汽车前束原理和调整分析

-1-1/11/汽车前束的原理与调整分析提要一、本文介绍了汽车前束的由来，认为外倾角是影响前束的因素之一。滚动阻力和空气阻力也是影响因素之一。另外，还提出了一个新的看法—车轮也是影响前束的主要因素。二、论述了前束的调整，认为只有采用动态调整法，方能真正解决前束调整，进而解决轮胎磨损问题。三、介绍了“动态前束调整仪”的原理，结构及试验结论。四、介绍了国内外前束调整的动态。所谓前束，就是汽车静止时两转向轮的任意理论旋转平面在汽车前进方向有一夹角，即所谓前束角，为了测量和调整的方便，也有将此角转化为上述二平面最后两点间的距离和最前两点间的距离之差，俗称“前束”。一辆汽车的前束调整得是否合适，对汽车前轮轮胎的磨耗起着决定的作用，对汽车的操纵性能也有很大影响。所以前束的问题是个十分重要的问题。然而在国内汽车制造厂中，其所生产的汽车，大约有相当一部分的汽车前束值不在设计规定的范围内。90%以上的汽车，前束值没有处于最佳值。还有相当一部分汽车前束值严重超差。这样的汽车出厂后，其前轮磨损情况是可想而知的。究其原因，当然是多方面的，而且主要是工人的责任心的问题。然而，也不得不承认，我国当时的前束调整工艺及设备落后也是原因之一。此问题一直十分尖锐地摆在我们面前，迫使我们不得不作一些理论上和实践上的探讨。目前由于动态前束调整仪投入使用，此问题方得以彻底解决。一、前束的由来汽车为什么要有前束，前束值的大小是由哪些因素决定的，历来说法不一。但我认为，前束的由来，主要有三。（一）“前束”是为补偿“前轮外倾角”所造成的不利而设计的。关于这一点，过去有许多权威人士都有详细论述，简而言之，认为由于前轮外倾而导至前轮在行进时有前张的趋势，也就是说两前轮的理论旋转平面与地面的交线不平行，因而，轮胎在滚动时受来自地面的侧向摩擦力，当此力足够大时，导至轮胎侧向滑移而造成不应有的磨损，俗称早期磨损。而为补偿这一不利因素，设计者将前轮设计一定前束y，使y正好等于因外倾而产生前轮前张的量。以图使之与外倾组成最佳匹配，让汽车在行进时侧向力为零，前轮处于纯滚动状态，前轮磨损最小。现在的问题是，外倾角是不是影响前束的唯一因素，如果是唯一的，外倾角与前束角应按某一规律一一对应，或者说，能按某一公式计算出来。然而，并非如此。（见表一）由表一可见，二者间毫无规律可循，甚至有同一外倾角，相同级别的汽车却有不同的前束角。反之，有同一前束角的车，其外倾角却不相同。至于所谓前束角为外倾角的15-25%的“统计规律”显然是不全面的。更不用说前轮驱动的汽车了。实验证明，没有外倾角的非独立悬挂的后轮，在行驶时一般没有侧向力，不需要有前束。显然，外倾角是前束角的诱导因素，并不是必要因素，更不是唯一因素。-2-2/11/请看表一摘自人民交通出版社“进口汽车技术性能手册”（82年版）表一（二）“前束”是为补偿滚动阻力和空气阻力对前轮的不利影响而设计的。前桥，车轮及梯形拉杆的结构如图一。设滚动阻力为PM，空气阻力为PN，C和C1为两前轮理论旋转轴心，A和A1为两主销。B和B1分别为梯形拉杆两端的球关节。图一111主销球关节梯形拉杆前轮前桥前进方向滚动阻力PM向前轮中心C简化，得一向后的作用力和一力矩，力的大小与PM相等，力矩驱动车轮转动。PM与本来就作用于C点的空气阻力PN的合力P（P=PM+PN）再向主销A点简化，结果又得一力和一力矩，力的大小与P相等，力矩：M=Pl=(PM+PN)l(l是C点到A点的距离)车型车轮轮胎前束前束角外倾角比率x（前束角/外倾角）x100%CORONA-RT815.60-134-628'1°20'35%LAND-ROVER866.00-161.2-2.410'1°30'10%NINO-KM4007.50-163-517'1°30'19%丰田托约——爱斯6.50-163-415'2°13%皇冠26007.00-144±119'0-1°64%3NM7.00-151.5-311.5'0±30'±38%→±∞苏联胜利206.00-161.5-313'0±30'±43%→±∞苏联吉斯1107.50-160-36.3'0-30'21%→±∞BENZ-0-35008.25-20622'1°37%STEYR3808.25-201.87'2°5.80%FIAT650E8.25-202.59'2°7.70%HINO-KL4007.50-204-619'1°30'21%苏联吉斯1509.00-208-1235.6'1°59%苏联吉斯1518.25-202-513'0°45'28%苏联吉尔1307.00-205-826'1°43%苏联吉尔-MM3-5557.00-202-513.9'1°23%苏联吉尔15712.00-182-513'45'25%FUSO-T653BL7.50-202-412'1°30'12.80%ISUZU-TD50A-D10.00-206-824'1°39%-3-3/11/显然，两个主销上所受力矩大小相等，方向相反，如图示：A和A1所受力矩分别为-M和+M。由于M的作用，使球销有向后转动的趋势，由于受梯形拉杆的约束，又不得转动。设梯形拉杆所受的力为PB，球关节中心到A点的距离AG=S，梯形拉杆的梯形底角为b，则有：PB·S·sinb-M=0即：PB·S·sinb-(PM+PN)l=0由于PB的作用，使球关节中球肖的球面紧贴肖座的球面外侧。设梯形拉杆两端球关节中球肖球面与球座球面间的间隙分别为a和b，很明显此时两球肖间的距离加大了（a+b）/2，为获得“动态前束”的最佳效果，静态前束势必在原来的基础上加大一个量e1e1=D(a+b)=R(a+b)(D是车轮直径，R是车轮半径)S2S应该说明的是，e1也不是个定值，它将随球关节的结构和其所受力的大小而取一相应的值。其变化范围在0到R(a+b)/S间。我们知道，任何零件在加工时，都会有偏差，而且由于空间和重量的限制，任何零件的刚度也是有限的。在-M和PB的相互作用下，各相互关联的零件间可能发生相对位移、扭转和弹性变形，而且这所有的运动的总效果，同样是使前轮前张。为了补偿这一不利效果，又需在原来的基础上将前束加大一个量e2。总之，不论是弹性变形，还是扭转变形，还是零件间发生位移，都会不同程度地使前桥半轴绕主肖向后旋转一个角度，造成前张。就是因为这些因素的影响，使得有些外倾角很小甚至为零的汽车也仍然需要有一定的前束，这已为事实所证明。据“国外汽车”杂志1979年第5期“行驶汽车转向轮定位角的测定”一文介绍，苏联有关部门，使用一种特殊装置，在ΓA3-24《伏尔加》汽车两前轮上测量的结果是：滚动阻力每增加5kg动态前束值减少0.16mm。由于滚动阻力与车速有直接联系，一般来说，车速越高，滚动阻力越大，所以同文还说：和“对ΓA3-24《伏尔加》汽车（主销后倾30’，车轮外倾0°，前轮前束0+3mm）的试验证明，在平坦的沥青路面上，当车速分别以5km/小时，20km/小时和70km/小时行驶时，前束相应减少了0.2,0.4,和0.8mm，急加速和常速制动时，前速相应减了0.5和0.5-3毫米。由此，说明有些高级小轿车和载重汽车都有较大的前束值的原因。如奔驰600，外倾0°，前束6±1，红旗外倾0°，前束5-7。解决CA10B，外倾1°前束10。因为前者普遍采用低压轮胎和超低压轮胎，而且车速很高，最高可达200km/小时。而后者，往往载荷很大。这些都会造成较大的滚动阻力，导至前张严重，故需用较大前束以补偿。在前束由来问题上，对于一些高级小轿车或一些汽车工业发达的国家的部分货车，一般地说，仅有此二项。然而，在我国，由于车轮质量不稳定，特别是在普通货车和吉普车上，车轮的几何精度和平衡精度都极差，质量最差的车轮，其径跳可达2-3mm。端跳可达5-7mm，动不平衡可达3000克厘米到5000克厘米，这样的车轮在行驶时，对地面产生很大图二转向节臂梯形拉杆复位弹簧球销-4-4/11/的侧向力，使车轮遭受严重的早期磨损或畸形磨损。然而，即使在这种情况下，如果适当加大或缩小其前束，仍能使其动态侧向力接近于零，前轮磨损情况就会明显减轻。实验证明，对于精度高、结构合理的车轮通过调整前束，可以使汽车在行驶时，轮胎与地面间的侧向力为零。前束也可以控制在一个较小的范围。然而，对于质量较差的前轮，则做不到这一点。当前轮滚动时，会产生一周期性的脉动的侧向力。其周期等于车轮转一周所用的时间，其波形为不规则曲线。对于有些汽车，侧向力波动范围最大可达12kg。其波形如图三所示。实验结果还证明，其侧向力不但是无规律变化，而且还偏离正常侧向力一个量，这一量的大小，与轮胎支持层的几何形状有关，与其外胎的结构有关。不同外型和结构的轮胎，装在同一辆汽车上，在具有相同的静态前束的情况下，侧向力会有明显的差异，如采用普通轮胎和子午线轮胎时，其侧向力明显不同，前者小，后者大。即使是同一类型的轮胎，由于胎面花纹不一样，其侧向力也不一样。如在对BJ212作前束测试过程中，发现小方块花纹轮胎侧向力大，而连续小细花纹轮胎侧向力小，由此导至前者最佳前束偏大，后者最佳前束偏小，前者最大可达8mm，最小也有1mm。而后者，最大不过3mm，最小可达-1mm。至于轮胎是如何影响侧向力进而影响最佳前束值的，下面将进一步论述。显然，为获得在汽车运行的全过程中，地面对轮胎侧向力总和为零的效果，必须将前束偏离正常前束值一个量。如在图三中，将零点从原零线移至B点，使其受力图由图三所示的情况变为图四所示的情况。.这便是我们所要研究的前束的由来之三。（三）前束是为补偿车轮缺陷而设计的假设车轮如下图A直立在地面，（零外倾），车轮轮网是一个经精细加工的左右完全对称的有足够刚性的构件，轮胎也是一个高品质的完全均匀对称的橡胶弹性体，那么它的受力就只有汽车自重压力和地面的垂直向上的支反力P和P₂，P=-P₂事实上，车轮在制造过程中，因各种原因。不可能是上述的那种理想的构件，特别是轮胎，在制造过程中的多个环节都可能使其组织包括帘布和橡胶圆周不均匀和左右不对称。形成如图B的情况。221图1图=图四（）图三-5-5/11/图B是车轮的某个断面的情况，假设轮胎右边帘布的厚度a大于左边帘布厚度b，显然，作为充满高压空气的车轮在汽车重力作用下，轮胎受压而变形，由于ab至使右边刚性大于左边刚性,从而导致轮胎向右变形,其受地面一向左的侧向力P和地面支反力P₂及汽车压力P。由于汽车轮胎对地面的压力P不是垂直向下的,而是有一夹角y，此时,其效果相当于车轮对地面有一倾角为y的力。使车轮附加了一个外倾角,不同轮胎,要求不同的外倾角,也就要求附加一个不同的前束。前桥有两个前轮，两前轮附加外倾角的共同作用的结果，很明显地需要一合理的附加前束来与之抵消，这一前束的附加值是多大，需实际侧量而定，我们设因车轮缺陷所需的前束能为y₂，其大小和方向都是因车而异，因时而异。所以出现了图三所示的侧向力无规律（但在一定范围内）的变化。导致最佳前束值也因车而异，有的甚至相差很远，这也为实践所证明。我们在对不同的车（BJ2020）量取动态侧向力为零时的静态前束值时发现可在-2到10间变化。其中90%的车在3mm.到5mm，这说明当时（83年）国产轮胎质量是极不稳定的。另有极个别的车，在作动态前束调整时，发现前轮方向跑偏，用上述观点可解释为：左右车轮因轮胎质量问题，使两边的前轮受同时向左或同时向右的侧向力所至。由于bj2020的前桥是非独立悬挂的，方向跑偏与定位角无关，所以，凡遇上述情况，更换前轮就不跑偏了。当然，车速和载荷也是影响前束的因素，一般来讲，车速越高，载荷越大，要求有更大的前束。但他们都是不确定因素，而且影响不大，所以不在讨论之列。综上所述，前束的由来，主要有三。δ=y+y1+y2其中y1=e1+e2y为外倾角所导至的前束角。y1为地面和空气阻力所导至的前束角。其中，e1为球关节间隙所至，e2为零件变形，位移，扭转等所至。y2为车轮质量缺陷所至的前束角。前束的由来尚且有三，影响其大小的因素就更多了，况且汽车在行驶过程中，这些因素又都瞬息万变（虽然局限在一定范