第27卷第12期合肥工业大学学报(自然科学版)V ol.27N o.12 2004年12月JOU RNAL O F H EFE IUN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY D ec.2004
魏道高
(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)
摘 要：汽车前轮定位参数是影响汽车操纵稳定性与前轮异常磨耗的重要因素，目前主要是通过经验、半经验、统计和试验获得数据，在理论上尚未建立合理的算法。该文介绍和分析了前轮定位参数的研究状况，并且提出了对此方面的研究展望,
其目的想进一步推动其发展，为汽车产品开发和改进设计提供理论依据。
关键词：轮胎；定位参数；操纵稳定性
中图分类号:U461.6 文献标识码:A 文章编号:100325060(2004)1221594205
Rev i ew of researches on the fron t wheel a l i gnm en t param eter of veh i cles
W E ID ao2gao
(School of M achinery and A utomobile Engineering,H efei U niversity of Technol ogy,H efei230009,China)
qbAbstract:In the paper,the research on the fron t w heel alignm en t para m eters of veh icles is revie w ed.T he front w heel alignm ent para m eters of veh icles,w h ich includes ca m ber,toe2in,k ingp in inclinati on and caster,are i m po rtant factors affecting handling and stability and als o related to the abnor m alw ear of tires.
本田srvA t p resent the m ain w ays of fron t w heel alignm ent of veh icles com e from experience,tests and statistics,s o a reas onable algo rithm has not been established theoretically.T he p ro s pect of the research is p resented w ith the hope of p romoting i m p rove m en t in the design and devel opm en t of veh icle p roducts.
Key words:tire;alignm ent para m eter;handling and stability
在汽车行业迅猛发展的今天，汽车前轮定位参数确定仍然是困扰汽车企业设计的难题。这是因为过去对前轮定位参数设计往往采用类比的方法或通过大量的试验来确定，这不仅要耗费大量的人力、物力，
而且产品的设计周期相当长，确定的数值也不够准确，给设计带来一定的盲目性。而前轮定位参数设计是否合理，将直接影响到车辆的很多重要性能，从而影响到整车的优劣。例如主销后倾角和内倾角将直接影响到车辆的回正性、直线行驶稳定性和高速制动时方向稳定性、转向轻便性；前轮的外倾角和前束值的合理匹配将直接影响到前轮的侧滑和异常磨耗，同时也间接地影响车辆的动力性和燃油经济性[1～6]；后倾角和前束值设计得是否合理还将直接影响到前轮的摆振，导致车辆操纵稳定性变坏，增加了有关零部件载荷，从而降低行驶安全性与可靠性，摆振严重时会影响到车辆的平顺性和安全性[7～12]。因此，为了保证车辆性能，国内外学者对其进行了广泛深入的研究。
收稿日期:2004203203；修改日期:2004204213
基金项目：合肥工业大学博士科研起动基金资助项目(102-035011)
作者简介：魏道高(1965-)，男，安徽巢湖人，博士，合肥工业大学副教授.
1 前轮定位参数研究的发展
车辆和其它自走机械一样具有前轮定位，所谓前轮定位一般是指前轮的4个定位参数(主销后倾角、
主销内倾角、前轮外倾角和前束值)对前轮在底盘上空间位置的精确确定[13,14]。它们的主要作用是保证
车辆直线行驶稳定性及转向轻便性，使前轮转向后轮具有自动回正作用。同时，要求前束和外倾有合理的匹配关系，使车辆的前轮在直线或转向行驶时磨损最小。
1.1
前轮外倾与前束
1.车轮
2.车厢
3.轮轴
图1 原始马车车轮外倾结构示意图
关于车辆的前轮定位研究，应从陆地车辆的车轮定位说起。
前轮定位由来已久，它可以追溯到16世纪的马车，人们对马车车
轮定位的改进发明了车轮外倾，当时马车的车轮直径较大，为了
改善碟形布置木制辐板的受力情况和减少采用滑动轴承的车轮
向轴端滑脱的倾向，采用了较大的外倾角(6°～7°)[15～17]。原始马
车车轮结构，如图1所示。采用大外倾角还有总体布置上的原因,
如增大车轴上方车箱宽度，便于把泥水向外侧甩出而不致于溅到乘客的身上。
充气轮胎的外倾是在1888年英国人D un l op 发明橡胶空气轮胎之后才出现的，他利用充气球的原理首
先生产出符合充气条件的橡胶空气轮胎，然后将它运用于汽车上。19世纪末开始采用轮胎后，发现轮胎因外倾过大而偏磨，出现了减少外倾的要求。另外，充气轮胎的使用为车速增加提供了条件，因此车辆前轮上普遍安装了制动器。为了防止左、右轮因制动力不均匀而造成的制动转向，希望缩小轮胎横向偏
距，因而仍采用了较大的前轮外倾角(3°～4°)，以达到减小前轮横向偏移距的目的。后来逐渐趋向于采
用较大的主销内倾以缩小轮胎主销偏移距，只保留不大的外倾角，其定位参数见表1所列。
表1 几种轿车前轮定位参数
汽车型号
主销后倾角Α主销内倾角Β前轮外倾角Χ前轮前束值T 前束角∧红旗CA 7560
-1°-30′7°-30′0°+30′5～7-上海桑塔纳
30′--30′±20′-1～3-一汽奥迪100
1°16′14.2°-0°30′±20′0.5～1-一汽捷达
1°30′±30′14°-30′±20′-0±10′富康
1°10.7°0°--0.24°上海别克
2.7°--1°--0.16°广州本田
1.8°--1°--0.16°宝马530i
7.9°±30′12.0°-0.2°-0.32°宝马M 3
9.13°±30′12.8°-0.7°±30′-0.28°±5′BU CK 1997Park A ve
6°±30′12.0°-0.2°±30′--0.2°±30′HONDA A ccord
3°±1′-0°±1′-0°±24′N ISS AN 1997Pathfinder 3°±0.75′9°±0.75′0.17°±0.75′-0.16°±0.08′
由表1可见，随着道路交通条件的改善，车辆行驶速度提高，现代车辆外倾角取值趋向较小，一般为
1°左右，有的轿车前轮外倾角甚至取负值。这是因为轿车高速转向时，离心力F =m v 2 R 与车辆速度的
平方成正比，随着车辆行驶速度的增加，离心力急剧增加，车身向外倾斜加大，产生较大的前轮正外倾，在轿车外侧悬架超负荷时，外侧车轮的外侧半径小于内侧半径，从而使车轮纯滚动转向性能降低，轮胎产生不均匀磨损。而前轮外倾角的取小或为负，可以抵消前轮正外倾的不利影响，不仅可以使轮胎内、外侧磨损均匀，而且提高了车辆作纯滚动转向性能和横向稳定性。甘肃二手车
但是，由于前轮外倾后，轮胎与地面接触各点的线速度不等，外侧低于内侧，而在直线行驶时各点的
5951第12期 魏道高：汽车前轮定位参数研究与展望
实际速度相等，因此轮胎与地面之间出现了相对滑动，内侧滑转，外侧滑移。滑转与滑移不仅造成轮胎的附加磨损，而且由它引起的地面摩擦力形成胎面力矩使轮胎偏扭。为了克服前轮外倾带来的不利影响，采用在前轮上增加前束的方法。前轮前束的作用是预先使前轮反向偏扭，减小外倾引起的偏扭，从而减小轮胎在工作中的磨损。文献[17]在假设前束和外倾产生的侧向力相互抵消的前提下，推导的前束与外倾合理匹配关系为
T =ld Χ
2r (1)
其中,T 为前轮前束值;d 为测量前束处的轮辋直径;l 为轮胎接地印迹长度;Χ为前轮外倾角;r 为轮胎的滚
动半径。
事实上，在考虑前束角侧偏滚动时应考虑轮胎的性能和计及轴距的影响，但上述研究没有考虑这些因素的影响，因此推导的计算公式影响了前束值T 与前轮外倾角Χ合理匹配的精度。
文献[18]在假设轮胎为刚体的前提下，推导的前轮前束值与外倾角的匹配关系为
T =2d <L <r +4ΧL
Χ(2)其中,L 为车辆轴距;<；为仅有外倾角时车轮印迹长度对应的圆心角。在(2)式中，对不同的车型参数<；应取不同的数值。针对解放牌CA 10B 汽车，取参数<=1.5°，计算得前束值为3mm ，纠正了以前长期使用的不合理前束值(8～12mm )，避免了前轮磨损较快和摆振现象，但不同的车型<；值不易确定。另外，文献[18]把车轮看作刚性的，没有考虑轮胎的侧偏性能影响。
文献[19]推导的前轮前束值与外倾角合理匹配公式为
T =4d r sin 2(l sin Χ 2r )l sin Χ(3)
(3)式没有考虑在前轮前束侧偏滚动时要计及轴距的影响，通过实例计算结果偏大，采用上述公式计算前束值与外倾角匹配关系仍有较大的误差。
文献[20]针对具有双横臂独立悬架1026型厢式运输车，在分析汽车直线行驶时前轮侧滑机理的基础上，推导了前轮前束值与前轮外倾角的合理匹配关系数学模型为
T =2dL l r (4L +l )Χ(4)
样车前轮侧滑试验表明，试验结果与理论计算相一致，而且(4)式计算精度有了提高，但还有其它影响因素有待进一步研究。
1.2 前轮主销内倾角
至于前轮主销内倾角，它与外倾角和为包容角，在加工转向节时确定。目前车辆前轮仍采用较大的主销内倾角，以保证车辆低速转向回正性能、转向轻便性、高速制动时方向稳定性及增大内倾偏移距，改善车辆的横向稳定性。文献[21]在考虑了轮胎、悬架、前轮外倾角和主销后倾拖距影响的前提下，针对具有双横臂悬架的车辆，推导了前轮主销内倾角算法公式为
Β=sin -1{4
G 1q csc
2L u
冚车是什么意思∃r sin arctan -1B L +arctan L u ∃r 1+
B L +arctan L u ∃r 2+sin (L u ∃r )×[G 1K (Λ1r 1+2q h Λ2r 2)+M +0.001G 1K r -2F y (Αr +16l )]}-Χ(5)
其中,Β为前轮主销内倾角;G 1为前桥载荷;q 为前轮中心到转向节点的距离;∃r 为残留横摆角速度;u 为汽车速度;B 为前轮两侧主销轴线与地面相交点之间距离;K 为前桥动载荷系数;Λ1、Λ2为主销轴承及衬套的摩擦系数;r 1、r 2为转向节上下球头座孔半径;h 为转向节上下球头中心线间的距离;M 为转向器逆
6951 合肥工业大学学报(自然科学版) 第27卷
转阻力矩;F y 为轮胎侧偏力;Α为前轮主销后倾角。
(5)式反映了定位参数耦合，避免了在此之前单个因素研究的局限性，而且用样车低速转回正性能试验验证其正确性。
1.3 前轮主销后倾角
关于前轮主销后倾角，主要是为了改善前轮转向后自动回正能力，保证车辆直线行驶稳定性而设置的。它起先用于自行车，直到目前自行车仍使用较大的前叉后倾角，以其保证前轮回正性能，后来逐渐应用到拖拉机及汽车的前轮上。20世纪初，德国察特林从车辆前轮转向自动回正出发，计算出后倾
角最好为15°，大的主销后倾角加大了前轮绕主销的回正力臂，因此前轮转向后回正能力加强。后来前苏联学者
曲达可夫也肯定了这个数据[15,16]。但是，他们只考虑了回正速度而没有考虑这么大后倾角的负作用，即
驾驶员操纵费力、前轮容易摆振等，通过长期的实践表明该推荐值显然过大。20世纪50年代，随着车用轮胎的结构和性能的改善，车辆广泛采用低压轮胎后，轮胎的气胎拖距增大，回正能力增强，车辆普遍减小了主销后倾角。20世纪60年代，前苏联学者巴比考进行了拖拉机前轮定位参数与前轮摆振及操纵力影响的研究，通过单因素的分析得知主销后倾角与摆振有密切关系。60年代中期，解放牌汽车出现前轮摆振且异常磨损现象，文献[18]对其进行了理论与试验研究。结果表明，这是由于解放牌汽车前轮定位参数取值不合理造成的，并通过改变前束值的大小解决了上述问题。
20世纪70年代未，清华大学汽车教研室进行了前轮定位参数对车辆摆振影响的研究，通过试验测取了前轮外倾角和主销后倾角与前轮摆振振幅关系曲线，试验表明对前轮摆振影响较大的前轮定位参数主要是主销后倾角和前轮外倾角。随着主销后倾角的增加，前轮摆振峰值增加；随着外倾角的增加，前轮的摆振峰值减小；摆振峰值对前束值较为敏感，摆振峰值随着前束值的增加而增大，而主销内倾角对其
影响较小[22,23]。
20世纪80年代初，文献[15]对拖拉机前轮定位参数进行了系统研究,
并且首次提出了前轮定位参图2 前轮转向阻力臂结构示意图数除包括通常的4个主要参数以外，还有一个长度参数，即
转向阻力臂，如图2所示。从前轮定位对车辆可操纵性影响
方面考虑，该参数确实是前轮定位中一个重要参数，只不过
目前仍未得到公认，有待进一步研究。近年来，国外用车辆
前轮定位参数调整机构，制造出适合各种车辆需求的前轮
定位调整配件[24]，但这只是一种补救措施，仍没有从根本
上解决前轮定位参数合理设计难题。2 前轮定位参数研究的展望
2.1 外倾角与前束值
车辆外倾角的设计要考虑多方面影响因素，初步设计时要计及的因素有:①补偿前悬架受载变形所需的前轮外倾角;②与拱形路面相适应的前轮外倾角;③抵消高速转向时由离心力产生的正外倾角;④随着车速变化而能调整的动态外倾角。
先有外倾角后有前束值，在车辆的行驶过程中，前轮的外倾角随车辆的载荷、车速、转向、轮胎上、下跳动等条件的变化而变化。由前面的分析和推导可知，前束角与外倾角必须保持合理的匹配关系，才能保证车辆直线行驶稳定性，减小前轮的侧滑和磨损。因此，提出前束值在车辆的行驶过程中追踪外倾角的变化而变化的自适应控制思想，具体实施方法还有待进一步研究。
2.2 主销后倾角
由表1可知，随着低扁平率子午线轮胎使用，现代轿车上主销后倾角总的趋势在减小，有的减小到零甚至为负值，即出现主销前倾的现象。但有些高级桥车，因为有较好的液压动力转向系统，转向助力效果
7951第12期 魏道高：汽车前轮定位参数研究与展望
8951 合肥工业大学学报(自然科学版) 第27卷
好，能抵消前轮主销后倾增大带来转向阻力矩增大的弊端，因而主销后倾角有增大的趋势。如宝马的几种车型采用主销后倾角高达8°左右，以保证车辆高速回正性能和高速直线行驶稳定性，说明对某些车辆在特殊工况下主销后倾角仍有取大的必要性[25]。因此，对某些轿车是否可以采用主销后倾随不同工况的要求自动调整，增加高速行驶稳定性。特别是对于前悬架为麦氏悬架车辆前悬架上支点采用浮动控制策略，满足车辆不同行驶工况要求，以改善其操纵稳定性。
3 结束语
汽车前轮定位参数研究中主要的难点是:①选择或建立较为准确的且计及定位参数影响的轮胎侧偏特性模型是推导其合理算法的基础;②要综合考虑轮胎、悬架、转向系及其它结构参数的影响;③要以操纵
稳定性和轮胎磨耗作为指标对其优化，其中建立较为合理的前轮定位参数对轮胎磨损影响的指标函数仍是一个难点。
[参 考 文 献]
[1] M c N orton T,W heeler F.Ca m ber and toe effect on S BFA heavy truck steering axle tire w ear[J].S A E technicalpaper series,1992,(11):
63-68.
[2] Tasuo F,Shunichi Y,Yoshititaka U.T ire w ear caused by m ild tread sli p[J].Rubber Che m istry and Technol ogy,1997,70(4):572-
583.
[3] W right C,P ritchett G L,Kuster R J.L aboratory tire w ear si m ulati on derived from computer modeling of sus pensi on dyna m ics[J].T ire
Science and Technol ogy,1991,19(3):122-141.
[4] Sakai H.F ricti on and w ear of tire tread rubber[J].T ire Science and Technol ogy,1996,24(3):252-275.
[5] Koutny.M odel of tire w ear[J].Rubber Che m istry and Technol ogy,1991,64(5):683-695.
福州进口大众[6] 元增民.汽车车轮侧滑分析[J].汽车研究与开发,1995,(3):26-30.
[7] 徐 安.轿车前轮侧滑统计建模[J].汽车技术,2000,(9):11-13.
[8] 詹文章.汽车独立悬架多体动力学仿真及转向轮高速摆振的研究[D].长春：吉林工业大学汽车工程学院,2001.
[9] 宋 健.导向轮胎和定位参数对汽车摆振影响的研究及整车横向动力学优化分析[D].北京：清华大学汽车工程系,1987.
[10] 王学浩.当今世界小汽车实用技术数据大全[M].天津：天津科学技术出版社,1994.87-92.
[11] 殷涌光，郁工瑞，程悦荪.拖拉机前轮摆振及稳定性判定[J].农业机械学报,1984,15(1):11-13.
[12] 陈 文.汽车前轮摆振的研究[D].南京：南京林业大学机械电子工程学院,2000.
自驾游记[13] 耶尔森.赖姆帕尔.汽车底盘基础[M].张洪先，余卓平译.北京：科学普及出版社,1992.8-12.
[14] 小田柿浩三.汽车设计[M].徐蓬源译.北京：机械工业出版社,1990.105-107.
[15] 程悦荪，郑联珠，邓石荣.拖拉机前轮定位的作用及其数值的合理确定[J].拖拉机,1986,(4):11-17.
[16] 郑联珠，程悦荪，邓石荣.拖拉机前轮定位参数对操纵轻便性和轮胎磨损的影响[J].农业机械学报,1987,18(1):1-11.
[17] 王伯良，周建立，赵 波，等.拖拉机前轮前束设计计算方法的研究[J].农业工程学报,1995,11(1):89-94.
[18] 孔明树.解放牌CA10B型汽车前轮前束的改进[J].汽车技术,1986,(3):19-24.
[19] 曹立波，孙彦玮，樊慎铭，等.大客车前轮异常磨损机理及改进措施的研究[J].湖南大学学报,1998,25(6):37-42.
[20] 魏道高，陈雪琴，周孔亢，等.车辆前轮前束值与外倾角合理匹配算法的商讨[J].农业工程学报,2003,19(6):139-142.
[21] 魏道高，李光朝，周孔亢，等.皮卡车前轮主销内倾角改进设计的研究[J].江苏大学学报,2003,24(3):45-48.
[22] 管迪华.汽车转向轮摆振的仿真计算研究[J].汽车工程,1982,(1):33-38.
[23] 宋 健，管由华.前轮定位参数与轮胎特性对前轮摆振的影响[J].汽车工程,1995,(3):13-23.
[24] 罗进益，周红军.轿车四轮定位检测与调整[M].北京：人民交通出版社,2002.121-129.
[25] 汽车维修速查手册丛书编委会.汽车四轮定位参数速查手册[M].北京：电子工业出版社,2002.183-237.
(责任编辑 吕 杰)
发布评论