某车型车轮定位参数异常问题的分析和解决

宋丽

摘 要：車轮定位参数直接影响汽车操稳性和轮胎磨损情况。设计正确的定位参数，生产上更好地控制各个参数，对提高汽车行驶的安全性，获得良好的操控型和乘坐的舒适性有着极为重要的意义。文章从力学角度阐述了车轮定位的基本理论，深入分析了悬架高度，前束，外倾，主销后倾等之间的关系，强调了良好的定位参数设计和生产上精确地控制对于悬架以及整车的重要性。以某车型悬架高度测量值超差为实例，通过对悬架高度定义，悬架高度对四轮定位参数判定的影响，分析了定位参数对整车判定的影响。从测量，装配，零件质量三个大方面分别对影响悬架高度的的因素进行了逐一分析和排查，找到引起车高测量超差的原因。理论计算出了补偿值作为短期措施;在图纸无要求的情况下，通过反向测量进口零件的方法分析对修改零件做出了正确的推断，并通过试验验证了推断的正确性，通过修改弹簧连杆使得车高测量值超差问题最终得到了解决。此外，通过对潜在因素进行了逐一分析，从整车角度比较全面地分析了车高超差的原因，对于今后此类问题的解决提供了一个系统的参考方案。

关键词：操稳性;车轮定位;悬架高度;补偿值

中图分类号：U463.34  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-148-06

Abstract： Wheel alignment parameters have a direct impact on vehicle handling stability and tire wear. It is of great significance to design correct positioning parameters and control each parameter in production， so as to improve the safety of vehicle driving and obtain good handling stability and ride comfort. This paper expounds the basic theory of wheel alignment from the mechanical point of view， deeply analyzes the relationship among suspension height， toe in， camber， caster， etc.， and emphasizes the importance of good alignment parameter design and precise production control for suspension and the whole vehicle. Taking Mercedes Benz suspension height measurement value out of tolerance as an example， through the definition of suspension height， the influence of suspension height on the determination of four-wheel positioning parameters， the influence of positioning parameters on the determination of the whole vehicle is analyzed. From the three aspects of measurement， assembly and part quality， the factors that affect the suspension height are analyzed and checked one by one， and the causes of vehicle height measurement out of tolerance are found. The compensation value is calculated theoretically as a short-term measure; when there is no requirement in the drawing， the correct inference is made for the modified parts through the analysis of the method of back measuring the imported parts， and the correctness of the inference is verified through the test. The problem of the over tolerance of the measured value of the vehicle height is finally solved by modifying the spring link. In addition， through the analysis of the potential factors one by one， this paper analyzes the causes of the vehicle's high-altitude difference from the perspective of the whole vehicle， and provides a systematic reference scheme for the solution of such problems in the future.

Keywords： Handling stability; Wheel alignment; Suspension height; Compensation value

绪论

众所周知，汽车底盘车轮定位系的精确与否给车辆行驶是否舒适，安全带来了极大的影响。因此对定位参数的设计和研究显得极为重要。

当前人们对车轮定位的认识，往往停留在测量前束的阶段。因为过去生产的汽车，前轮主销内倾角和车轮外倾角均在设计和制造的时候就设定在转向节上了，既难测量，又没有什么方法调整。主销后倾则是靠前桥装在钢板弹簧上时保证的。而后轮是通过轴承垂直在安装在后桥上，根本没有什么前束和外倾可言。六七十年代生产的汽车，多数是整体式的刚性前桥，独立悬架的前桥很少见，而近几十年，各国生产的轿车，不但前桥普遍是独立悬架，后桥也大量采用了独立悬架[1]。因此，不仅前轮要定位，后轮也要定位。

四轮定位之中，出现任何一项参数调整不当，就可能会产生转向困难，行驶稳定性差，方向转向后复位不良，方向偏行，耗油量增加及轮胎不正常磨损等故障。相反，正确的四轮定位延长轮胎的使用寿命，增加操纵的稳定性，能够在特殊情况下，比如高速行驶，紧急制动和坏路行驶时仍然保证行驶方向的稳定性。所以，为了提高汽车行驶的安全性，良好的操控型和乘坐的舒适性，必须恰当地设计车轮定位角，并在生产过程中严格控制车轮定位角在设计范围之内。

同时，当车辆运动过程中，四轮定位的数值就会随之发生变化，一旦这几项参数变化范围过大，就会加剧车轮和转向机构的磨损，从而导致车辆的操控性能大幅降低。反过来这也就是说，只要车轮定位参数的变化值较小，就可以使车轮在运动过程中可以在较大范围内与地面保持一定角度的垂直状态，拥有更出色的贴地性能，车辆的操控性和稳定性大大提高。本车型后驱车均采用前双叉臂，后多连杆的悬架结构。双叉臂和多连杆的结构在设计时拥有较高的自由度，车轮定位参数精确可调。工程师可以通过合理安排空间导向杆的铰接点位置和控制臂长短，将定位参数的变化范围缩小，从而将定位参数的变化范围缩小，从而提升了车辆的整体操稳性。生产装配的过程中只有严格把关，保证各定位参数均在设计范围内，才能最大限度发挥其悬架性能。

1 车轮定位参数的重要作用

1.1 车轮定位的概念

所谓车轮定位，就是汽车的每个车轮、转向节和车桥与车架的安装应保持一定的相對位置。作用是保持汽车直线行驶的稳定性，保证汽车转弯时转向轻便，且使转向轮自动回正，减少轮胎的磨损，降低燃油消耗等。

通常车轮定位主要是指前轮定位，现在也有许多车辆需要进行四轮定位。前轮定位是以车辆几何中心线为基准进行定位。一旦后轮定位角发生偏差，后轮推力线与几何中心线发生偏离，形成推力角，无法保证直线行驶时四个车轮处于平行状态，导致跑偏。四轮定位是以后轮推力线做车轮定位基准线，后轮推力线是后轮总前束的中心线。四轮定位时线调整后轮定位，调整完后，后轮推力线和几何中心线重合，再调整前轮，这样可以保证四个轮子在直线行驶位置时处于平行状态，转向系统处于几何中心。

1.2 车轮定位参数及作用

定位参数主要包括：主销后倾、主销内倾、外倾、前束。这些角度的存在使汽车转向轻便，安全，行驶直线性，自动回正性能良好。

（1）外倾角

外倾角定义为车轮中心平面和道路平面垂线之间的夹角，即由车前看去轮胎中心线与垂直线之间的夹角（如图1）。当车轮的顶部向外倾斜时，外倾角为正;当车轮的顶部向内倾斜时，外倾角为负。

外倾角可正可负。大部分车辆都在车辆前轮上设置了较小的正外倾角，是因为如果不设计外倾角，车辆空载时车轮垂直于地面，那么当车辆有载荷在路上行驶时，由于悬架压缩，车轮就会呈“八字”内倾状态，不仅导致轮胎磨损增加，而且会增加轮毂轴承的负担，增加安全隐患。因此设计外倾角来抵消车辆负重时出现的内倾情况，但如果外倾角过大，也会导致轮胎外侧磨损严重;有很多四轮独立悬挂的汽车考虑到高速行驶的稳定性采取了一定的负外倾角，外倾角为小的负倾角可以迎合路面的弧度，使车轮有更好的抓附能力，操控性更好。不论是采用正外倾角还是负外倾角，其目的都是尽量保证外倾角在车辆行驶的时候在零度左右。这样车辆开动时，车胎垂直于地面，并沿直线行驶，最大限度减少轮胎台面磨耗。

车轮外倾角度随悬架高度变化而变化。从直线行驶的角度考虑，悬架高低变化时，车轮外倾角变化越小越好。一般情况下，在车轮上下跳动-50mm到50mm范围内，前束角在-1到1度之间。

一般情况下同时会限制左右外倾角之差，否则会出现汽车行驶跑偏的问题。

多数汽车外倾角不可调，少数可调。对于不可调的前轮外倾车辆，要更正外倾角在设计范围内只能更换零件。

（2）主销内倾角

主销，是汽车转向轮转向时的回转中心。整体式车桥一般都有实际存在的主销，而独立悬架基本都可以取消实际存在的主销来增大空间。不同类型的汽车主销表现形式不同，比如麦弗逊悬架就是减震器上安装位置的中心安装位置的中心与摆臂球销的连线作为主销的。

主销后上部略向内倾，称为主销内倾。（见图1）主销内倾角形成的前轴载荷可以帮助车轮转向后能自动回正，且操纵轻便。内倾角一般为5°～8°。

主销内倾不正确或者左右两侧主销内倾相差较大都是很危险的。

所有的主销内倾角都是无法直接调整的，但可以通过调整前轮外倾进而得到相应的调整。

（3）主销后倾角

转向主销倾角是指从车辆正面看在转向轮上转向主销线与铅垂直线的夹角。（见图1）。

主销后倾角使得车辆行驶过程中产生离心力，从而获得车轮发生偏转的反相推力，从而帮助保持汽车直线行驶的稳定性，并通过主销后倾角形成的离心力帮助车轮转弯后自动回正。后倾角过大会造成转向沉重，所以主销后倾角不宜过大。

（4）束角

束角是描述从车的正上方看，车轮的前端和车辆纵线的夹角（见图2）。 若左右两个车轮的前端向内聚拢，这对车轮即为内束（Toe-in）; 向外发散则称为外束（Toe-out） 。

前束主要影响以下三个方面性能：

1）磨损。过多的内束将加速轮胎外边缘磨损，过多的外束会引起轮胎内边缘磨损。

2）行驶稳定性。当汽车处于转向状态时，由于车轮将增加前束而产生的附加阻力促使车轮回正，从而保持汽车直线行驶状态的稳定性，因此，前束的作用对于保持汽车的直线行驶是很有必要的[2]。

3）时操控特性。前轮使用内束帮助车身加速时保持稳定，但会减少车进入弯角时的转向反应，同时增加出弯时的转向反应;如果需要进入弯角时获得更多的转向，可以使用外束，但这样做会使车在加速时或者通过起伏路面时，变得不稳定，偏离直线。

前束保持不变有利于保持车辆稳定性，但是有时候需要前束在车轮上下跳动中有一定的变化，可以使得车辆在转弯行驶时，满足增加不足转向特性的需要，一般情况下，在车轮上下跳动-50mm到50mm范围内，前束角在-1到1度之间。

前轮前束通过调整转向横拉杆螺栓来调整内束和外束;后轮前束通过调节推力杆的偏心螺钉来调整。

1.3 车轮定位参数之间的关系

主销后倾角，前轮外倾角和前轮前束皆相互关联，变更其一，可能影响其他相关定位角度。

（1）车轮外倾角和束角相互影响和抵消。

当汽车直线行驶时，前轮前束造成左右前轮产生大小相等，方向相反的侧向力和回正力矩，这些侧向力和回正力矩在直行时会增加轮胎磨损和滚动阻力，而前轮外倾会产生与前轮前束所引起的侧向力正好相反，因此，适当匹配前束角与外倾角可以使轮胎上的侧向力相互抵消，从而可以减少轮胎的磨损程度与滚动阻力[3，4]

（2）大部分汽车调整主销后倾角时，外倾角也会发生变化。

（3）主销内倾随前轮外倾变化而变化。主销内倾角和前轮外倾角合起来的总角是包容角，包容角不变。调整外倾角时，主销内倾角也发生等量变化，匹配好主销内倾角和前轮外倾角可大大减少汽车的侧滑量。

（4）主销后倾与主销内倾都有使汽车转向后自动回正、保持汽车直线行驶的作用。二者主要的区别在于高速时后倾的回正作用大，低速时主要靠内倾的回正作用。直线行驶时车轮偶尔遇到冲击而偏转时，也主要靠主销内倾的回正作用。

2 某车型定位参数问题提出和分析

某车型前驱车采用的是前麦弗逊悬架，后四连杆悬架（三横一纵）。

2.1 问题描述

2015.11.27日BPA（质量部门）考核车高发现车辆FF（满油箱）状态下，11月24车高为48.7mm，11.27日车高为49.5mm，低于标准58 +12/-7mm（注：测四轮定位参数 FL状态为车辆空载状态; K0状态为车辆负载3×68kg，前排座椅各68kg，后排座椅中间68kg;FF状态是指K0状态加上满油箱状态）。

（1）问题范围和时间

从BPA拿到历史考核车高数据整理出如下曲线，（见图4）（纵坐标为车高mm，横坐标为车辆考核日期）。可以看出：

从11.17日开始，车高一直接近下限，个别超出下限;左车高和右车高呈现出相同的趋势;左右车高之差并无明显变化;问题车辆包含两驱和四驱车进一步查相关数据得知，仅某车型后车高考核值偏低，前车高无异常，其它车型车高均无异常。

（2）问题的影响

1）车高在厂内的定义和测量

车高指的是悬架高度：指轮毂轴承法兰盘切面位置到车身的距离。

厂内测量方法：激光测量轮眉到地面的距离，减去轮胎中心到地面的距离，再代入公式计算所得。

BPA考核测量方法：用电子倾斜测量仪（ROMESS） 测量后弹簧连杆凹印，测出角度δ，代入公式计算得到悬架高度值。d=K1×δ+K2 （ K1K2均为常数）。

2）车高直接影响到外倾角和前束的判定

为了使汽车具有良好的操纵稳定性，悬架设计时，车轮上跳（弹簧压缩行程），前轮外倾向减小的方向变化，车轮下落（弹簧伸张行程）朝正值方向变化。这样可以防止制动时因左右制动力误差造成的直线行驶稳定性变坏和外倾角减小引起的地面对轮胎的侧向力，使车辆跑偏的趋势。

并由此设计标准中规定了车高实际值d和外倾角名义值存在的方程关系外倾角=K1×d2+K2×d+K3，同样，也规定了车高实际值d和前束名义值存在方程关系。

3）质量部门检测定位参数不合格影响交车

为了使出厂的车輛保持原设计中良好的操稳性，生产中外倾角和前束的公差有着严格的限制，质量部门判定定位参数 不合格的车辆会滞留在厂内。如果不能及时找到原因并解决问题，可能会导致大量车滞留，严重影响交车。

2.2 问题分析

导致BPA测量出的车高结果超差的原因很多，为了更好地分析原因，列出如下树形分析图。

基于上述分析，现重点怀疑国产化弹簧连杆问题，重点放在弹簧连杆ROMESS测量点上，即弹簧连杆A，B 凹印。考虑到ROMESS实际测的是凹印底部连线与水平面的夹角，结合图纸，重点考察角度和高度。现将2D图纸，3D数模和进口件，测量20件进口弹簧连杆和国产弹簧连杆进行对比。国产件实测数据对比如下：

（1）图纸数模和零件的对比：

1）角度要求

2）高度要求

2.3 问题解决

（1）短期措施

ROMESS测量实际是测量底部连线与水平面的夹角，实际就是A，B到基准平面Z1Z2Z3反弦值补偿车高，补偿值基于之前的样件测量=（arcsin（11.07/60）-arcsin（10.26/60））×180°/π×8.0111≈6mm。

即BPA暂时使用公式d=8.0111 ×δ+73.559+6 作为ROMESS测量角和车高的换算值。

（2）长期措施

修改A，B 凹印深度。由于进口件和数模也是存在差异的，那么国产件以哪个为目标值进行修改值得探讨。

生产线测量的是轮眉到轮心的距离，用公式计算出悬架高度。BPA测量的是角度δ，用公式 d=K1×δ+K2（ K1K2均为常数）计算出车高d. 测量工具ROMESS，精度0.01°;项目初期会用激光测量和ROMESS测量，拟合出公式d=K1×δ+K2;量产以后，在线激光测量会受到比如车身制造偏差诸如此类因素的影响，导致测量结果不准确，因而会定期和BPA做调整，以BPA测量结果为标尺;进口弹簧连杆从项目初期始，模具从未改动，因此测量进口件的凹印距离，进而修改模具。

有了上述分析，现拟定修改方案：以进口件未目标样件进行修改。减少A，B凹印的深度，修改后使得A=41，664mm，B=51，9195mm，高度差B-A=10.26mm。

修改后试装20辆车，共40個零件，A，B 凹印到基准面Z1Z2Z3距离测量值如表2，计算得到平均值A=41.63304mm， B=51.86169mm，B-A=10.23mm，与预期结果基本一致。

BPA测量FF状态下车高结果如下，纵坐标为车高mm，横坐标为20辆车的标号。由以下图10可以看出，经过修改模具，后右车高实测值均在58 +12/-7mm 范围内，且多数在名义值58mm上下，是比较理想的状态。

2.4 结论

（1）BPA后车高测量值偏低的根本原因是因为弹簧连杆凹印深度异常。

（2）以进口件为目标，经过修改模具，BPA后车高测量值得到了明显改善，改善程度和理论计算量相似。

（3）后期验证：修模之后的弹簧连杆正式切换的时间为2016.5.13日。调出历史数据可以下图曲线，对比可以看出，自2016.5.13日之后车高测量值基本居于车高名义值58mm附近，车高测量值恢复正常。

（4）供应商质量监控：由于图纸上对此凹印深度并未做

任何规定，现要求供应商按照A，B凹印到基准平面的距离A =41，664mm，B= 51，9195mm为目标，对每个班次的首末件进行测量，以便更好地检测凹印深度。

3 小结

车轮定位包括前束，外倾和主销后倾等参数，是整车的重要设计参数，直接影响车辆行驶性能和操控。

车轮定位的定义和功能比较容易了解，但由于车轮定位参数相互制约，相互影响，同时所有的定位角度都是通过底盘的机械结构相连接，当某个参数出现异常，在实际生产或者维修过程中往往不容易找到根本原因。

本文通过一实例展示了车高参数异常的整个分析过程，不仅分析了车轮定位参数本身之间的相互影响，还分析了影响车轮定位的相关底盘零件及其装配，对今后解决此类问题提供了一个系统全面的参考方案。

参考文献

[1] 罗进益，周红军.轿车四轮定位检测与调整[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 马涛锋.前悬架参数变化对整车操纵稳定性的影响：[江苏大学硕士学位论文].南京：江苏大学，2005，37.

[3] 石柏军，朱新涛. ADAMS/CAR 环境下的麦弗逊悬架建模与优化[J].现代制造工程，2008（8）： 55-58.

[4] Yoshiroh Tateishi etal.The Effects of the Tire Camber Angle on Vehicle Controlability and Stability [C]. SAE Paper No 860245.