四轮定位对汽车行驶性能的影响及检测与调整分析

摘要

针对目前轿车为了适应高速行驶的稳定性要求,本文以发动机前置前轮抠动形式

的轿车为研究对像，研究四轮定位对汽车行驶性能的影响。对常见问题进展了研究和

分析，如：行驶跑偏，车轮侧滑，操纵稳定性，轮胎异常磨损等。文章最后介绍利用

四轮定位仪排除故障的方法。

关键词：四轮定位，行驶跑偏，操纵稳定性，检测与调整

Abstract

Thepurposeofthisthesisistoadaptdrivingonthehighway,toresearchtheengine

whichisinfront.ItresearchestheinfluencethattheFour-wheelalignmenttothedriving

performance.Itanalysesthenormalproblemsduringdriving,forexampledrivingwandering,

wheelsideslip,ControllabilityandStabilityandtire'sabnormalwearandtear.Intheend,it

introducesthemethodofhowtoobviatethemalfunctionwhenusingFour-wheelalignment

Keywords:Four-wheelalignment,Drivingwandering,ControllabilityandStability,

Calibration&adjustment

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目录

前言...............................................................4

1四轮定位概述.......................................................5

1.1四轮定位参数定义............................................5

1.2测量原理与测量要求.........................................6

1.3四轮定位仪组成............................................11

2对汽车行驶性能的影响..............................................14

2.1车身空气阻力对前轮定位参数的影响..........................14

2.2四轮定位对车轮侧滑的影响..................................18

2.3前轮定位及其动态变化对汽车操稳性能的影响.................23

24四轮定位对行牧跑偏的影响..................................26

2.5四轮定位对轮胎寿命的影响..................................30

2.6四轮定位的开展趋势........................................31

3检测与调整........................................................34

3.1故障诊断程序...............................................34

3.2调整技术研究...............................................37

4结论..............................................................41

致谢..............................................................42

参考文献............................................................43

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1四轮定位概述

汽车四轮定位的要求定位更准确，这就对四轮定位的测量技术提出了更高的要

求，以前束尺，米尺为主要设备的维修已跟不上耍求。目前以无线激光测量，蓝牙传

输的仪器已经普遍使用。本章介绍四轮定位仪以及它的测量原理。

1.1四轮定位参数定义

1主销内倾角

如图1-1所示，转向主销〔或者上球节与下球节的连线〕相对铅垂线向内倾斜,

称这个倾角为主销内倾甭。

图1-1车轮外倾角和主销内倾角图1-2主销后倾角示意图

2主销后倾角

如图1-2所示，从前轮的侧面看转向销相对应铅垂线向前、后倾斜，称这个倾角

为主销后倾角。

3前轮外倾角

如图1-1所示，转向轮安装时并非垂直于路面，而是向外侧倾斜一个角度，车轮

中心平面与铅垂线的夹生称为外倾角。

4刖轮刖束

转向轴上两转向轮并非平行安装的。如图1-3所示，两前轮前面的间隔A比后面的

间隔B小，称这种状态为总前束，通常用B-A来表示这个量即左、右单轮前束之和。

前束值也可以用角度来表示。每一车轮的旋转平面相对汽车纵向轴线〔几何中心

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线〕的内夹角称为单轮前束角

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0,车轮前端偏向纵向轴线方向为正，反之为负，单轮前束通过公式〔1-1〕计算。

L=Oxsin0〔1-1〕

式中：L---单轮前束值,单位:mm；

D——车轮前束测量点所处的直径，单位：mm；

(P——单轮前束隹，单位：°。

图1-3前轮前束〔俯视图〕图1-4推进角示意图

5推进角

如图1-4所示，推进角是指汽车的行进方向与汽车纵向几何中心线的角度由于车辆

制造精度、长期使用或发生交通事故后，车本体或车桥发生变形，致使后轴中心对称线

发生偏斜，产生了推进用。

6轴偏角

同一轴上两车轮中心连线与车辆纵向轴线的垂线之间的夹角。右轮相对于左轮在

前为正，反之为负。轴偏角也称为退缩角。

7包容角

即是前轮外倾角和主销内倾角之和

8后轮前束和车轮外倾角

后轮前束和外倾角的定义与前轮一样，只是在这些参数在后轮上。

1.2测量原理与测量要求

目前常用的定位仪测量原理是一致的，只是测量方法〔或使用的传感器的类型〕

及数据记录与传输的方式不同，下面介绍四轮定位仪可测量的几个重要检测工程的测

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量原理。

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1车轮前束和推进角的测量方法

总前束测量范围：±6。；精度：在±2“范围内精度为±4',其余范围精度为土

10'。单轮前束测量范围：±3。；精度：在±2。范围内精度为±2',其余范围精度为

±5'。推进角测量范围：±6。；精度：在±2。范围内精度为±2',其余范用精度为

±10'。

在测量前束时，必须保证车体摆正且方向盘位于中间位置，为了提供车轮前束值

〔或前束角〕的测量精度，在检测车轮前束之前\常通过光线照射或反射的方式形成

一封闭的直角四边形如图1—5所示。将待检车辆置于此四边形中，通过安装在车轮上

的光学镜面或传感器不仅可以检测前轮前束、后轮前束，还可以检测出左右车轮的同

轴度〔即同一车轴上的左右车轮的同轴度〕及推进角。四轮定位仪采用的传感器不同，

测量方法亦有所不同，这里仅就光敏三极管式传感器来说明一•下车轮前束的测量原理。

图1-58束光线形成封闭的四边形图1一6光敏二极管构造和外形

光敏三极管为近红外线接收管，是一种光电变换器件，它的构造与外形如图

1-6所示。其工作状态为：不加电压，利用P-N接在受光射时产生正向电压的原理，

把它作为微笑光电池。在光敏三极管后面接一些用于接收信号的元件，以便及时对光

敏三极管上所获得的信号进展分析处理。

安装在两前轮和两后轮上的光敏三极管式传感器均有光线的接收和发射〔或反

射〕功能，通过它们间的发射和接收刚好能形成类似于图1一5所示的四边形。在传感

器的受光面上等距离地将光敏三极管排成一排，在不同位置光敏三极管接收到光线照

射时，该光敏管产生的电信号就代表了前束角或推力角的大小。下面进展具体说：

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当前束为零时，在同一轴左右轮上的传感器发射〔或反射〕出的光束应重合。当

检测出上述两条光束相平行但不重合,说明此时左右两车轮不同轴〔即车发生了错位〕,

可以依据此时光敏管输出偏离量的信息，测量出左右轮的轴距差。

当左右轮存在前束时，在左轮传感器上接收到的光束位置会相对于原来的零点位

置有一偏差值〔注意正负号〕，这一偏差值即表示右侧车轮的前束值〔或前束角〕；同

理，在右传感器上接收到的光束位置相对于原来零点位置的偏差值那么表示左侧车轮

前束值〔或前束角〕。其测量原理的简单示意图如图1—7所示。

1-刻度盘2-投射器支臂3-光敏三极管4-激光1〜4洸线接收器5-前轮6-后轮

盘5-发射激光束6-接收激光束

7-汽车纵向轴线a一推力角

图1-7车轮前束角的测晶原理图1-8推力角的测球原理

依据上述检测原理，同时可以检测出位于该四边形内的待检车辆前后轴的平行度

〔即推力角的大小和方向〕，其检测原理的简单示意图如图1—8所示。同理，通过安

装在后轮上的传感器，我们可以检测出后轮前束值〔后轮前束角〕的大小和方向。

图1-9外倾角测觉原理图

2车轮外倾角测最方法

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测量范围：±10°；精度：在±4。范围内精度为±2',其余范围精度为±10'。

如图1-9所示，安装在车轮上的传感器可直接测得车轮外倾角。在车轮传感器上

有水平仪。当外倾角为a的车轮外于直线行驶位置时，通过支架垂直于转向轮旋转平

现垂直。此时，气泡管与水平面的夹角与外倾角相等，气泡管中的水泡偏移向车轮一

侧。把气泡管调回水平位置，气泡位移量或角度调节量即反映了外倾a的大小。

3主销后倾角和主销内倾角的测量原理

主销后倾角测量范围：±15。；精度：在±12。范围内精度为±6',其余范围精

度为±1()'。主销内倾角测量范围：±20。；精度：在()。~+18。范围内精度为±6',其

余范围精度为±1。'。

主销后倾角Y和注销内倾角§不能直接测出，只能用建立在几何关系上的间接测

fio

⑴主销后倾角Y的测量原理

通常先把转向轮向外转20°,回正后再向内转20°,由于主销后倾角的存在，

转向节枢轴轴线与水平面的夹角发生变化，该变化值即可间接反映主销后倾角的大小。

图1-10主销后倾角的测填原理图1-11主销内倾角的测量原理

如图1-10所示，在三维坐标系OXYZ中，OA为主销中心线，位于OYZ平面内，

OA与OZ构成的夹角丫为主销后倾角；OC为转向节枢轴轴线，转向轮处于直线行驶

状态时，OC与OX轴重合。假定转向轮外倾角”和主销内倾角§均为零，那么OC

与QA垂直。此时，假设转向轮偏离直线行驶位置，转过某一角度中时，OC移至OC',

OC扫过的平面OCC'与水平面的夹角等于主销后倾角丫。由于水准仪垂直于转向轮

旋转平面安装，其上的水泡管始终与转向节转动轴轴线重合或平行。当OC移至OC'

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时，水泡管由MN移至M'N',OC与水平面间形成的夹角为co,水泡管中的

气泡偏离水平时的位置而向M'移动，位移量取决于3的大小。3角取决于前轮转

向节中和主销后倾角Y,当取定值时〔通常取200〕，3与丫一一对应，而水泡管

中气泡位移量与3一—对应，因而通过对气泡位移量的标定即可反映Y的大小。

〔2〕主销内倾角0的测量原理

主销内倾角是通过测量转向轮绕主销转动过程中转动平面的角位移20c而间接

测量的。

如图1-11所示，在OXYZ坐标系中，主销0A在OYZ平面内，OA与QZ的夹

角P为主销内倾角，直线行驶位置时，转向节枢轴线OC与主销。八的平角为90°+

3c转向轮在制动状态向右〔或向左〕偏转中时，OC移至0C'（或。0）。由于主销

内倾角P的存在，C点的轨迹CC'（或CC"）圆弧，3CC'（或。CC"）为圆锥面。因此，

假设在OC前端放置一平行于水平线且垂直于转向节枢轴的OC的气泡管EF,那么在

转向轮偏转过程中，气泡管EF将绕转向节枢轴轴线转动，OC移至OC'后，EF移

至EF,EF与EX间形成的平角为9,角。取决于转向轮转角中和主销内倾角§o

假设使角为一定值时，那么角和角成一一对应关系。由于角的出现导致了气泡管EF

中气泡的位移，因此通过对气泡位移量的标定既可反映£角的大小。

4转向200时前张角的测量原理

汽车使用时，由于前轮的碰撞冲击、长期在不平的路面上行驶和经常采用紧急刹

车，对车辆的冲击作用都可能引起转向梯形的变形。因此会造成汽车在转向行驶中前

轮异常磨损，操纵性变差并间接影响汽车的动力性和燃油经济性。此工程检测在测量

主销内倾角和后倾角时一起测量。

为了检测汽车的转向悌形臂与各连杆是否发生变形,在四轮定位仪中均设置了转

向20,时，前张角的检测工程。其测量方法为：让被检车辆前轮停在转盘中心出，右

轮沿直线行驶方向向右转20°时进展测量；左轮沿直线行驶方向左转动20°时进展测

量〔该转向角可直接从转盘上的刻度读出〕。具体作法如下：

右前轮向右转20°,读取左前轮下的转盘上的刻度X,那么20°-X即为所要检

测的转向20°时的前张角。一般汽车在出厂时都已给出20°-X的合格范围，将测量

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值与出厂值进展比较即可检测出车辆的转向梯形臂与各连杆是否发生了变形，如果超

出标准值或左右转向前张角部一致，那么说明该车的转向梯形臂和各连杆已发生了变

形，需要进展校正、调整或更换梯形臂和各连杆。

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1.3四轮定位仪组成

近几年来，四轮定位仪市场得到了前所未有的开展，无论从产品科技含量还是从

市场竞争形式上都发生了质的飞跃，前几年水准伐、转角盘和前束尺三结合的简陋车

轮定位装置，如今己经演变成为智能网络、数码摄像和蓝牙传输等多种高精尖技术的

集体。本节介绍无线蓝牙式四轮定位仪。

1四轮定位仪主要组成

电脑四轮定位常由电脑主机，四轮平面举升设备，测量传感器和一些辅助设备组

成

常用四轮定位仪主机与检测传感器之间的数据传输方式有:电缆传输式，蓝牙式。

数据电缆式在前些年进口设备大多使用这种数据传输方式。蓝牙式四轮定位仪的各个

车轮的测量机头与数据接收盒之前通过无线电波传输数据，所以无线蓝牙设备使用起

来比较方便〔如图1-12所示〕。蓝牙通讯仅仅是众多通讯方式中的一种，它不是测量

方式，并不影响测量精度，也不是衡量一个定位仪优劣的主要指标

图1-12无线蓝牙式主机和测量传感器外观

四轮平面举升设铎目前在市场上有三种设方案可供选择：剪式举升机，链条式四

柱举升机和跑道式举升机〔如图M3所示〕。此设备一般具有二次举升功能。可以把

车子四轮同时举升的同时，还可以用二次举装置二次举起前轮或后轮，以方便操作。

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图1-13四轮定位用举「机

常见辅助设备有：方向盘固定器，角度盘，传感器安装架，脚制动踏板固定装置

以及一些常用维修工具。

2无线蓝牙式仪器介绍

蓝牙式四轮定位仪的与传统的电缆式不同。区别在于四个车轮测量传感器与数据

处理主机之间的数据传输方式不同。.主机与传感器之间采用蓝牙技术传输数据〔如图

1-14所示〕。

图1-14蓝牙设备工作示意图

蓝牙设备的有效通信距离为10-lOOm,蓝牙无线局部十分小巧，重量轻，可穿墙

通讯，只是在穿越障碍时，会损失功率，使通讯距离缩短。蓝牙技术是目前制造业的

前沿科技，已进入了成熟的使用期。

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蓝牙设备的传感器是四轮定位仪的最重要的局部，每个轮的传感器的精度直接影

响测量的结果。传感器的安装非常关键。传感器发出红外激光线束照射在对应的传感

器上，对应的传感器得已测量的数据，然后把数据传到主机上的数据接收发射接收器,

主机进展数据分析处理并显示测量结果。

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2对汽车行驶性能的影响

车轮定位的正确与否，将直接影响汽车的各种使用性能，如汽车的动力也、操纵稳

定性、平安性、燃油经济性等，如不能正确定位就会造成轮胎的非正常磨损，降低轮胎

的使用寿命。因此，汽左在使用过程中应保持车轮定位值在标准内。

2.1车身空气阻力对前轮定位参数的影响

本节主要研究汽车在行驶过程中车身所受到的空气阻力对车轮定位角的影响。对

车身空气阻力对车轮定位角的影响进展了理论分析。

当汽车高速行驶时，车身所受的空气阻力很大〔空气阻力随车速的平方而增大〕。

对于独立悬架的汽车来说，此空气阻力一定会直接或间接的影响车轮定位角。下面就

这一问题从以下几方面进展理论分析。

1.行驶中汽车的受力分析

由汽车理论可知，汽车的行驶方程式为:

F,二ZF=F/+F,，+Fj+Fj(2-1)

式中：Ff一驱动力；F/一滚动阻力；F..一空气阻力；

Fj一坡度阻力；吃一加速阻力。

这里为了研究的方便，设坡度阻力和加速阻力为零。那么汽车的行驶方程式变为:

F,=F/+F..(2-2)

受力分析如图2-1所示。

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图2-1汽车行驶受力分析图图2-2麦弗逊式悬架的横向剖面图

由此可见，对于前轮驱动的汽车，其在行驶过程中驱动轮上输出的牵引力等于车

身所受的空气阻力与车轮的滚动阻力之和。而滚动阻力与我们的研究无关，故这里设

F；二F「,其中F；就是与空气阻力有关的驱动力。

2独立悬架元件刚度对车轮定位角的影响

对于独立悬架，山于其构造复杂，各组成元件的刚度相对较低，特别是独立悬架

导向杆系较接点处均有橡胶衬套，故其各元件在各种力、力矩的作用下容易发生变形。

下面以麦弗逊式独立悬架为例，对其进展力学分析，从理论上论证悬架刚度对车

轮定位角的影响。

图2-2所示为麦弗逊式悬架的横向剖面图。从图中我们可以很明显地看出其构造

中的橡胶衬套。根据我们上面分析，当汽车匀速行驶时，车轮上剩余的驱动力为

1^；=17^o此驱动力通过转向节、球较链传递给横摆臂，即横摆臂受到向前的

力驱动力为此驱动力通过转向节、球钱链传递给横摆臂，即横摆如

22

图3-2所示。在F力的作用下，横向稳定杆受到向前的推力F,在F的作用下，橡胶

衬套会产生变形，而在摆臂轴处会产生一转矩，在此转矩的作用下，摆臂轴内的胶套

亦会产生变形。这两种变形的叠加将会导致车轮定位角的变化。

图2-3横摆臂受力分析

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为了能够更清楚的表示各个力和力矩，下面我们把横摆臂、横向稳定杆和摆臂轴

进展简化，并对其进展受力分析，如图2-3所示

综上所述，两驱动轮上的驱动力对汽车悬架的横摆臂，将造成一个很大的绕摆臂

钱链点向前转动的力矩和作用在平衡杆的纵向推力。而悬架的横摆臂和横向稳定杆与

车身的联接均采用橡胶对套联接，很容易变形，因此在此力矩和力的作用下两前轮前

端内敛，即前束角增加〔如图2-1虚线所示〕，从而引起定位参数发生变化。

3.悬架振动对车茏定位角的影响

汽车行驶时，由于路面不平等因素激起汽车的振动。而汽车的振动系统主要由轮

胎、悬架等构成。对于独立悬架汽车而言，悬架的振动会影响车轮定位角的变化。

下面我们以双横臂独立悬架为例，建立其运动模型，对其性能参数进展分析，从

而得出悬架振动时车轮定位角的变化规律。

图2-4所示为双横臂式独立悬架运动学模型，图中。点、A点分别为悬架在车身

〔或车架〕上的钱接固定点，。点还与悬架的弹性元件一扭杆弹簧固结。通过。点

建立XOY直角坐标系。

图2-4双横臂式独立悬架运动学模型

车轮上下跳动时，悬架摆臂的位置随着变化，各皎接点的坐标值也在变化。因此,

车轮的运动学参数也在变化。

下面我们来确定各校接点的动坐标：

（1）D点

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X/)=L%cos(e+%)'

(2-3)

匕=LO/)sin(0+eo)

式中：（p——静载时上摆臂OD的初始角;

死——上摆臂OD的摆角;

%——上摆臂OD的长度。

⑵B点

B点坐标的变化应满足：①杆DB的长度不变；②杆AB的长度不变,即:

DO-XBOY+(匕0-丫80)=4(XD-XBY+(勿—

(2-4)

J(x.-xJ+亿。一yJ=J(XLXJ+心一yj

解此方程组，即各得X»YB

⑶C点

C点相对于BD的位置不变，利用定比分点公式即可求得:

X»X〃

X。1+4

(2-5)

小4X。

1+2

式中：X—原始位置中，C点在BD中的位置比。

⑷E点

E点坐标的变化同样应满足两个条件:①EC的长度不变;②BD与EC夹角不变。

利用这两个条件同样可解出E点的坐标值XE，4。

根据上述坐标动态值，可求出悬架跳动时车轮定位角的变化规律，其中:

⑴车轮外倾角

△a=arctg3一％)-arctg居°一及。)

(2-6)

(X£-Xc)%厂XQ

⑵主销内倾角

(2-7)

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至此，我们从理论上得出了悬架跳动时，车轮定位角的变化规律。图2-5为一双

横臂独立悬架跳动时车轮定位参数的变化曲线。

图2-5横臂独立悬架跳动时车轮定位参数的变化曲线。

2.2四轮定位对车轮侧滑的影响

车轮定位参数配合不当会引起转向轮侧滑。使汽车丧失定向行驶能力，导致轮胎

异常磨损。其危害主要有：汽车行驶时发生侧滑，会使汽车的行驶阻力增加，对汽车的

动力性、燃料经济性及制动性能均有不利影响；对汽车的直线行驶产生干扰；导致轮胎

磨损加剧，同时会引起偏磨，导致轮胎使用寿命下降；会影响汽车的操纵稳定性，表现

为高速行驶时方向发抖、发飘等。

1转向轮侧滑的检测与调整

汽车侧滑检测常在侧滑检测台上进展，让汽车驶过可以在横向自由滑动的滑板上,

当车轮通过检验台时，滑板向外移动侧滑量值记为正；滑板向内移动侧滑量值记为负。

GB7258-2004?机动车运行平安技术条件?规定：侧滑检测台检测时，转向轮的横向滑移

量应不大于5米/公里。

只有外倾角的车轮，由于运动类似于滚锥，因而无论其前进还是后退，所引起的侧滑

分量为负。反之，只具有内倾角的车轮引起的侧滑分量为正。仅具有前束的车轮,在向前

驶过侧滑检测台时所引起的侧滑分量为正值,在倒立驶过侧滑检测台时所引起的侧滑分

量为负值。山此可见：同时具有外倾角和前束的车轮，在前进时山外倾角引起的侧滑检

测分量与由前束引起的侧滑分量方向相反，两分量相互叠加。在理想状态下使用侧滑板

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检侧滑时，应该前进时侧滑量为零，后退时为负；如果外倾偏大，那么前进为负，后退

也为负；前束偏大时，前进为正，后退为负。

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在测量测滑量时，影响侧滑量超标的因素有很多，如转向轮零部件磨损，零件间

配全间隙变大；轮胎气压及规格不符合标准以及胎面上有油污、石子；测量时通过侧滑

台的速度过快等因素。测量时车速一般以3-5KM/H为宜，不应该有制动，转动方向盘

等操作。一般情况下，当侧滑量超标时，调整前束就能使侧滑量合格。但也有特殊情况，

当汽车前部因碰撞出现变形时，会导致左、右轴距不相等或使前轮定位角发生较大的变

化，影响侧滑量超标，此时应该利用四轮定位检测仪，测量汽车的前轮定位参数。如果

前轮定位参数合格，侧滑量应该是合格的；反之，侧滑量合格，前轮定位参数未必一定

合格。

正常行驶的汽车，引起车轮侧滑的因素很多，除了主要因素一车轮定位参数之

外，还有车速、轮胎气压、载荷、前驱动等因素也对汽车车轮侧滑有不同程度的影响产

生侧滑。

2前束和外倾引起车轮侧滑的理论分析。

车轮侧滑的产生是车轮前束与外倾综合作用的结果,但前束和外倾具体是如何影

响侧滑的，下面详细论述

〔1〕车轮外倾角对侧滑的影响

图2-6外倾角与外倾侧向力的关系图2-7外倾车轮的胎面变形

具有外倾角的汽车转向轮，当不受约束地滚动口寸，其类似于滚锥绕着锥尖滚动,

轨迹不是直线而是向外的圆弧。由于其受到转向轴的约束，两转向轮都只能按汽车给

定的方向直线行驶。因此，在车轮中心将产生一个侧向力将车轮拉回直线行驶方向，

那么在车轮接触面上产生一个与方向相反的侧向反作用力，这就是外倾侧向力，如图

2-

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6所示。

当轮胎外倾滚动时，其胎面各局部变形如图2-7所示，图中2a为接地印迹长度。

由于胎面各局部有相应的侧向变形，因而产生相应的侧向应力。对于x处印迹的侧向

变形为：

△Y=AZ

式中△Z为轮胎接地局部的垂直变形，它是X的函数。

因为b=、/R2-c『，车轮外圆的方程为：

(x-a)2+(z-Z?)2=R2

将b代入上式并整理得：

z2-2zylR2-a2+Y-zax=0

解Z的一元二次方程，X轴下方的z为：

Az=V/?2-a1-yjR2-(x-a)2(2-8]

由泰勒级数近似展开式得：

JR2NR」⑶

[2-9]

_21H人

12—10〕

将〔3-9〕、〔3-10〕两式代入〔3—8〕式，那么有：

x2-2axa2x(x公

Azx----------=------------2

2R2Ra[a)

所以x处印迹的侧向变形为：

Q")X(/X、

Ay=Az-tgy=------------2-tgy

2RJ

那么x处由外倾角引起的侧向应力为：

e..Cv^ax(

lyr=Cy\^y\=——2c

ZA〈a)

式中：c,一胎面单位长度的侧向刚度

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外倾侧向力尸"如下:

rC-a(x)Cap2«[x2|

-dx=Fv-tgy,2x一一]dx

"2R<aJ2RJoIaJ

3

CY-a42Cva

=-^-^Y-^2yr~'tgy="tgy

ZKJDK

3

式中K,=等&为轮胎外倾刚度。

3R

由上述分析可知，外倾侧向力/与吆7成正比，即小与/角必然成一定关系：

随着车轮外倾角Y的增加，侧向力随之增大。同理，当车轮处于内倾〔即负外倾〕状

态时，侧向力也随着内倾角的增大而增加，只是方向与车轮外倾引起的侧向力仁的方

向相反。

〔2〕前束对侧滑的影响

对只具有前束的转向轮，当其不受约束地在地面上滚动时，转向轮将按前束角偏

离给定方向滚动。由于受到转向轴、转向横拉杆等的约束，转向轮只能沿汽车纵轴线

方向直线行驶，因而在车轮中心将产生一侧向力尸加，将车轮推回直线行驶方向。在

车轮与地面的接触面上那么会产生一个与方向相反的侧向反作用力入〃,这就是前

束侧向力。

汽在行聆方向

图2-8前束轮胎的胎面变形

当转向轮以一定的前束角”向前滚动时，前束车轮的胎面变形〔为简化分析，假

设胎体为刚性，轮胎的全部弹性集中在胎面上，且轮胎宽度很薄〕如图2-8所示。O

点为印迹前端点，印迹中轮胎上的一点经过时间t后，由。点到达P点，而后继续向

前滚动。当轮胎变形产生的侧向应力与摩擦应力相等时〔即到达A点后〕，轮胎上的

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点

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P开场滑移，最后回到不变形的初始位置。OA为附着区，AB为滑移区，2a为

印迹长度，所以附着区内胎面上任一点P的侧向变形为

△Y=x-tga

印迹内胎面变形引起的侧向应力

式中：为胎面单位长度的侧向刚度。

由于一般前束角都小于3°,所以忽略胎面印迹内的滑移区，因此轮胎印迹上的

侧向力为

2

F、a=-dx=『c丁tga-xdx=2aCy-tga=ktga

2

式中:为轮胎侧偏刚度,ka=2aCyO

由上式可见前束引起的侧向力4.与前束角a成正比，随着前束的增大侧向力也

随着增加。同理，当车轮处于前张〔即负前束〕状态时，侧向力也随着前张的增大而

增加，只是方向与前束引起的侧向力入〃的方向相反而已，如表2-1所示。

表2-1前轮前束对侧向力的影响

车轮前束Toc(mm).5-1371115

左I.F

侧向力

右RF

F(N)

平均值

注：测试车型BJ1021S,车轮外倾角T30’,车速，轮胎气压200Kpa,空载。向

外为正，向内为负。

由表2-1可知，试验数据与理论分析完全吻合，侧向力与前束和前张都成正比,

只是方向不同。表中的负号表示方向相反。

2.3前轮定位及其动态变化对汽车操稳性能的影响

为了确保所期望的行驶特性，汽车必须选取适宜的前轮定位参数。研究结果说明：

汽车的初始前轮定位参数以及其动态变化对汽车的操纵稳定性能有非常大的影响；同

时可以通过合理的选择前轮初始定位参数以及合理的改变前悬架构造得到适宜的动态

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变化特性来改善汽车的操稳性能。

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汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件屋汽车能遵循

驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干

扰而保持稳定行驶的能力。

常见的双横臂独立悬架是一组空间四连杆机沟，运动关系比较复杂，这里用矢量

方法推导出双横臂独立悬架的运动特性，并结合十二自由度整车动力学模型，编制了整

车动力学仿真软件，据此，仿真分析了不同构造参数下的前轮定位参数对操纵稳定性的

影响及其敏感性。图2-9为方向盘输入曲线，这种甭输入是模拟汽车在实际行驶中超车

工况下的方向盘理想角输入。下面分别研究在此工况下，不同的初始车轮定位参数以及

车轮定位参数动态变化随车速而变化的汽车响应。

图2-9方向盘输入曲线

1不同初始车轮定位的影响

(1)主销后倾角对侧向偏移量的影响

图2-10初始主销后倾角对汽车侧向偏移睛的影响

图2-10(a)中曲线1,2,3分别是初始主销后倾角为6'。1-3。时，汽车侧向偏移

量随车速的变化曲线。图2-10〔b〕中曲线1,2分别是初始主销后倾角为6\-3。时的

侧向偏移量与初始主销生为0o时的侧向偏移量的比值随车速的变化曲线。由图2-10〔a〕,

图2-10司.知，车速在95km/H以下时，随着后做角的增加汽车侧向偏移量减小；而

当车速大于

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95km/H,后倾角增加汽车侧向偏移量增大。这一现象初步提醒，传统上认为“增

大后倾角有利于汽车稳定性”的概念，对于中低速是适宜的，而对于高速车可能导致适

得其反的结果。

〔2〕主销内倾角对侧向偏移量的影响

图2-11初始主销内倾角对汽车侧向偏移度的影响

图2-11W中三条曲线分别是初始主销内倾角为20。,10。。时，汽车侧向偏移量随

车速的变化曲线。图2-11〔b〕中两条曲线分别是初始主销内倾角为20。,10。时的侧向偏

移量与初始主销内倾角为。:时的侧向偏移量的比值随车速变化的曲线。由图2-11W、

〔b〕可知，初始主销内倾角越大，汽车侧向偏移量也越大；随着车速增加，偏移量差

异明显增大。

〔3〕前束对侧向偏移量的影响

Hkm/h)(b)

图2-12初始前束对汽车侧向偏移量的影响

图2-12鼠〕中二条曲线分别是初始车轮前束角为-30'、30'时，汽车测向偏移

量随车速的变化曲线。图2-12〔b〕中两条曲线是初始车轮前束角为-30'、30'时的

侧向偏移量与初始车轮前束角为。’时的侧向偏移量的比值随车速的变化曲线。由图

2-12⑷、〔b〕可知,车速在65km/h以下时，前束角减小,汽车侧向偏移量也相应

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减小；车速在

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65km/h以上时，前束角增加，可减小侧向偏移量。同样说明高速及中、低速时,

前束角具有不同的效应，应引起设计人员和使用保养人员的注意。

2车轮定位动态变化的影响

图2-13车轮定位参数动态变化对汽车侧向偏移后的影响曲线

在图2-13〔a〕，[b],〔c〕，(d)中，Ays/是不考虑车轮定位参数动态变化时的

侧向偏移量；AYdyn是考虑车轮定位参数动态变化时的侧向偏移量；AYt是不考虑车

轮前束的运动学动态变化时的侧向偏移量；是不考虑主销内倾角的运动学动态变

化时的侧向偏移量；△、&是不考虑主销后倾角的运动学动态变化时的侧向偏移量；

由图2-13可知，车轮定位的动态变化对汽车侧向偏移量有明显影响；按车轮定位

的动态变化对汽车的侧向偏移量的影响大小依次是：车轮前束的动态变化，主销后倾动

态变化，主销内倾动态变化，其中车轮前束动态变化的影响占主导地位。

车轮的定位参数取值对汽车的操纵稳定性有很大的影响，而且车轮定位参数在汽

车运动过程中的动态变化也影响到汽车的操纵稳定性能。这里利用已建立的整车模型

以及双横臂独立悬架模型，对模型对车轮定位参数的敏感性进展了初步模拟计算，得

到了不同的初始前轮定位参数值对汽车侧向偏移量的影响曲线和车轮定位参数动态变

化对汽车侧向偏移量的影响曲线，通过对曲线的分析研究，得出一些参数对汽车性能

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影响的信息。

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2.4四轮定位对行驶跑偏的影响

汽车行驶跑偏是汽车常见的故障现象，该故障的原因很多，但大局部是由于四轮

定位参数不准确或不匹配引起的。本节通过对四轮定位所引起汽车行驶跑偏的机理分析

和实例验证，分别指出总后倾角、总外倾角、主稍内倾角、车轮摆动角和推进角等对汽

车跑偏的影响，对四轮定位参数不匹配引起的汽车行驶跑偏现象进展了较为深入的分析

和探讨.

1汽车行驶跑偏

（1）行驶跑偏的概念

汽车行驶跑偏是指汽车在正常直线行驶时，驾驶员将转向盘自由地置于中间位置,

而汽车行驶方向总是右现那么地向右或向左偏离汽车纵轴线方向的现象。汽车行驶跑偏

是汽车使用过程中一种较常见的故障现象。该故障会导致驾驶员在行驶时，时刻需要对

转向盘施加一个矫正力，增加驾驶员的操作难度，容易造成驾驶员的疲劳;使转向沉重;

加快零部件和轮胎的磨殒;容易造成制动跑偏，导致制动侧滑现象的产生，特别是在高

速公路上的紧急制动，还可能会引起严重的侧滑，从而酿成重大的交通事故。所以，行

驶跑偏会影响汽车零件的磨损速度，汽车的操纵稳定性以及制动时汽车的方向稳定性,

而且容易造成驾驶员的疲劳，从而影响驾驶的平安。

〔2〕行驶跑偏的原因

一般地说，引起汽车行驶跑偏的原因主要有：

1）左右轮胎气压不等，车轮直径不等。

2）车轮动不平衡。

3）四轮定位参数不准确以及不匹配。

4）行走系零部件的制造误差和变形。

5）转向系零部件的制造误差和变形。

6）轮毂轴承左右间隙不一致。

7）单边车轮制动器制动拖滞。

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8）两侧悬架弹性不等。

9）各零部件安装和磨损引起的误差。

实际上，上述的许多原因又是通过影响四轮定位参数，进而引起汽车行驶跑偏。如

某些零部件的制造误差和变形就会引起四轮定位参数的改变。四轮定位不准确将引起汽

车的行驶跑偏，但即使四轮定位参数都在规定的范围之内，而它们之间的参数如果相互

间不匹配，也是有可能会引起汽车行驶跑偏的。

2四轮定位的因素

汽车的四轮定位包括前轮定位和后轮定位，其作用是使汽车转向时能上动回正，

转向轻便，减少零部件的磨损和变形，提高汽车的行驶稳定性。汽车前轮定位包括:主

销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束等4个因素。但四轮定位包括哪些因素

目前还没向一个统一的标准，比较常见的四轮定位育:主销后倾角、主销内倾角、车轮

外倾角（包括前轮和后轮）、车轮摆动角〔前轮前束和后轮前束）、转弯半径、包容角、摩

擦半径、推进角、车轴偏角和转向前展等因素。

3定位参数不匹配对跑偏的影响

四轮定位的参数匹配主要是指汽车车轮的左右或前后的同一参数之间的相对值。

在四轮定位的各参数中，参数不匹配引起跑偏的主要因素有:总后倾角、总外倾角、主

销内倾角、车轮摆动角和推进角等。

〔1〕总后倾角的影响

总后倾角是指两侧车轮主销后倾角之差。如果主销后倾角都在规定的范围内，但

总后倾角不等于零，那么汽车两侧车轮所受的侧向力不等，汽车就可能会跑偏。一•般是

向后倾角小的方向跑偏。所以总后倾角不宜过大，一般应在o.5°-r之间。一般汽车对

总后倾角的大小都作了规定。

〔2〕总外倾角的影响

总外倾角是指车轮两侧外倾角之差。车轮有了外倾角后，在滚动时，就有一个滚

锥效应，导致两侧车轮向外滚开。这样，即使两侧车轮的外倾角都没有超标，但如果总

外倾角不等于零，车轮向两侧滚动的效应便不相等，汽车就可能会跑偏。一般来说，外

倾角大，向外侧滚动的效应也大，所以，汽车会向外倾角大的方向跑偏。因此，总外倾

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角不宜过大，一

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般应在0.5。以内。

〔3〕主销内倾角的影响

主销内倾角可以使车轮有自动回正作用，并且使转向轻便。如果左右主销内倾角

都在规定范闱内但不相等，那么汽车两侧车轮所受的侧向力也将不等，导致汽车会行驶

跑偏。汽车将向主销内倾角大的方向跑偏。

〔4〕车轮摆动角的影响

车轮摆动角是指前轮前束和后轮前束，车轮摆动角是通过消除由外倾角引起的滚

锥效应，从而消除轮胎与地面之间的滑动，以到达减少磨损，减少变形，提高转向轻便

和行驶稳定的目的。车轮摆动角不在规定的范围内，其对两侧车轮滚锥效应的消除程度

不同，所以，必然会导致汽车的行驶跑偏。

〔5〕推进角的影响

汽车是沿着推进线的方向前进的，而推进线就是后轮总前束的平分线。一旦推进

线与汽车纵向几何中心线不重合，汽车将会跑偏，推进角越大，跑偏就越严重，汽车将

向几何中心线偏推进线的方向跑偏。推进角是汽车行驶跑偏的一个重要原因。

4实例分析验证

在对某新轿车行驶跑偏的测量、分析和排除的过程中，可以对上述机理进展验证。

该车跑偏测量过程和数据如下:根据?GB7258—1997机动车运行平安技术条件1998—01

一01?的规定，在平坦、硬实、枯燥和清洁的道路上进展了往返各2次的测试。其有规那

么地向右跑偏的数据如表2-2所示。

表2-2路试平均跑偏员

行驶距离/m平均跑偏量/m

30（正向）

40（反向）

在排除了各种影响汽车跑偏的因素后，在四轮定位仪上，对其四轮定位参数进展

了测量，其结果如表2-3所示。

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表2-3四轮定位参数表

前轮

左轮右轮

前束-0050-rio

总前束-201

车轴偏角一0016

车轮外倾角+017+0'18

总外倾角-001

主销后倾角+3051+201

总后倾•角+ro4

主销内倾角+12014+13°25,

包容角+1Z321+13°43,

转向前展+「49+2001,

后轮

前束-0038,-004

总前束-042

推进角-0°17,

车轮外倾角-0032-0014

总外倾角-046

口〕跑偏原因的分析

将表2-3的数据与该车型的四轮定位参数标准进展比照，发现各参数都在厂家的规

定范围之内，但是汽车却出现了严重的跑偏。究其原因，对上表的数据进展分析后，可

以看出四轮定位各个参数对汽车跑偏的影响。

1〕总后倾角的影响

从表2-3知主销后倾角都在标准范围（标准为：1,5013。20'）内，但总后倾角为

+104,这将使汽车行驶右偏（向较小后倾角的右边跑偏）。

2〕总外倾角的影响

从表2-3知前轮的总外倾角很小，对跑偏的影响不大。后轮的总外倾角到达了

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-0c46,山于负号表示车轮的上端比下端更靠近汽车的内侧，而左轮的外倾角为

-032,右轮的外倾角为-014.，即:左轮向内跑偏较多，相当于右轮向右跑偏较多。所

以该总外倾角将导致汽车向右跑偏。

3〕主销内倾角的影响

从表2-3知左主销内倾角偏小，右主销内倾角在标准范围（标准为+13"15’

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十】4。45'）之内，但左右主销内倾角不等，汽车将向内倾角较大的方向跑偏，即导

致汽车向右跑偏。

4］推进角的影响

从表2-3知后轮的推进角为：-0。17'（负号表示推进线向右偏斜），这将使汽车行驶右

偏。

〔2〕调整后的对照

将四轮定位的参数逐步进展调整，特别是调整了上述引起跑偏的因素后，发现跑

偏在逐步减少，直到汽车根本处于直线行驶状态。需要注意的是，四轮定位的调整比较

困难。有时一个因素的调整会引起另外因素的变化，而且大局部车型都是只能调整其中

的局部参数，所以局部参数不匹配有时是难免的。在实际的汽车修理和调整过程中，跑

偏的故障很多，许多跑偏故障难以消除，原因比较多，但也可能存在制造厂家的某些原

因：

1）四轮定位参数的范围是否合理。

2）四轮定位参数中各可调整的因素是否合理。

3）从本实例可以看出，各四轮定位参数的影响

都是向同一方向的（本例都向右），其累积以后的效应会明显放大，导致该车跑偏

严重。

2.5四轮定位对轮胎寿命的影响

汽车在运行中常出现转向车轮轮胎的不规则磨损，特别是胎面和胎肩花纹的锯

齿形磨损，并时常伴随方向盘沉重或摇摆、动力下降、油耗增加等现象。其原因大都是

由于转向轮定位不正确。对正确合理地使用和维护轮胎，提高轮胎的使用寿命和行驶的

平安性及降低本钱，具有非常重要的意义，下面介绍车轮定位不正确对轮胎磨拂的影响

1前轮前束的。

前轮前束值过大时，轮胎在滚动中必然会产生向外的滑移，结果使胎面产生从外

侧到内侧的横向磨损，胎面外侧磨损严重，内侧花纹沟起毛；前轮前束值过小时轮胎内

侧磨损加重，而外侧边缘花纹沟边起毛。前轮前束值不正确对轮胎磨损的共同特点是:

胎面磨损速度很快，甚至几千公里就可将新胎磨废。引起前轮前束值不正确的主要原因

实用文档.

是前桥和横拉杆弯曲变形、球头销及销座磨损过大、前轮轴承间隙过大、车架变形等。