双前轴重型汽车前束与外倾角的关系探究

陈炜 王俊豪 白鹏 刘煜

摘 要：本文以重型双前轴汽车为实例建立几何模型，基于双前轴汽车转向轮侧滑和转向机理探究了几何模型中前束和外倾角的匹配关系，并结合整车下线调试数据实例验证模型中前束和外倾角匹配关系的合理及正确性，为新车型的开发和整车调试提供了理论参考。

关键词：双前轴;前束;外倾角;侧滑机理

1 引言

前束和外倾角的匹配关系将影响车辆操纵稳定性、转向輪回正力学特性、车胎的早期异常磨损和车辆的直线行驶特性等。双前轴重型汽车转向桥同步差及车胎偏磨等问题一直备受关注，转向桥定位参数中的外倾角和前束之间的相对匹配关系和上述问题有关，因此探究重型双前轴汽车转向桥前束和外倾角的匹配关系有待深入，为解决上述问题提供了新的思考方法。

2 双前轴外倾角滚动几何模型的建立

上图2-1中，R1表示前一轴转向轮外倾滚动半径，1表示前一轴转向轮外倾角，r1表示有载荷状态下前一轴转向轮外倾滚动半径。通过上图的几何图线关系，可得下式的等量关系：

由Rt△ABC可知，。

由于外倾角的值较小，此时，可得前一轴的外倾滚动半径为：

（1-1）

同理，按上述关系可得二轴的外倾滚动半径：

（1-2）

其中，;D为双前轴车轮在无载荷状态下的直径，为作用与前轴上的垂直载荷值，为转向轮车胎的径向刚度。

前轴转向轮外倾角伴随轴核的变化、转向时车轮转向角等因素的影响而在一定范围内波动，为了保证车辆在转向时车胎侧滑较小，外倾角的波动基本满足一个规律，即前轴转向轮的转弯半径（）与车轮外倾的锥滚半径（）二者尽可能的接近。

L、L1、L2、L3、L4、L5分别表示各轴之间的轴距，具体位置见下图3-1所示;为第一转向轴和第二转向轴转向轮转角，为前一轴和二轴车轮转向时的转弯半径。由以上车辆转向示意图可得如下数学关系：

当满足时，即转弯半径等于转向轴车轮外倾滚动半径时，基本可保证车辆在转向时的侧滑较小，车胎的偏磨损最小，那么可得到如下关系式：

当车辆转向轮转角较小且双前轴车辆同步差较小时，即二者的转角基本相同时，其转角满足如下等量关系：

联合上述关系式可得前一轴和前二轴转向轮外倾角的等量关系：

当双前轴车辆转向轮同步差较小，即前一轴和前二轴的转向轮转角基本相同时，，联合上式可得：

3 双前轴几何前束模型的建立

双前轴重型汽车相对于当前轴而言有所区别，主要是双前轴车辆其前一轴和前二轴同为转向桥，二者的几何前束略有差别。由于车辆在转向的过程中会出现车轮边滚动边滑动的现象，为了避免出现此类现象要求车辆在转向的过程中围绕同一点，即转向中心做纯滚动。几何模型见下图所示。

上图中和2分别是前一轴、前二轴转向轮单胎前束角，和分别代表因前束产生的滚动半径。由以上几何示意图可得一下等量关系：

前一轴转向轮单胎前束值较小，那么;联了上式，同理可得双前轴前束角之间的等量关系：

4 基于侧滑机理的双前轴转向轮外倾角和前束的匹配关系

转向桥为了防止车轮因车辆重载后，车轮出现内倾产生轮胎的偏磨损，在转向节中设计车轮外倾角防止了车辆因负载后出现车轮内倾现象，但同时带来车轮锥滚效应，车辆在行驶的过程中车轮出现边滚动边滑动的现象，加重了车轮的异常磨损。在转向梯形中通过横拉杆设置前束值，横拉杆的前束值设置使得车轮在每一滚动的瞬间接近正前方作纯滚动，避免了上述车胎偏磨损状态。假设在转向轮侧滑量最小的情况下建立如下的几何模型，综合考虑车轮变形特性和车轮其它定位参数来确定双前轴车辆前一轴、前二轴转向轮外倾角和前束的匹配关系。下图的几何模型示意图以前一轴转向轮为例展开。

上图4-1中R1表示第一转向轴转向轮在外倾趋势下向外的滚动半径，表示第一转向轴转向轮在前束的限制状态下车轮滚动半径，表示第一轴转向轮前束角，和分别表示转向轮因前束和外倾角在△t单位时间内的滚动转角。表示在△t单位时间内转向轮前束的约束状态下车轮滚动时与地面接触痕迹长度，表示△t单位时间内转向轮外倾角向外滚动趋势状态下接地印记长度。

由上侧滑示意图可得如下等量关系：

当第一轴转向轮因前束和车轮外倾角引起的滚动半径较大时，车轮因前束和外倾角约束引起的滚动长度数量基本相同，可得如下的等量关系：

=AE==AB=l1

其中l1表示转向轮实际接触地面的印迹长度。

当转向轮因车轮外倾和前束引起的横向滑移量相等，即EF=BC时，可得如下的等量关系：

上式中l1，

综合上式可得双前轴车辆第一轴转向轮前束和外倾角的匹配关系：

同理可得，双前轴第二轴转向轮前束和外倾的匹配关系：

5 实例与匹配验证计算

上述匹配计算公式属理论状态下的匹配关系，为了进一步验证匹配关系的实际关系和正确性，还需进一步进行实例验证。验证基于侧滑机理建立模型的实际可行性与真实性，将带入下述数据：KZ=117.80N/mm;=37500N;D=985mm;P=1200kPa;=1°;C=1.5;d=508mm;L1=1400mm;L2=3975mm;L3=1800mm;L4=6275mm;L5=4875mm。

将上述车辆技术参数代入上述匹配公式，可得双前轴重型汽车样车的理论前束值，经过计算的前一轴前束值为T1=1.982mm，前二轴前束T2=1.73mm。查阅该双前轴重型汽车的整车技术参数要求前束值T为1mm～3mm，对比上述基于侧滑机理得到的理论前束值可知：理论模型计算得到的前束值基本在整车参数技术要求范围内。

6 结论

前束和外倾角相互补偿和制约，存在一定的匹配关系，合理的匹配关系将可避免汽车轮胎的偏磨损和降低前轴转向轮的侧滑量，延长汽车轮胎的使用寿命;本文以双前轴重型汽车为例，探究了侧滑条件下转向轮前束和外倾角的匹配模型，得到二者之间的匹配关系，为整车下线调试和新车型的开发过程提供了理论参考，对外倾角和前束的匹配关系具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]徐清富.国外汽车最新结构图册[M].北京：机械工业出版社，2016.

[3]马骏，钱立军.汽车外倾角和前束的合理匹配探究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2012，19（06）：139-144.