面上的方向稳定性变差。在车辆制动或急剧加速时它有时会使车辆跑偏。用于转向控制的前轮要克服后轮的这种作用,所以,驱动力偏离角还使轮胎磨损加剧。

只有消除驱动力偏离角才能解决上述问题。通过重新设置后轮前束,可使驱动力作用线回中。其后轮前束调整可根据厂家提供的调整方法进行。

8.如何察觉定位角度的异常

约有60%是因为直行性不良,转向盘角度偏一边;其次是因为转向盘抖动,还有就是行驶一段时间后发现轮胎磨损不均匀。

9.四轮定位多久做一次

一般新车在驾驶3个月后就应做四轮定位,以后根据底盘使用情况最少应每半年检查一次。更换轮胎或减振器及发生碰撞后都应及时做四轮定位。

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