乘用車四輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)

王凱 李海龍 王明 羅誠 張連飛 劉澤毅

優(yōu)跑汽車技術(shù)（上海）有限公司 重慶市 401120

1 引言

四輪定位參數(shù)是汽車底盤性能的核心指標(biāo)，通過參考競品車設(shè)定，在側(cè)向力外傾、側(cè)傾外傾、轉(zhuǎn)向外傾等關(guān)鍵KC 性能指標(biāo)與競品車存在差異時(shí)，參考設(shè)定的四輪定位參數(shù)就很難到達(dá)理想的底盤性能，甚至可能導(dǎo)致輪胎異常磨損。因此四輪定位參數(shù)正向設(shè)計(jì)和驗(yàn)證意義重大。

2 外傾角設(shè)計(jì)

路面為了排水而設(shè)計(jì)成拱形，車輪采用正的外傾角最初目的是為了跟拱形路面垂直從而減少輪胎磨損。外傾角設(shè)計(jì)是四輪定位設(shè)計(jì)的核心之一，然而外傾角并不是簡單的垂直拱形路面即可。商用車載重大時(shí)，需要考慮加載后整體車橋受力變形導(dǎo)致的負(fù)外傾變化。乘用車為了保證高速過彎穩(wěn)定性，通常采用負(fù)外傾設(shè)計(jì)，以補(bǔ)償受側(cè)向力以及側(cè)傾等導(dǎo)致車輪正外傾變化。

乘用車后懸架（非轉(zhuǎn)向輪）以在側(cè)向加速度0.4g 左右時(shí)保持全胎面接地，即外傾角0°為目標(biāo)，根據(jù)KC 特性導(dǎo)致的外傾角變化反推得到初始外傾角。轉(zhuǎn)彎時(shí)載荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致外輪受力大，因此主要考慮外側(cè)。某車設(shè)計(jì)載荷（半載）下后懸架外輪外傾角計(jì)算過程如下：

式中：α為半載下的初始外傾角、α為側(cè)向力導(dǎo)致的外傾角變化、α為側(cè)傾導(dǎo)致的外傾角變化，F(xiàn)y 為側(cè)向力，△α為側(cè)向力外傾變化梯度(Lateral Force Camber change)，單位deg/kN,此處取正值，為車身側(cè)傾角度，△α為側(cè)傾外傾變化梯度（Roll camber）,單位deg/deg，此處取正值，m 為載荷轉(zhuǎn)移后的外輪輪荷，C 為側(cè)傾角梯度，單位deg/g。

本文采用roll camber 計(jì)算，也可用側(cè)傾時(shí)外輪的懸架跳動(dòng)量與bump camber 計(jì)算。

整備初始外傾角：

式中：α為整備下的初始外傾角，T為整備到半載時(shí)的輪心上跳量，△α為垂跳外傾變化梯度（bump camber），此處取負(fù)值。

后輪外傾角設(shè)計(jì)主要考慮側(cè)傾外傾和側(cè)向力外傾變化，而前輪（轉(zhuǎn)向輪）在轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪轉(zhuǎn)角大，故需考慮繞主銷旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向外傾變化（steer camber）。

外傾隨轉(zhuǎn)角變化公式：

式中：α為轉(zhuǎn)向外傾變化，β 為主銷內(nèi)傾角，γ 為主銷后傾角,δ 為車輪轉(zhuǎn)角。

然而前輪轉(zhuǎn)角取多大卻很難確定！從客戶日常使用情況看，側(cè)向加速度極少超過0.4g。中速轉(zhuǎn)彎比高速（≥100km/h）轉(zhuǎn)彎達(dá)到0.4g 的概率更多，如從高速公路行駛到匝道沒有及時(shí)降低到限定車速時(shí)側(cè)向加速度較大。而高速公路正常變道時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角很小，通常5°以內(nèi)，對應(yīng)加速度也小。查詢《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》，轉(zhuǎn)彎路面60、70km/h對應(yīng)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為75、90m，側(cè)向加速度為0.38、0.43g。按照60km/h 設(shè)計(jì)的高速匝道一般最小半徑為150m，60km/h 對應(yīng)側(cè)向加速度0.19g，87km/h 對應(yīng)0.4g。

轉(zhuǎn)角取平均值2°時(shí)，轉(zhuǎn)向外傾變化為：

上述僅僅是中速0.4g 對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，是否具有代表性呢？接來下我們看看全行程時(shí)外傾角變化。圖1 是主銷后傾角5°，內(nèi)傾角13.5°時(shí)，外輪外傾角隨車輪轉(zhuǎn)角的變化曲線。

圖1

從整個(gè)轉(zhuǎn)角范圍來看，外傾角變化可達(dá)-0.9°，與前面的-0.2°差異較大。由于此處缺乏太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)參考，故建議轉(zhuǎn)向外傾角變化取全行程的平均值-0.58°。

通?？紤]側(cè)向穩(wěn)定性，前輪要先于后輪失去抓地力，或者前后同時(shí)失去抓地力。加上前輪為轉(zhuǎn)向輪，外傾太大容易加快磨損?；诖?，前輪外傾角建議以0.3g 側(cè)向加速度時(shí)外傾角為0 去設(shè)計(jì)。

前輪半載外傾角計(jì)算：

前輪整備時(shí)初始外傾角：

普通乘用車在0.3～0.4g 左右全胎面著地，既可以保證較大側(cè)向加速度下輪胎抓地力，又可以兼顧主要駕駛工況下輪胎的壽命。偏運(yùn)動(dòng)風(fēng)格可以在更大側(cè)向加速度下讓輪胎全胎面接地。

初始外傾角太大，使得滿載時(shí)負(fù)外傾更大，如果經(jīng)常滿載行駛?cè)菀讓?dǎo)致輪胎偏磨。另外負(fù)方向太大容易導(dǎo)致冰雪等低附路面抓地力變差，附著系數(shù)低，側(cè)向力小，從而側(cè)向力外傾變化??；同時(shí)車輛側(cè)傾小，側(cè)傾外傾變化也很小，也就是說側(cè)向力和側(cè)傾導(dǎo)致的外傾角變化很小，因此低附路面的抓地力主要受初始靜態(tài)外傾角的影響。故初始外傾角設(shè)定建議考慮低附路面的抓地力，開展冬季試驗(yàn)驗(yàn)證，高附為主，同時(shí)兼顧低附。

整備狀態(tài)下，后輪外傾角常見范圍為-1～-1.8 °，舒適性的車建議取-1～-1.5 °，而運(yùn)動(dòng)風(fēng)格建議取-1.5～-1.8°。前輪外傾角通常范圍為-0.2～-1°，偏運(yùn)動(dòng)風(fēng)格車型可以取絕對值偏大的范圍。當(dāng)側(cè)向力外傾、側(cè)傾外傾和轉(zhuǎn)向外傾變化時(shí)，初始外傾角也會變化，總之以0.3、0.4g 左右側(cè)向加速度時(shí)保持全胎面著地為目標(biāo)去設(shè)計(jì)外傾。

3 前束角設(shè)計(jì)

前束角ψ 最初目的是為了補(bǔ)償外傾角產(chǎn)生的跑偏趨勢，因此有理論認(rèn)為外傾和前束導(dǎo)致的輪胎側(cè)滑量要相互抵消，即負(fù)的外傾角對應(yīng)負(fù)的前束角。也有理論認(rèn)為前束角*側(cè)偏剛度=外傾角*外傾剛度，即外傾產(chǎn)生的側(cè)向力和前束產(chǎn)生的側(cè)向力相互抵消，同樣也是負(fù)外傾（側(cè)向力朝內(nèi)）對應(yīng)負(fù)前束（側(cè)向力朝外）。

實(shí)際與上面對應(yīng)不太好:1、從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看目前大部分車前后懸架都是負(fù)外傾角和正的前束角，按照上述兩條理論應(yīng)該是負(fù)外傾角對應(yīng)負(fù)的前束角，而后軸負(fù)前束容易過度轉(zhuǎn)向；2、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看后輪/前輪外傾角=2.9，后輪/前輪前束=1.1，差2.6 倍。輪胎側(cè)偏角小時(shí)，側(cè)偏剛度、外傾剛度與載荷關(guān)系較線性，按照第二條理論，后輪/前輪外傾角≈后輪/前輪前束，與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)吻合不好；3、如果完全抵消，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有預(yù)載，轉(zhuǎn)向響應(yīng)將變慢。

個(gè)人認(rèn)為前束設(shè)計(jì)主要基于輪胎磨損、轉(zhuǎn)向響應(yīng)和不足轉(zhuǎn)向特性這三點(diǎn)考慮。希望在主要的行駛工況下前束在0 附近，束值太大，容易導(dǎo)致輪胎磨損。為了不足轉(zhuǎn)向、增強(qiáng)穩(wěn)定性，采用前面負(fù)前束，后面正前束設(shè)定。而為了提升轉(zhuǎn)向響應(yīng)，營造運(yùn)動(dòng)感，也可反過來設(shè)定。也可以前后都設(shè)置正前束，讓前懸架響應(yīng)快，而后懸架比較穩(wěn)。

某車為了穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)載荷（半載）下，前后懸架前束設(shè)定為-3′和9′。計(jì)算過程如下：

式中：ψ、ψ分別為整備和半載下的前束角，T 為整備到半載時(shí)的輪心上跳量，△ψ為垂跳前束變化梯度（bump steer），通常為了不足轉(zhuǎn)向，bump steer 設(shè)定為前負(fù)后正。

后續(xù)調(diào)校過程中建議對前束角和外傾角開展評價(jià)驗(yàn)證甚至優(yōu)化，因?yàn)閷?shí)車狀態(tài)和設(shè)計(jì)難免出現(xiàn)差異，且調(diào)校時(shí)部分參數(shù)調(diào)整后會影響前束外傾，如彈簧剛度影響懸架行程，控制臂襯套剛度影響側(cè)向力外傾等等。

4 主銷后傾角設(shè)計(jì)

主銷后傾角γ 等相關(guān)術(shù)語如圖2 所示：

圖2

輪心處主銷拖距通常為0±5mm。而地面處主銷拖距受輪胎半徑和主銷后傾角影響，通常為20～40mm。

主銷后傾角大，拖距大將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向負(fù)載大，在助力足夠的情況，建議后傾角大一點(diǎn)，以增加轉(zhuǎn)向時(shí)力的建立感。

主銷后傾角越大，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)彎時(shí)負(fù)外傾變化越大，有利于提升前輪抓地。圖3 是主銷內(nèi)傾角為0°時(shí)，不同主銷后傾角設(shè)置時(shí)外傾角隨車輪轉(zhuǎn)角的變化。

圖3

主銷后傾角越大，同樣的輪心處主銷拖距和輪胎半徑前提下，地面處的主銷拖距就越大，有利于高速回正。

對HPS 車輛來說轉(zhuǎn)向系統(tǒng)缺少主動(dòng)回正功能，主銷后傾角需要大一點(diǎn)以降低跑偏概率，建議≥4°。另外HPS 系統(tǒng)阻尼較小，后傾角太大時(shí)，高速回正工況回正速度將過快，超調(diào)大且收斂慢，建議≤6°。EPS 有主動(dòng)回正功能，且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼和逆向摩擦力較大，故后傾角范圍相對可以略大一些，為了減少跑偏、減少對其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造精度要求還是建議≥4°。主銷后傾角過大也會帶來側(cè)向風(fēng)敏感和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沖擊載荷大等問題，建議主銷后傾角≤8°。

對麥弗遜懸架來說，主銷上點(diǎn)、減振器和下控制臂布置一起決定了縱傾中心，后傾角還需要聯(lián)合制動(dòng)點(diǎn)頭、縱向沖擊等多維度綜合考慮設(shè)定。

綜上主銷后傾角，HPS 建議4～6°，EPS 建議4～8°，運(yùn)動(dòng)風(fēng)格取上限。

5 主銷內(nèi)傾角設(shè)計(jì)

主銷內(nèi)傾角β 等相關(guān)術(shù)語如圖4 所示：

圖4

在最初沒有轉(zhuǎn)向助力時(shí)，主銷內(nèi)傾有利于減小主銷接地點(diǎn)到輪胎接地印記中心距離，降低轉(zhuǎn)向手力。主銷內(nèi)傾角有利于低速回正；同主銷后傾角一樣，會影響轉(zhuǎn)向負(fù)載。

主銷布置時(shí)需要同時(shí)兼顧接地點(diǎn)的主銷偏置距和輪心處的主銷偏置距?？紤]在左右附著系數(shù)不一樣的路面制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，接地點(diǎn)處主銷偏置距通常設(shè)置為負(fù)值，以彌補(bǔ)制動(dòng)跑偏趨勢，麥弗遜懸架其值常見范圍為-20～-5mm。但負(fù)方向也不宜過大，否則彎道制動(dòng)時(shí)，前輪正前束大，車輛容易卷入而失穩(wěn)。輪心處主銷偏置距主要影響前驅(qū)車扭矩轉(zhuǎn)向以及車輪均勻性、制動(dòng)盤DTV 大導(dǎo)致的方向盤擺振問題，麥弗遜懸架其值通常要求≤70mm。

麥弗遜懸架設(shè)計(jì)時(shí)考慮輪距帶寬、輪胎輪輞帶寬、防滑鏈等平臺化需求，希望主銷內(nèi)傾角大一點(diǎn)走上極限，但是太大會導(dǎo)致彈簧、減振器等杠桿比降低，且要占用較多前倉Y 向內(nèi)部空間。

主銷內(nèi)傾角越大，在轉(zhuǎn)彎時(shí)導(dǎo)致外側(cè)車輪正外傾變化越大，不利于提升前輪抓地。圖5 是主銷后傾角為0°時(shí)，不同主銷內(nèi)傾角設(shè)置時(shí)外傾角隨車輪轉(zhuǎn)角的變化。

圖5

對麥弗遜懸架而言，主銷上點(diǎn)、減振器和下擺臂的布置影響側(cè)傾中心高度，前懸架側(cè)傾中心高度一般≤120mm。側(cè)傾中心高度對側(cè)傾控制、輪距變化等等影響巨大。

在輪胎一定、地面處及輪心處主銷偏置距處于合理范圍內(nèi)情況下，基本確定主銷內(nèi)傾角大致范圍，根據(jù)輪輞半徑、制動(dòng)盤Y向位置、擺臂與半軸間隙、上跳及轉(zhuǎn)向行程等，可以進(jìn)一步鎖定控制臂外點(diǎn)（主銷軸線的下點(diǎn)）位置范圍；再根據(jù)彈簧、減振器行程以及側(cè)傾中心高度、虛擬擺臂長度等指標(biāo)基本可以把內(nèi)傾角鎖定在一個(gè)較小的范圍。最后根據(jù)布置和性能取舍最終選擇要想的角度。

綜上麥弗遜懸架主銷內(nèi)傾角常見范圍是11～14°，而雙叉臂懸架尤其是高位雙叉臂設(shè)計(jì)自由大，可以把主銷內(nèi)傾角做小。

6 結(jié)語

充分理解四輪定位參數(shù)對各個(gè)性能的影響，熟悉對周邊布置的需求，根據(jù)車型的定位進(jìn)行取舍，可以在前期有效的設(shè)定四輪定位參數(shù)；在后期調(diào)校中開展外傾和前束的驗(yàn)證優(yōu)化，能夠最大程度得發(fā)揮底盤性能。