李耀超，马化海，张文新，孙英会

（中国一汽技术中心，吉林 长春 130011）

汽车转向轮定位参数的作用

李耀超，马化海，张文新，孙英会

（中国一汽技术中心，吉林 长春 130011）

文章介绍了汽车转向轮的外倾角、前束、主销后倾角、主销内倾角四种定位参数的作用。为了使得读者能够更直观清晰的理解转向轮定位参数的意义，文章利用大量的简化示意图来说明四种定位参数的工作原理及在车辆不同工况下所起的作用。

转向轮；定位参数；简化示意图

引言

汽车转向轮定位参数直接影响着汽车的操控性和行驶稳定性。目前，已有很多文章将四轮定位参数对汽车行驶性能的影响进行了详尽的叙述[1,2]。然而单纯的文字阐述很难让读者直观的理解每个参数如何影响着车轮的运动及车身姿态。本文利用大量的简化示意图通过图文结合的方式来说明四种参数的工作原理及不同工况下所起的作用，希望使读者能够更加直观、清晰的理解转向轮定位参数的作用及意义。

1 外倾角的作用

车轮外倾角是指车轮在安装后，其端面向外倾斜，即车轮所处平面和纵向垂直平面间的夹角。轮胎呈现“八”字形张开时称为负外倾，而呈现“V”字形张开时称正外倾。正、负外倾角要根据车型，车辆用途等具体情况进行设定，它们都有各自的优缺点。

图1 重载前后外倾变化示意图

当汽车受重载时，车轮顶部会有向内倾斜的倾向，如图1（a）所示，在正外倾角的设定下外倾角γ会减小，轮胎与地面之间形成更好的接触进而轮胎的磨损减小，延长轮胎使用寿命，提高轮胎的抓地力；而如果车轮设定为负外倾角在该种工况下外倾就会进一步变大由γ变成γ+γ’（如图1（b）所示），这样不但会加剧轮胎的磨损，同时也会大大降低轮胎的抓地力。

然而，负外倾角的设计却可以提升高速转弯时车辆的稳定性。车辆在高速转向时，由于离心力作用，车辆会向外倾斜，此时，如果外倾角为正，如图 2(a)所示，其正外倾的角度就会进一步增加，从而加大外侧悬架的负荷和外侧车轮的变形与磨损，导致外侧轮胎抓地力降低，而在转弯过程中外侧轮胎为转弯提供更多的转向动力，进而转向性能变差[2]。而在负外倾角的设定下，转向时外侧车轮外倾角减小，如图2(b)所示，成零外倾或正外倾，降低车辆的倾斜度，减小外侧轮胎的磨损，提升轮胎抓地力，提高转向稳定性。为了提高过弯稳定性，负外倾角的设计目前多用于载重较轻而行驶速度相对较高的家用轿车及跑车上。

图2 转弯前后外倾变化示意图

此外，正外倾角的设定会减少主销内偏距，进而减小转向操纵力，使车轮转向变得轻便。汽车转向时车轮的转动是以主销轴线为中心，以车轮偏距为半径的；即车轮偏距越小，产生的转向力矩就越小，所需要的转向操纵力也越小。如图3所示，车轮的正外倾角让轮胎接地点向内收缩，从而使偏距由C减小至C’，转向也因此变得轻便。

图3 正外倾角对车轮偏距的影响

正外倾角的设定还可以减轻轮毅外轴承负荷，防止车轮脱滑。以左前车轮为例，如图 4(a)所示，由于正外倾角的存在，使得路面垂直作用在车轮上的反作用力 F地产生一个迫使车轮沿轴线向内的分力F2，有助于防止车轮脱滑。而负外倾角会使得分力F4方向沿车轮轴线向外，如图4(b)所示，进而增大轮毅外轴承负荷，减少轴头螺母的寿命。一定的正外倾角可以有效防止车辆满载后的车轮内倾，减轻轮毂外轴承负荷。正外倾角还可以减小转向节上的负荷，防止转向节弯曲。

图4 正负外倾角对地面反力的分解示意图

2 前束的作用

前束是指车身前进方向与车轮平面之间的夹角，也用前轮前端面与后端面在汽车Y方向的距离差表示。车轮前端向内侧倾斜为正前束；车轮前端向外倾为负前束。

车轮前束的设计目的在于抵消车轮外倾带来的外滚趋势，消除由于外倾角所产生的轮胎的侧滑。无论是正前束还是负前束的设计，其目的都是通过外倾与前束相互制约使汽车行驶时车轮的侧向滑移和轮胎的磨损都减到最小。

如图5（a）所示，以左前轮运动状态为例，当前轮只有外倾角γ时，其滚动就类似于锥体滚动，O2为锥顶，OO2为滚动半径，如图5（b）所示运动轨迹不是直线而是向外的圆弧。

图5 左前轮仅有外倾时运动示意图

而对于只有前束的转向轮，转向轮将按前束角偏离给定方向滚动，如图6所示，以左前轮运动状态为例，前束角为α其运动轨迹不是直线而是向内的圆弧。

图6 左前轮仅有前束时运动示意图

又由于车轮受到转向轴，转向横拉杆等悬架结构的约束，车轮只能按汽车给定的方向直线行驶，因此在单独只存在外倾和前束的情况下就会形成前轮胎面在地面上边滚动边滑移的状态，增加了轮胎的磨损。以左前轮为例，图 7(a)是在只有外倾时，车轮受悬架结构约束的影响，在地面上的运动轨迹，运动轨迹；而图7(b)是只有前束时，车轮在地面上的运动轨迹。

图7 外倾和前束对车轮轨迹的影响

为了使前轮在每个瞬间在Y方向的位移尽可能抵消，使车轮滚动方向更接近于正前方，即接近于在XZ平面内滚动，前束与外倾之间需要有特殊的设定关系。

前轮在外倾与前束共同作用下的运动示意如图8所示，为汽车行驶方向，O2为前轮只有外倾时车轮做锥体运动的锥顶， O3为前轮只有前束时，车轮作锥体运动的锥顶，O为轮胎与地面接触印记的中点。由图分析可知，假设车辆直线行驶时，前轮外倾角和前束角恒定不变，弧和有公切线AG，当前轮从 O点开始沿着的方向运动时，如果只考虑外倾的影响，那么前轮将沿着弧运动，设在某一瞬间Δt内，滚动距离为弧长；而仅仅考虑前束影响时，前轮将沿着弧运动，在同一瞬间Δt内，滚动的弧长为，而实际上前轮在向前运动过程中，在Δt瞬间内既没有到达C点，也没有到达E点，而是分别从C、E两点侧滑到D、F两点。如果前束值和外倾角匹配得合理，则向量，的横向分量，会大小相等方向相反。此时OX和OG的夹角等于前束角，轮胎的侧滑量最小[3]。

图8 左前轮在外倾、前束共同作用时的运动分析

现代汽车前轮外倾角减小（甚至为负）前轮前束也应相应减小（甚至为负）。而前束与外倾角匹配不当时，会使转向轮相对地面发生偏左或偏右的侧向滑动，即转向轮侧滑。

目前，国内外对于汽车外倾和前束的合理匹配关系的研究仍处于探索阶段，没有统一定论，衡量外倾角与前束匹配是否合理，只能通过反复侧滑试验来确定[4]。

3 主销内倾角的作用

主销在前轴上安装时，其上端略向内倾斜，形成主销内倾；在横向平面内，主销轴线与垂线之间的夹角叫主销内倾角。主销内倾角的作用是使车轮自动回正，提升行驶稳定性。主销内倾较大时，车轮回正作用变强，但转向费力。

如图9所示，主销具有内倾角β后，当转向轮在外力作用下由中间位置偏转一定角度时，车轮绕主销轴线旋转相应的角度，车轮的最低点将陷入地面以下h处，但事实上车轮不可能陷入路面以下，而是将前轮连同汽车前部向上抬起相应高度。

图9 主销内倾作用原理示意图

当车辆转弯时由于主销内倾，车辆前部被抬起，那么整个车就像停在一个斜坡上，车应该向后滑移，而实际上车没有后移，就是因为地面给车轮一个向前的摩擦力 F，设该摩擦力作用点到主销轴线的距离为 C，进而形成回正力矩M=FC，在车辆转弯时，如图10所示，由于内侧车轮转向角Δ2大于外侧车轮转向角Δ1，故内侧被抬起的高度大于外侧，所以内侧的车轮受到地面的摩擦力 F2大于外侧车轮受到的地面的摩擦力 F1，内侧的力矩 M2=F2C大于外侧的力矩M1=F1C，因此M2>M1，前轮整体还是受到回正力矩M=M2-M1的作用，而自动回正[5]。

同理低速直行时偶遇路面冲击，车轮发生偏转，主要依靠内倾角的回正作用使车轮回到直线行驶时的位置。

图10 主销内倾的回正作用示意图

4 主销后倾角的作用

在汽车纵向平面内，主销轴线上端略向后倾斜，在纵向垂直平面内，主销轴线与垂线之间的夹角叫主销后倾角。

主销后倾的作用主要是为了保持汽车直线行驶的稳定性，并使汽车转向后前轮有自动回正的作用。主后越大，方向越重；主后越小，方向越轻，越易摇摆。然而，主销后倾角也不易过大，过大的主销后倾角会增大方向盘转向阻力，转向后可能因方向盘回正过猛而出现打手现象。车速较高时，如果后倾较大，行驶转向力矩过大还会引起摆振。

图11 主销后倾结构示意图

如图11所示，主销具有后倾角时，主销轴线的延长线与路面的交点B位于轮胎与地面接触点A的前面。汽车转弯时做圆周运动，受向心力作用，此向心力正是图中的作用力F，由地面摩擦力提供，垂直于车轮，作用于A点。向心力F对车轮形成绕主销轴线作用的回正力矩为M=FL，其方向与车轮偏转方向相反。当驾驶员放松方向盘时，车轮仅受回正力矩M的作用，所以车轮自动恢复到原来的中间位置。此时汽车做直线运动，向心力F自动消失。

通过物体做圆周运动的规律可知，运动速度越快，需要的向心力越大，即汽车转弯速度越快，向心力F越大，回正力矩M越大，回正效果越明显，然而，向心力F是由地面摩擦力产生的，所以当摩擦力大于F时，可以正常转弯；当摩擦力小于F时，汽车不能正常转弯，将发生漂移，所以在有水和冰雪的路面上由于摩擦力下降，汽车转弯速度不易过快。

此外，行驶时由于轮胎与地面的接触面中心向后移动，即摩擦力F作用点后移，引起稳定力矩增加，提高汽车直线行驶的稳定性。

根据以上分析可知，主销内倾和主销后倾的作用都在于使车轮能够自动回正，保持汽车直线行驶的稳定性；而区别在于主销内倾的回正作用与车速无关，低速时内倾的回正作用起主要地位，主销后倾的回正作用与车速有关，高速时后倾的回正作用起主要地位。

5 结束语

良好的四轮定位参数设计是使车辆具有良好的操控性和稳定性的基础，需要大量的设计，计算和试验来验证。本文仅对转向轮定位参数的作用及意义进行了简化的解释和说明，而在四轮定位参数中，参数与参数之间，前轮与后轮之间的影响更为复杂；此外，汽车在运动过程中又涉及到四轮定位参数的变化，则需要更加深入的理论和分析才能进行解释和说明。

[1] 陈科利, 邢赞. 汽车转向轮定位参数及检测原理.[J]. 汽车实用技术, 2013(6):59-63.

[2] 张梅,黄如君. 四轮定位对于汽车行驶性能的影响.[J].重庆科技学院学报：自然科学版,2008,10(3):56-60.

[3] 魏道高,陈雪琴.车辆前轮前束值与外倾角合理匹配算法商讨.[J].农业工程学报, 2003(6):139-142.

[4] 祝学亮. 四轮定位参数对汽车使用性能的影响分析.[J]. 汽车实用技术, 2015(11):107-108.

[5] 朱花. 汽车前轮定位之—主销后倾和主销内倾工作原理详解.[J].2014(2):44-45.

The function of car steering wheel positioning parameters

Li Yaochao, Ma Huahai, Zhang Wenxin, Sun Yinghui
( China steam technology center, Jilin Changchun 130011 )

The function of automobile steering wheels’ camber angle, toe, kingpin caster angle, kingpin inclination angle were introduced in this paper. In order to make the theory more intuitive, many simplified schematic diagrams were used to illustrate the principle of the parameters above.

Steering Wheel; Positioning Parameter; Schematic Diagram

CLC NO.: U471.2 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)12-150-04

U471.2 文献标识码：B 文章编号：1671-7988 (2017)12-150-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.050

李耀超（1987-），工程师，现就职于中国一汽技术中心试制部。