四轮定位的基本参数及其对汽车性能的影响
一、车轮外倾角
轮胎顶部向外倾斜时,车轮中心线在铅垂线外此时外倾角为正外倾角(positive camber图4.2侧中)轮胎顶部向内倾斜时,车轮中心线在铅垂线内侧,此时州顷角为负外倾角(negative camber图4.2右)轮胎完全与地面垂直时,车轮中心线与铅垂线重合。此时外倾角为零外倾角(zero camber图2.2左)
正外倾角具有如下作用:
1}在汽车重载时,防止由于载荷而产生的不需要的外倾角,以减小轮胎的磨损。当大量载荷作用在车辆时,会导致悬架的一些部件和相关衬套变形。致使车轮顶部有向内倾斜的倾向。正外倾角使得载重后的车轮不至于产生过大负外倾角,这样轮胎面能更好的与地面接触,减少不必要的磨损。
2)减小转向操纵力,使转向更为轻便。汽车转向时车轮的转动是以转向轴线为中心,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,所需的转向操纵力也越小。车轮的正外倾角让轮胎接地点向内缩,从而减小偏距,转向也因此变得轻便。
3)减轻轮毅外轴承负荷,防止车轮脱滑。正外倾角的存在,使得路面垂直作用在车轮上的反作用力产生一个迫使车轮沿轴线向内的分力,有助于防止车轮脱滑。而负外倾角会使得这个分力方向沿车轮轴线向外,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,减轻轮毅外轴承负荷。
4)正外倾角还可以减小转向节上的负荷,防止转向节弯曲。
由于正外倾角的这些作用,现在大多数的客车和轻型卡车都采用正外倾角的设计。然而随着道路条件的改善,轿车的普及,人们对汽车高速行驶时的性能更加注重,再者是轿车的负载不高。所以如今大量高性能的轿车都采用了负外倾角的设计。
负外倾角可以使高速行驶的车辆具有更好平顺性,并改善转弯时的车辆稳定性轿车高速转向时,由于离心力的作用,车身会向外倾斜。此时若为正外倾角设计的汽车,则其正外倾的角度会增大,加大外侧悬架的负荷和外侧车轮的变形与磨损,降低车辆转向性能。而负外倾角设计的汽车,转向时车身向外倾斜,使车轮外倾角减少,成为零外倾角或较小的正外倾角,从而降低了车辆的倾斜度,减小外侧车轮的磨损,更是提高了转向时的稳定性。
另外,零外倾角的设计,可以保证汽车直线行驶时车轮内外受力均匀且具有相同的转动半径,使得磨损均匀,增加轮胎寿命。所以,现代不少汽车也采用了零外倾角的设计。
二、前束
车轮正外倾角的存在,使车辆向前行驶时,车轮有向外滚动的趋势,再由于车桥的约束,车轮不可能滚向外侧,这势必导致车轮在地面上打滑,造成轮胎的磨损。前束的设置正是为了消除由车轮外倾角带来的轮胎侧滑现象。
车轮前束(wheel toe)即左右车轮(前轮或者后轮)中心线其后端与前端距离之差,也叫总前束(total toe )。前束可用毫米、英寸、角度等单位表示。总前束数值上等于左轮前束和右轮前束之和。
前束也分为零前束、正前束、负前束(后束)。零前束—左右车轮相互平行,其轮胎中心线前端与后端距离相等。正前束—左右车轮前端指向内侧,其轮胎中心线前端距离小于后端距离。负前束—左右车轮前端指向外侧,其轮胎中心线前端距离大于后端距离。
前束的作用主要是消除外倾角带来的副作用。但在车辆行驶时,刚性的悬架不断受到来自不同方向的作用力,后轮驱动车辆的前轮有后束的趋势。所以一些车轮采用零外倾角设计的车型,其前轮也具有较小的正前束。同理,前轮驱动的车辆,其前轮通常设有较小的负前束。这也是为了补偿转向杆系和转向轮在汽车行驶过程中产生的变化。
为转向机构的杆件对车轮前束的影响。汽车行驶时,转向机构的杆件末端会随着悬挂系统的压缩和拉伸,进行上下运动。若杆件的长度或安装角度不符合标准,汽车在不平整的路面行驶时,转向臂就会受到杆件的推拉作用,将车轮转向一边,致使车轮前束变化,转向发生抖动。
使用不同类型的轮胎对车轮前束的设计也有影响。比如斜线轮胎采用的车轮前束要比子午线轮胎采用的车轮前束大。因为斜线轮胎的胎面和胎肩容易产生较大的变形,这样就产生了较大的外倾推进。
同零外倾角一样,零前束的车轮,轮胎指向正前方,这时轮胎向前滚动的磨损最小。无论是正前束还是负前束的设计的汽车,都是使车辆在行驶时的车轮前束能趋近于零前束,从而提高汽车性能,减少轮胎的磨损。正前束或负前束过大都将引起轮胎胎纹的羽毛状磨损。正前束过大轮胎胎面外侧花纹被磨损,内侧边缘花纹被羽状化。负前束过大时造成的磨损正好相反
汽车前轮外倾角与前束之间相互制约,其目的就是使汽车行驶时车轮的侧向滑移和轮胎的磨损减到最小。不同类型、不同用途的车型的前轮外倾角与前束都拥有各自的匹配关系。
车轮外倾角与前束同时也是四轮定位中后轮的定位参数。后轮外倾角与前轮外倾角作用类似,都使得转向轻便,提高汽车转向稳定性,减少轮胎磨损。也正为此,通常前轮驱动的轿车后轮都采用较小的负外倾角,但一般较前轮外倾角大1倍左右。后轮前束的除了抵消后轮外倾角的副作用,重要的是确保后轮推力线与汽车几何中心线重合,并以此为基准对四个车轮进行定位。左右后轮前束定位不一致,也就无法正确的定位其他的车轮定位参数,形成的推力角还会导致车辆的跑偏。
4.2 主销后倾角
主销后倾角(caster angle)是指在汽车纵向平面内,上球头或支柱顶端与下球头的连线(假设的转向轴线,也可称主销轴线)与汽车前轮中心的垂线形成的夹角后倾角以角度为单位,主销轴线向前倾称为负主销后倾角,主销轴线向后倾斜称为正主销后倾角。
a)主销后倾角原理图 b)正主销后倾角 c)负主销后倾角
转向轮设置正主销后倾角,一是为了在车轮转向时使车轮自动复位。二是为转向轮提供的回正力矩,可以在汽车行驶中偶遇外力作用方向产生偏移的情况下,使车轮自动回复到原来位置,从而保证汽车稳定的直线行驶!川。
正主销后倾角的存在,一方面提高汽车直线行驶的稳定性,并使转向轮在转向后能够自动回正。但另一方面却加大了转向时的阻力,使得方向盘变重。因此一般传统的手动转向的汽车后倾角不易太大。而配置了动力转向系统的车辆就可以采用较大的主销后倾角,即提高汽车直行的稳定性,也可使驾驶员转动方向盘时更有感觉。
负的主销后倾角会使转向时的力量变轻,但转向轮的稳定性降低,高速行驶时车轮会晃动使得汽车发飘,给行车安全带来隐患。另外,如果汽车左、右两轮之主销后倾角不相等(大概相差超过30')时车辆会出现跑偏,汽车会被拉向后倾角较小的一侧。
主销后倾角所产生回正力矩的大小与汽车行驶速度成正比。现代汽车尤其是轿车对汽车高速行驶的性能要求较高,较大的主销后倾角会使汽车高速行驶时产生较大的回正力矩,使得转向变沉,甚至出现转向轮回正过猛引起前轮摆振。因此,现代轿车多采用较小的主销后倾角设计(10~300)。