某車型車輪定位參數(shù)異常問題的分析和解決

宋麗

摘 要：車輪定位參數(shù)直接影響汽車操穩(wěn)性和輪胎磨損情況。設計正確的定位參數(shù)，生產(chǎn)上更好地控制各個參數(shù)，對提高汽車行駛的安全性，獲得良好的操控型和乘坐的舒適性有著極為重要的意義。文章從力學角度闡述了車輪定位的基本理論，深入分析了懸架高度，前束，外傾，主銷后傾等之間的關系，強調(diào)了良好的定位參數(shù)設計和生產(chǎn)上精確地控制對于懸架以及整車的重要性。以某車型懸架高度測量值超差為實例，通過對懸架高度定義，懸架高度對四輪定位參數(shù)判定的影響，分析了定位參數(shù)對整車判定的影響。從測量，裝配，零件質(zhì)量三個大方面分別對影響懸架高度的的因素進行了逐一分析和排查，找到引起車高測量超差的原因。理論計算出了補償值作為短期措施;在圖紙無要求的情況下，通過反向測量進口零件的方法分析對修改零件做出了正確的推斷，并通過試驗驗證了推斷的正確性，通過修改彈簧連桿使得車高測量值超差問題最終得到了解決。此外，通過對潛在因素進行了逐一分析，從整車角度比較全面地分析了車高超差的原因，對于今后此類問題的解決提供了一個系統(tǒng)的參考方案。

關鍵詞：操穩(wěn)性;車輪定位;懸架高度;補償值

中圖分類號：U463.34 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

緒論

眾所周知，汽車底盤車輪定位系的精確與否給車輛行駛是否舒適，安全帶來了極大的影響。因此對定位參數(shù)的設計和研究顯得極為重要。

當前人們對車輪定位的認識，往往停留在測量前束的階段。因為過去生產(chǎn)的汽車，前輪主銷內(nèi)傾角和車輪外傾角均在設計和制造的時候就設定在轉(zhuǎn)向節(jié)上了，既難測量，又沒有什么方法調(diào)整。主銷后傾則是靠前橋裝在鋼板彈簧上時保證的。而后輪是通過軸承垂直在安裝在后橋上，根本沒有什么前束和外傾可言。六七十年代生產(chǎn)的汽車，多數(shù)是整體式的剛性前橋，獨立懸架的前橋很少見，而近幾十年，各國生產(chǎn)的轎車，不但前橋普遍是獨立懸架，后橋也大量采用了獨立懸架[1]。因此，不僅前輪要定位，后輪也要定位。

四輪定位之中，出現(xiàn)任何一項參數(shù)調(diào)整不當，就可能會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向困難，行駛穩(wěn)定性差，方向轉(zhuǎn)向后復位不良，方向偏行，耗油量增加及輪胎不正常磨損等故障。相反，正確的四輪定位延長輪胎的使用壽命，增加操縱的穩(wěn)定性，能夠在特殊情況下，比如高速行駛，緊急制動和壞路行駛時仍然保證行駛方向的穩(wěn)定性。所以，為了提高汽車行駛的安全性，良好的操控型和乘坐的舒適性，必須恰當?shù)卦O計車輪定位角，并在生產(chǎn)過程中嚴格控制車輪定位角在設計范圍之內(nèi)。

同時，當車輛運動過程中，四輪定位的數(shù)值就會隨之發(fā)生變化，一旦這幾項參數(shù)變化范圍過大，就會加劇車輪和轉(zhuǎn)向機構的磨損，從而導致車輛的操控性能大幅降低。反過來這也就是說，只要車輪定位參數(shù)的變化值較小，就可以使車輪在運動過程中可以在較大范圍內(nèi)與地面保持一定角度的垂直狀態(tài)，擁有更出色的貼地性能，車輛的操控性和穩(wěn)定性大大提高。本車型后驅(qū)車均采用前雙叉臂，后多連桿的懸架結構。雙叉臂和多連桿的結構在設計時擁有較高的自由度，車輪定位參數(shù)精確可調(diào)。工程師可以通過合理安排空間導向桿的鉸接點位置和控制臂長短，將定位參數(shù)的變化范圍縮小，從而將定位參數(shù)的變化范圍縮小，從而提升了車輛的整體操穩(wěn)性。生產(chǎn)裝配的過程中只有嚴格把關，保證各定位參數(shù)均在設計范圍內(nèi)，才能最大限度發(fā)揮其懸架性能。

1 車輪定位參數(shù)的重要作用

1.1 車輪定位的概念

所謂車輪定位，就是汽車的每個車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和車橋與車架的安裝應保持一定的相對位置。作用是保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，保證汽車轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)向輕便，且使轉(zhuǎn)向輪自動回正，減少輪胎的磨損，降低燃油消耗等。

通常車輪定位主要是指前輪定位，現(xiàn)在也有許多車輛需要進行四輪定位。前輪定位是以車輛幾何中心線為基準進行定位。一旦后輪定位角發(fā)生偏差，后輪推力線與幾何中心線發(fā)生偏離，形成推力角，無法保證直線行駛時四個車輪處于平行狀態(tài)，導致跑偏。四輪定位是以后輪推力線做車輪定位基準線，后輪推力線是后輪總前束的中心線。四輪定位時線調(diào)整后輪定位，調(diào)整完后，后輪推力線和幾何中心線重合，再調(diào)整前輪，這樣可以保證四個輪子在直線行駛位置時處于平行狀態(tài)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于幾何中心。

1.2 車輪定位參數(shù)及作用

定位參數(shù)主要包括：主銷后傾、主銷內(nèi)傾、外傾、前束。這些角度的存在使汽車轉(zhuǎn)向輕便，安全，行駛直線性，自動回正性能良好。

（1）外傾角

外傾角定義為車輪中心平面和道路平面垂線之間的夾角，即由車前看去輪胎中心線與垂直線之間的夾角（如圖1）。當車輪的頂部向外傾斜時，外傾角為正;當車輪的頂部向內(nèi)傾斜時，外傾角為負。

外傾角可正可負。大部分車輛都在車輛前輪上設置了較小的正外傾角，是因為如果不設計外傾角，車輛空載時車輪垂直于地面，那么當車輛有載荷在路上行駛時，由于懸架壓縮，車輪就會呈“八字”內(nèi)傾狀態(tài)，不僅導致輪胎磨損增加，而且會增加輪轂軸承的負擔，增加安全隱患。因此設計外傾角來抵消車輛負重時出現(xiàn)的內(nèi)傾情況，但如果外傾角過大，也會導致輪胎外側磨損嚴重;有很多四輪獨立懸掛的汽車考慮到高速行駛的穩(wěn)定性采取了一定的負外傾角，外傾角為小的負傾角可以迎合路面的弧度，使車輪有更好的抓附能力，操控性更好。不論是采用正外傾角還是負外傾角，其目的都是盡量保證外傾角在車輛行駛的時候在零度左右。這樣車輛開動時，車胎垂直于地面，并沿直線行駛，最大限度減少輪胎臺面磨耗。

車輪外傾角度隨懸架高度變化而變化。從直線行駛的角度考慮，懸架高低變化時，車輪外傾角變化越小越好。一般情況下，在車輪上下跳動-50mm到50mm范圍內(nèi)，前束角在-1到1度之間。

一般情況下同時會限制左右外傾角之差，否則會出現(xiàn)汽車行駛跑偏的問題。

多數(shù)汽車外傾角不可調(diào)，少數(shù)可調(diào)。對于不可調(diào)的前輪外傾車輛，要更正外傾角在設計范圍內(nèi)只能更換零件。

（2）主銷內(nèi)傾角

主銷，是汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時的回轉(zhuǎn)中心。整體式車橋一般都有實際存在的主銷，而獨立懸架基本都可以取消實際存在的主銷來增大空間。不同類型的汽車主銷表現(xiàn)形式不同，比如麥弗遜懸架就是減震器上安裝位置的中心安裝位置的中心與擺臂球銷的連線作為主銷的。

主銷后上部略向內(nèi)傾，稱為主銷內(nèi)傾。（見圖1）主銷內(nèi)傾角形成的前軸載荷可以幫助車輪轉(zhuǎn)向后能自動回正，且操縱輕便。內(nèi)傾角一般為5°～8°。

主銷內(nèi)傾不正確或者左右兩側主銷內(nèi)傾相差較大都是很危險的。

所有的主銷內(nèi)傾角都是無法直接調(diào)整的，但可以通過調(diào)整前輪外傾進而得到相應的調(diào)整。

（3）主銷后傾角

轉(zhuǎn)向主銷傾角是指從車輛正面看在轉(zhuǎn)向輪上轉(zhuǎn)向主銷線與鉛垂直線的夾角。（見圖1）。

主銷后傾角使得車輛行駛過程中產(chǎn)生離心力，從而獲得車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)的反相推力，從而幫助保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，并通過主銷后傾角形成的離心力幫助車輪轉(zhuǎn)彎后自動回正。后傾角過大會造成轉(zhuǎn)向沉重，所以主銷后傾角不宜過大。

（4）束角

束角是描述從車的正上方看，車輪的前端和車輛縱線的夾角（見圖2）。 若左右兩個車輪的前端向內(nèi)聚攏，這對車輪即為內(nèi)束（Toe-in）; 向外發(fā)散則稱為外束（Toe-out） 。

前束主要影響以下三個方面性能：

1）磨損。過多的內(nèi)束將加速輪胎外邊緣磨損，過多的外束會引起輪胎內(nèi)邊緣磨損。

2）行駛穩(wěn)定性。當汽車處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)時，由于車輪將增加前束而產(chǎn)生的附加阻力促使車輪回正，從而保持汽車直線行駛狀態(tài)的穩(wěn)定性，因此，前束的作用對于保持汽車的直線行駛是很有必要的[2]。

3）時操控特性。前輪使用內(nèi)束幫助車身加速時保持穩(wěn)定，但會減少車進入彎角時的轉(zhuǎn)向反應，同時增加出彎時的轉(zhuǎn)向反應;如果需要進入彎角時獲得更多的轉(zhuǎn)向，可以使用外束，但這樣做會使車在加速時或者通過起伏路面時，變得不穩(wěn)定，偏離直線。

前束保持不變有利于保持車輛穩(wěn)定性，但是有時候需要前束在車輪上下跳動中有一定的變化，可以使得車輛在轉(zhuǎn)彎行駛時，滿足增加不足轉(zhuǎn)向特性的需要，一般情況下，在車輪上下跳動-50mm到50mm范圍內(nèi)，前束角在-1到1度之間。

前輪前束通過調(diào)整轉(zhuǎn)向橫拉桿螺栓來調(diào)整內(nèi)束和外束;后輪前束通過調(diào)節(jié)推力桿的偏心螺釘來調(diào)整。

1.3 車輪定位參數(shù)之間的關系

主銷后傾角，前輪外傾角和前輪前束皆相互關聯(lián)，變更其一，可能影響其他相關定位角度。

（1）車輪外傾角和束角相互影響和抵消。

當汽車直線行駛時，前輪前束造成左右前輪產(chǎn)生大小相等，方向相反的側向力和回正力矩，這些側向力和回正力矩在直行時會增加輪胎磨損和滾動阻力，而前輪外傾會產(chǎn)生與前輪前束所引起的側向力正好相反，因此，適當匹配前束角與外傾角可以使輪胎上的側向力相互抵消，從而可以減少輪胎的磨損程度與滾動阻力[3，4]

（2）大部分汽車調(diào)整主銷后傾角時，外傾角也會發(fā)生變化。

（3）主銷內(nèi)傾隨前輪外傾變化而變化。主銷內(nèi)傾角和前輪外傾角合起來的總角是包容角，包容角不變。調(diào)整外傾角時，主銷內(nèi)傾角也發(fā)生等量變化，匹配好主銷內(nèi)傾角和前輪外傾角可大大減少汽車的側滑量。

（4）主銷后傾與主銷內(nèi)傾都有使汽車轉(zhuǎn)向后自動回正、保持汽車直線行駛的作用。二者主要的區(qū)別在于高速時后傾的回正作用大，低速時主要靠內(nèi)傾的回正作用。直線行駛時車輪偶爾遇到?jīng)_擊而偏轉(zhuǎn)時，也主要靠主銷內(nèi)傾的回正作用。

2 某車型定位參數(shù)問題提出和分析

某車型前驅(qū)車采用的是前麥弗遜懸架，后四連桿懸架（三橫一縱）。

2.1 問題描述

2015.11.27日BPA（質(zhì)量部門）考核車高發(fā)現(xiàn)車輛FF（滿油箱）狀態(tài)下，11月24車高為48.7mm，11.27日車高為49.5mm，低于標準58 +12/-7mm（注：測四輪定位參數(shù) FL狀態(tài)為車輛空載狀態(tài); K0狀態(tài)為車輛負載3×68kg，前排座椅各68kg，后排座椅中間68kg;FF狀態(tài)是指K0狀態(tài)加上滿油箱狀態(tài)）。

（1）問題范圍和時間

從BPA拿到歷史考核車高數(shù)據(jù)整理出如下曲線，（見圖4）（縱坐標為車高mm，橫坐標為車輛考核日期）?？梢钥闯觯?/p>

從11.17日開始，車高一直接近下限，個別超出下限;左車高和右車高呈現(xiàn)出相同的趨勢;左右車高之差并無明顯變化;問題車輛包含兩驅(qū)和四驅(qū)車進一步查相關數(shù)據(jù)得知，僅某車型后車高考核值偏低，前車高無異常，其它車型車高均無異常。

（2）問題的影響

1）車高在廠內(nèi)的定義和測量

車高指的是懸架高度：指輪轂軸承法蘭盤切面位置到車身的距離。

廠內(nèi)測量方法：激光測量輪眉到地面的距離，減去輪胎中心到地面的距離，再代入公式計算所得。

BPA考核測量方法：用電子傾斜測量儀（ROMESS） 測量后彈簧連桿凹印，測出角度δ，代入公式計算得到懸架高度值。d=K1×δ+K2 （ K1K2均為常數(shù)）。

2）車高直接影響到外傾角和前束的判定

為了使汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，懸架設計時，車輪上跳（彈簧壓縮行程），前輪外傾向減小的方向變化，車輪下落（彈簧伸張行程）朝正值方向變化。這樣可以防止制動時因左右制動力誤差造成的直線行駛穩(wěn)定性變壞和外傾角減小引起的地面對輪胎的側向力，使車輛跑偏的趨勢。

并由此設計標準中規(guī)定了車高實際值d和外傾角名義值存在的方程關系外傾角=K1×d2+K2×d+K3，同樣，也規(guī)定了車高實際值d和前束名義值存在方程關系。

3）質(zhì)量部門檢測定位參數(shù)不合格影響交車

為了使出廠的車輛保持原設計中良好的操穩(wěn)性，生產(chǎn)中外傾角和前束的公差有著嚴格的限制，質(zhì)量部門判定定位參數(shù) 不合格的車輛會滯留在廠內(nèi)。如果不能及時找到原因并解決問題，可能會導致大量車滯留，嚴重影響交車。

2.2 問題分析

導致BPA測量出的車高結果超差的原因很多，為了更好地分析原因，列出如下樹形分析圖。

基于上述分析，現(xiàn)重點懷疑國產(chǎn)化彈簧連桿問題，重點放在彈簧連桿ROMESS測量點上，即彈簧連桿A，B 凹印?？紤]到ROMESS實際測的是凹印底部連線與水平面的夾角，結合圖紙，重點考察角度和高度?，F(xiàn)將2D圖紙，3D數(shù)模和進口件，測量20件進口彈簧連桿和國產(chǎn)彈簧連桿進行對比。國產(chǎn)件實測數(shù)據(jù)對比如下：

（1）圖紙數(shù)模和零件的對比：

1）角度要求

2）高度要求

2.3 問題解決

（1）短期措施

ROMESS測量實際是測量底部連線與水平面的夾角，實際就是A，B到基準平面Z1Z2Z3反弦值補償車高，補償值基于之前的樣件測量=（arcsin（11.07/60）-arcsin（10.26/60））×180°/π×8.0111≈6mm。

即BPA暫時使用公式d=8.0111 ×δ+73.559+6 作為ROMESS測量角和車高的換算值。

（2）長期措施

修改A，B 凹印深度。由于進口件和數(shù)模也是存在差異的，那么國產(chǎn)件以哪個為目標值進行修改值得探討。

生產(chǎn)線測量的是輪眉到輪心的距離，用公式計算出懸架高度。BPA測量的是角度δ，用公式 d=K1×δ+K2（ K1K2均為常數(shù)）計算出車高d. 測量工具ROMESS，精度0.01°;項目初期會用激光測量和ROMESS測量，擬合出公式d=K1×δ+K2;量產(chǎn)以后，在線激光測量會受到比如車身制造偏差諸如此類因素的影響，導致測量結果不準確，因而會定期和BPA做調(diào)整，以BPA測量結果為標尺;進口彈簧連桿從項目初期始，模具從未改動，因此測量進口件的凹印距離，進而修改模具。

有了上述分析，現(xiàn)擬定修改方案：以進口件未目標樣件進行修改。減少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。

修改后試裝20輛車，共40個零件，A，B 凹印到基準面Z1Z2Z3距離測量值如表2，計算得到平均值A=41.63304mm， B=51.86169mm，B-A=10.23mm，與預期結果基本一致。

BPA測量FF狀態(tài)下車高結果如下，縱坐標為車高mm，橫坐標為20輛車的標號。由以下圖10可以看出，經(jīng)過修改模具，后右車高實測值均在58 +12/-7mm 范圍內(nèi)，且多數(shù)在名義值58mm上下，是比較理想的狀態(tài)。

2.4 結論

（1）BPA后車高測量值偏低的根本原因是因為彈簧連桿凹印深度異常。

（2）以進口件為目標，經(jīng)過修改模具，BPA后車高測量值得到了明顯改善，改善程度和理論計算量相似。

（3）后期驗證：修模之后的彈簧連桿正式切換的時間為2016.5.13日。調(diào)出歷史數(shù)據(jù)可以下圖曲線，對比可以看出，自2016.5.13日之后車高測量值基本居于車高名義值58mm附近，車高測量值恢復正常。

（4）供應商質(zhì)量監(jiān)控：由于圖紙上對此凹印深度并未做

任何規(guī)定，現(xiàn)要求供應商按照A，B凹印到基準平面的距離A =41，664mm，B= 51，9195mm為目標，對每個班次的首末件進行測量，以便更好地檢測凹印深度。

3 小結

車輪定位包括前束，外傾和主銷后傾等參數(shù)，是整車的重要設計參數(shù)，直接影響車輛行駛性能和操控。

車輪定位的定義和功能比較容易了解，但由于車輪定位參數(shù)相互制約，相互影響，同時所有的定位角度都是通過底盤的機械結構相連接，當某個參數(shù)出現(xiàn)異常，在實際生產(chǎn)或者維修過程中往往不容易找到根本原因。

本文通過一實例展示了車高參數(shù)異常的整個分析過程，不僅分析了車輪定位參數(shù)本身之間的相互影響，還分析了影響車輪定位的相關底盤零件及其裝配，對今后解決此類問題提供了一個系統(tǒng)全面的參考方案。

參考文獻

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