试论汽车构造与操纵稳定性的关系

张谷雨

（中国人民解放军军事交通学院，天津 300161，中国）

试论汽车构造与操纵稳定性的关系

张谷雨

（中国人民解放军军事交通学院，天津 300161，中国）

随着汽车的普及，人们对汽车的要求越来越高，在获得良好的动力性和经济性的同时，还要求具有良好的操纵稳定性。在汽车操纵稳定性的研究中，前轮外倾、主销后倾、主销内倾、前轮前束的变化趋势，对汽车的稳定性有重要影响。

汽车；操纵稳定性

1 操纵稳定性概述

通常认为汽车的操纵稳定包含两个互相联系的部分，在不能过分地降低汽车的行驶车速或造成驾驶员过分紧张和疲劳的条件下满足：（1）根据路面、地形和交通情况的限制，汽车能够正确地遵循驾驶员通过操纵机构所给定的行驶方向，这主要指操纵性。（2）汽车在行驶过程中具有抵抗可能改变其行驶方向的各种干扰，并保持稳定行驶的能力，这主要指稳定性两者很难断然分开，稳定性的好坏直接影响操纵性的好坏，通常两者统称为操纵稳定性，并定义为：驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能够遵循驾驶员通过转向系统及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。

2 汽车转向系统与操纵稳定性

2.1 汽车转向系统的作用

汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为转向系。汽车在行驶过程中经常需要改变行驶方向(即转向)时，驾驶员通过汽车转向系使汽车转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。另外，当汽车直线行驶时，转向轮往往会受到路面侧向干扰力的作用而自动偏转，改变了汽车原来的行驶方向。此时，驾驶员可以通过汽车的转向系统使转向轮向相反的方向偏转，恢复汽车原来的行驶方向。

2.2 汽车转向系统的组成

尽管现代汽车中转向系的结构形式多种多样，但都包括转向操纵机构、转向器（齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式）和转向传动机构三个基本组成部分。

转向操纵机构是驾驶员操纵转向器的工作机构，主要有转向盘、转向轴、转向柱等组成。转向器是将转向盘转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向时，操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。从转向盘到转向传动轴这一系列的零件和部件，均属于转向传动机构。

（1）转向器的影响

汽车行驶时，驾驶员对汽车行驶方向的改变是通过操纵方向盘来实现的，转向盘的性能直接影响汽车的操纵性。转向器常见的故障有游隙过大和转向沉重。转向器游隙过大会造成前轮摆头现象。转向器游隙过大的原因是：转向器蜗杆轴上下轴承间隙过大；摆臂轴上的双销与蜗杆啮合间隙过大：转向垂臂轴紧固螺栓松动。转向沉重会使操纵系统不易控制。造成转向沉重的原因是：转向器缺油；转向轴因弯曲或轴管瘪而互相碰擦；转向摇臂轴与衬套配合间隙过小；蜗杆与滚轮传动副啮合间隙过小；转向器蜗杆上下轴承调整过紧或轴承损坏。

（2）转向传动机构的影响

转向传动机构是将转向器传来的力经该机构传向车轮，并使左右转向轮同时朝一个方向偏转一个角度，以保证实现汽车转向。转向传动机构由转向垂臂、转向纵拉杆、转向节臂、梯形臂、转向横拉杆及球头销等组成。传动机构出现故障会使汽车失去控制，造成交通事故。常见的故障有：转向拉杆球头销装配不适（过紧或松旷），转向节主销与衬套配合不符合标准，转向节止推轴承间隙不符合标准；间隙过大会导致汽车中速摆头，而配合过紧或缺油会使汽车转向沉重。

3 悬架系统与操纵稳定性

3.1悬架系统作用

汽车悬架是汽车重要的组成部分，它是连接车轮与车架的弹性传力装置。不仅承受作用在车轮和车体之间的力，还可以吸收与缓和汽车在不平的路面上行驶时，所产生的振动和冲击，从而提高乘坐的舒适性，延长机件的寿命。

3.2 悬架系统的组成

现代汽车的悬架尽管各有不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成，这三部分分别起缓冲、减振和力的传递作用。轿车上来讲，弹性元件多采用螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和不平路面对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但没有减振作用。采用减振器是为了吸收振动，使汽车车身振动迅速衰弱（振幅迅速减小），使车身达到稳定状态。减振器指液力减振器，是为了加速衰减车身的震动，它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。导向机构在轻型汽车中，也是连接车架（或车身）与车桥（或车轮）的结构，除了传递作用力外，还能够使车架（或车身）随车轮按照一定的轨迹运动。传力装置是指车架的上、下摆臂等叉形钢架、转向节等元件，用来传递纵向力、侧向力及力矩，并保证车轮相对于车架（或车身）有确定的相对运动规律。

3.3 悬架系统对操纵稳定性的影响

悬架的作用是把车架与汽车前后桥连接在一起，并使车轮在行驶中所承受的冲击力不直接到车架，以免引起车身的剧烈震动而加速机件的损坏。减振器的作用是当钢板弹簧变形时，能迅速消减其震动，使汽车平稳行驶。如果悬架出现故障，如钢板弹簧刚度不一，减震器失效，则会出现前轮摆头或行驶跑偏，严重影响操纵稳定性。

4 前轮定位参数与操纵稳定性

车轮定位有主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束四个几何结构参数，在汽车行驶中起着重要作用。

4.1 主销后倾角γ

图1所示，转向节主销轴线或假想的主销轴线(某些独立悬架的汽车无实际主销)在纵向平面内向后倾斜，与铅垂线所形成的夹角称为主销后倾角。主销后倾角的作用在于当转向轮受外力影响偏离直线行驶方向时，形成稳定力矩自动回正。

主销后倾角的获得一般是在安装时，通过悬架元件相互位置来保证的。主销后倾角的存在可使转向轴线与路面的交会点在轮胎接地点的前方，可利用路面对轮胎的阻力让车子保持直进，其原理就如购物推车的前轮会自动转至你施力的方向并保持直进。由于汽车转向轮始终是围绕着主销旋转，并且前轴轴荷是通过主销传给车轮的，那前轴的重心就在主销轴线和它的延长线上，由于主销轴线的延长线与轮胎和地面的实际交点之间以保持有一定的距离，汽车转弯时转向轮便产生了离心力，这种离心力引起地面对转向轮的侧向反作用力作用在轮胎与地面的实际接触点上。汽车在转向时，不仅要克服轮胎与地面的摩擦阻力，同时也要克服这一侧向反作用力。同样汽车在行驶过程中由于种种非人为因素造成转向轮产生转向时，这种转向力必须大于主销后倾角带来的侧向反作用力，车轮才能真正实现偏转，迫使转向轮发生偏转的外力消失后，侧向反作用力就可以帮助车轮自动回正，这个侧向反作用力就是主销后倾角产生的回正力矩。侧向反作用力矩的大小取决于主销后倾角轴线的延长线与轮胎和地面实际接触点的距离，以及行车的速度。主销后倾角越大，车速越高，转向轮自动回正的力矩也就越大。

按照国内传统的汽车理论，主销后倾角越大，行驶中产生的离心力就越大，防止车轮发生偏转的反向推力就越大，所以主销后倾角越大，汽车直线行驶的稳定性就越好。但是主销后倾角越大，汽车转向时所需克服的反向推力也就越大，转向就越重，所以主销后倾角一般不超过3°。此外，主销后倾角对转向轮的摆振也起到很好的阻尼作用。但过多地加大主销后倾角也会影响汽车行驶的稳定性，在实践中发现，超过原设计，过多的加大主销后倾角，在高速行驶中会出现转向发飘，左右牵引的故障。哲学上讲凡事都有度，量变多了就会发生质变。主销后倾角过大，转向盘回正过快、过猛，超过了回正范围，到了另一侧继续回正，如此反复就形成了高速行驶中转向发飘、左右牵引，这时适当降低主销后倾角即可排除故障。

4.2 主销内倾角β

图2所示，转向节主销轴线或假想的主销轴线在横向平面内向内倾斜，与铅垂线所形成的夹角称为主销内倾角。主销内倾角亦有使车轮自动回正的作用，同时可使转向轻便。

主销内倾角能帮助转向轮自动回正。前轮是围绕主销旋转的，而主销是向内倾斜的。

主销内倾使转向节距地面高度降低，距地面更近，重力作用使车辆高度被降低，转向轮在转向时沿着倾斜的主销作弧线运动，就和围绕歪斜的门轴做弧线运动一样，随着转向角和主销内倾角加大，轮胎外侧逐步加大路面的压力。汽车在柏油、水泥路面上行驶时，地面比轮胎更为坚硬，轮胎不可能陷入地下。于是，转向时轮胎外侧给地面一个压力，地面就给它一个反作用力，在地面反作用力下，转向轮连同它所承载的汽车前部都要抬起一个相应的高度，才能使它实现转向。

汽车完成转向后，迫使汽车转向的外力消失后，前轮就会在前轴轴荷重力的作用下，自动回到中间位置。从理论上讲主销内倾角越大，汽车的转向轮和整个汽车的前半部分就抬得越高，转向轮的回正力矩就越强，因此汽车急转弯后，手一松方向盘，车轮就能自动回正。

4.3 转向轮外倾角α

转向轮安装时并非垂直于路面，车轮中心平面与铅垂线的夹角称为外倾角，如图3所示。

作用及原理：转向轮外倾可使主销偏移距进一步减小，因而具有使转向轻便的作用。同时，可使转向轮适应路面拱形，防止轮胎表面内外磨损不匀。此外，还能防止车桥承受强荷变形时出现车轮内倾，减小轴端小轴承及轮鞍紧固螺母的负荷，以延长其使用寿命。

4.4 前束

从汽车的正上方向下看，由轮胎的中心线与汽车的纵向轴线之间的夹角称为前束角，如图4所示。轮胎中心线前端向内收束的角度为正前束角，反之为负前束角。总前束值等于两个车轮的前束值之和，即两个车轮轴线之间的夹角。

前轮前束的作用与原理：车轮外倾角使车轮只有在汽车承载后才能垂直于路面，而在空载时车轮则向外倾斜，在行驶中车轮就成了锥体，左右车轮有向两边滚开的趋势，但因前轴和横拉杆又是和左右车轮相连，这就造成了车轮的滑移。为了抵消车轮向两边滚开的趋势，并最大限度地消除车轮的滑移，于是设计了前轮前束，给车轮一个向内滚动的趋势，与车轮外倾造成向外滚开的趋势相抵消，达到直线行驶的目的。前轮前束必须和前轮外倾角相匹配，前轮外倾角越大，前束值就越大。

4.5 车轮定位参数对操纵稳定性的影响

车轮外倾角是汽车前轮定位的一个重要参数，一般尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角的变化，在常见的车轮跳动范围内，其变化量控制在1°以内。最好应使车轮由下向上跳动时外倾角向减小方向变化，以确保汽车曲线行驶过程中车身侧倾时，外倾车轮接近于垂直地面状态，从而提高轮胎的侧偏特性。

主销后倾角对转向时车轮外倾变化影响较大。假若主销后倾角过大，则外侧转向轮的外倾角会向负方向变化。因此，当前轮主销后倾角较大时，需增加前轮转向所必需的横向力，以抵消外倾推力，这样不足转向弱，最大横向加速度会增大。一般认为2°到3°是合理的范围。

主销内倾角有利于主销横向偏距的减小，从而可以减少转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向轻便，同时也减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。内倾角不宜过大，否则在转向时，车轮绕主销转动的过程中，轮胎与路面之间将产生较大的滑动，增加了轮胎与路面间摩擦阻力，这不仅使转向发沉，而且加速了轮胎的磨损。

车轮跳动时的前束变化对车辆的稳态响应特性有很大的影响，是汽车悬架的重要参数之一。设计时希望在车轮跳动时，前束不变或变化幅度较小。

前束值误差过大的危害：

（1）加大了轮胎的侧滑量。跑长途时爆胎大都是由于前束值超差过多所致。汽车过侧滑板时侧滑量过大是由于前轮前束和前轮外倾角不合适造成的，而最常见的是前轮前束不对。不仅前轮，后轮也存在侧滑问题。

新型汽车必须做四轮定位就是因为它们增加了后轮外倾角和后轮前束的设计，这其中重要目的之一就是减少后轮的侧滑。正确的前束值是减少侧滑、延长车轮寿命的有效方法之一。那些在胎冠和胎侧交角处出现锯齿形磨损，就是典型的前束值超差过多所致。外侧胎肩处产生锯齿形磨损说明前束值过大；内侧胎肩处产生锯齿形磨损说明出现了严重的反前束。无论是侧滑摩擦生热造成的爆胎，还是软橡胶和硬地面反复摩擦造成的锯齿形磨损，出现这些故障的车轮的前束值误差都在15mm以上。图5的两条曲线分别表示了外倾角失准和前束失准对轮胎磨损的影响：纵坐标是相对磨损率，横坐标是前束和外倾角。研究证明，在相同的时间里，前束失准状态下轮胎磨损曲线比外倾角失准轮胎磨损曲线上升得要快。而且外倾角不当磨损的是轮胎胎冠的一侧，而前束不当造成的磨损是整个轮胎胎面拉锯齿状的损坏，这证明前束失准造成轮胎滚动时的摩擦比地面相对滑动摩擦更严重。

（2）转向器中速摆振。汽车在接近中速的5km速度范围内出现转向器摆振，提速或减速离开这个速度区域后摆振故障现象自然消失，这通常是前轮前束值误差在8mm以上所致。调整前束后，故障即可消除。

（3）造成轻微的转向偏重。前束值超过8mm时，转向会略感发沉。如使用是循环球式转向器会出现向左转时沉，向右转时轻。我国使用的是左侧转向器，这就决定了循环球式转向器的螺杆是反扣的，向左转时转向螺母向上移动，上轴承受力大。向右转向时转向螺母下移动，下轴承受力大。循环球转向器采用喷溅润滑，但转向器也是减速器，速度极低，上轴只是半干润滑，所以它受力较大时，问题就暴露出来。前轮定位不当造成转向沉重的最常见原因是前轮前束值和主销后倾角，二者区别是：主销后倾角造成的转向沉重，同时伴有转向轮回位差的故障；前轮前束值误差过大造成的转向沉重，在梯形结构转向器中通常表现为转向向左重向右轻，其中前轮前束值不当造成的转向重更为明显一些。

（4）行驶跑偏。齿轮齿条式转向器使用两根横拉杆，调前束时，两根横拉杆调整量必须相等，否则会造成两侧车轮偏转角度不一样，造成行驶跑偏。为此大部分厂家都规定，前束调整完后两根横拉杆在前束上的差值不得大于3mm。通常前轮驱动的轿车与后轮驱动的轿车相比受前束的影响更大，这些轿车的前轮不是被推向前进，而是前轮拉着车辆前进，若是前轮前束值不正确，在冰雪湿滑路面上对方向的控制和操纵的稳定性的破坏更大，所以前轮驱动的轿车前束值更需严格控制。

现代汽车前轮定位参数调整方法随着道路运输高速化的迅速发展，世界各国汽车制造厂为适应汽车在高速公路上行驶的稳定性和舒适性要求，对汽车的悬架及转向系统都进行了根本性的改革。尤其是乘用车，几乎均采用了独立悬架装置，同时改变了单一前轮定位的传统观念，实行前、后车轮都有定位参数的“四轮定位”，进一步保证了车辆行驶系统的稳定性和舒适性。不同车型的悬架系统结构各异，尤其是进口乘用车，其悬架及转向系统差异很大，因而其定位参数及调整方法也各不相同，这给汽车维修工作带来了很大的困难。为保证检测结果的准确可靠，在车辆检测、调整车轮定位参数前，应首先检测并确保下列几点：轮胎的磨损正常、充气压力正确、轮毂轴承不松动；悬架或连接衬套无变形、松动；转向杆系、球形节连接无松动；车轮动不平衡符合标准。

汽车转向系统、悬架系统、前轮定位参数对汽车的稳定性具有十分重要的影响，通过以上阐述可以是我们明白汽车的生产使用中稳定性如何调试，从而增加汽车使用的舒适程度，从而达到了此文的研究目的。

∶

[1] 余志生主编：《汽车理论》，机械工业出版社，2009年版。

[2] 陈家瑞主编：《汽车构造》，人民交通出版社，2008年版。

[3] 幺居标主编：《汽车底盘构造与维修》，机械工业出版社，2004年版。

[4] 王望予主编：《汽车设计》(第4版)，机械工业出版社，2004年版。

[5] 冯永亮主编：《汽车电控底盘检修》，中国劳动社会保障出版社，2006年版

[6] 张光裕、许纯新主编：《工程机械底盘设计》，机械工业出版社，1994年版。

[7] 张光裕主编：《工程机械底盘构造与设计》，中国建筑工业出版社，1986年版。

[8] 诸文龙主编：《底盘设计》，机械工业出版社，1981年版。

[9] 陈焕江主编：《汽车诊断与检测》，机械工业出版社，2007年版。

[10] 李白娜主编：《汽车操纵稳定性的仿真分析研究》，华中科技大学出版社，2006年5月版。

[11] 张蕾主编：《汽车电子控制技术》，清华大学出版社，2009年版。

[12] 戴胡军、程国元主编：《丰田系列轿车维修一本通》，江苏科技技术出版社, 2007年版。

On the relationship between automobile structure and handling stability

ZHANG Gu yu
（Institute of military traffic in The Chinese People's Liberation Army, Tianjin 300161, China）

With the popularity of automobiles, people have higher requirements not only on automotive dynamics and economics but on vehicle handing stability. On the research of vehicle handing stability, the tendency of front wheel camber, kingpin caster, kingpin inclination and front wheel toe has a significant influence on vehicle handing stability.

Vehicle; handling stability