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[摘 要]汽车前轮定位参数是影响汽车操纵稳定性与前轮异常磨损的重要因素，目前主要是通过经验、半经验、统计和实验获得资料，在理论上尚未建立合理的算法。该论文以多体动力学理论为基础，利用动力学分析软件ADAMS，建立了某微型汽车双横臂独立前悬架模型，并根据模拟仿真要求，施加边界条件，在前轮上下跳动100mm 时，进行前轮定位参数模拟仿真，分析前輪上下跳动对各定位参数的影响。
[关键词]汽车；前轮定位参数；前悬架
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0266-02
一、车轮定位参数的意义
在汽车行业迅猛发展的今天，汽车前轮定位参数的确定仍然是困扰汽车企业设计的难题。过去对前轮定位参数设计往往采用模拟或通过试验的方法来确定，不仅耗费大量的人力、物力，而且产品的设计周期长，确定的数值也不够准确，给设计带来一定的盲目性。而前轮定位参数设计是否合理，将直接影响到车辆的很多重要性能。例如主销后倾角和内倾角将直接影响到车辆的回正性、直线行驶稳定性和高速制动时方向稳定性和转向的轻便性；前轮的外倾角和前束值的合理匹配将直接影响到前轮的侧滑和异常磨耗，同时也间接地影响车辆的动力性和燃油经济性；后倾角和前束值设计得是否合理还将直接影响到前轮的摆振，导致车辆操纵稳定性变坏，增加了有关零部件载荷，从而降低行驶安全性与可靠性，摆振严重时会影响到车辆的平顺性和安全性。
车轮定位参数主要是指主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束角。车轮定位参数是悬架系统诸多几何参数中最为重要的一组参数，直接影响悬架系统特性，与汽车操纵稳定性的多种评价指标都密切相关。合理的定位参数可以保证车辆的直线行驶稳定性、转向轻便性以及避免车辆跑偏和轮胎的过度磨损。
二、前悬架模型的建立
本论文将使用ADAMS/View创建汽车的双横臂式前独立悬架模型。依据各个构件的位置和长度，根据定好的点的坐标创建设计点。给点命名的时候，应使名称表示该点的意义。在点的基础上，创建各个构件（part），包括主销（kingpin）、上横臂（UCA）、下横臂（LCA）、拉臂（Pull_arm）、转向拉杆（Tie_rod）、转向节（Kunckle）、车轮（Wheel）测试平台（Test_Patch）以及弹簧（Spring）等物体，如图1所示。
图1是简化的前悬架刚性铰链连接模型，此时不考虑左右车轮之间的运动关系；在独立悬架模型中，一个转向轮上下跳动，不影响另一个轮，所以只建立了1/2前独立悬架模型。该悬架在仅考虑前悬架自身的前提下，与车架的连接部分，均以大地代替车架；上、下横臂的一端通过转动销与车架相连，简化为一转动铰链；另一端通过球头销与主销两端相连，简化为一球铰链。转向拉杆的一端通过球头销与车架相连，简化为一球铰链；转向拉杆的另一端与拉臂以球头销相连，简化为一球铰链。减震弹簧上端与车架连接，下端与上横臂连接。此外，为了消除冗余自由度，车轮相对于轮轴的转动自由度也被固定铰链代替。整个悬架放置在测试台架上，在测试台架和车轮的接触点施加竖直方向的运动，通过仿真运动，测得悬架特性参数的变化曲线。
三、前轮定位参数运动学仿真分析
在测试平台上对双横臂式独立悬架进行车轮垂直上下跳动时的运动学仿真，分析车轮定位参数、前轮接地点侧向滑移量等随车轮跳动的变化关系。车轮从静平衡位置开始，上下跳动范围为[100mm，-100mm]，分析时取纵向坐标为车轮中心跳动行程，横向坐标分别为主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角、车轮前束和前轮接地点侧向滑移量等变数。
3.1 主销内倾角
在设计转向桥时，主销在汽车的横向平面内，其上部向内倾斜一个β角称为主销内倾角，如图2a所示。
主销内倾角β有使车轮自动回正的作用，如图2b所示。当转向轮在外力作用下由中间位置偏转一个角度时，车轮的最低点将陷于路面以下。但实际上车轮下边缘不可能陷入路面一下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度。这样，汽车本身的重力有使转向轮回到原来中间位置的效应。
此外，β角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离c减小（图2a），从而可减小转向时驾驶员加在转向盘上的力，使转向操纵轻便，。但c值也不宜过小，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与路面间将产生较大的滑动，因而增加了轮胎与路面间的摩擦阻力。不仅使转向变得沉重，而且加速了轮胎的磨损。
3.2 主销后倾角
设计转向桥时，使主销在汽车的纵向平面内，其上部有向后的一个倾角γ，即主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，如图3所示。
主销后倾角γ能形成回正的稳定力矩。当主销具有后倾角γ时，主销轴线与路面的交点a将位于车轮与路面接触点b的前面.当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转，将使汽车行驶方向向右偏离。这时由于汽车本身离心力的作用，在车轮与路面接触点b处，路面对车轮作用着一个侧向反作用力。反力对车轮形成绕主销轴线作用的力矩L，其方向正好与车轮偏转方向相反。在此力矩作用下，将使车轮回到原来的中间位置，从而保证汽车稳定直线行驶，故此力矩称为稳定力矩。稳定力矩的大小取决于力臂L的数值，而力臂L又取决于后倾角γ的大小。现在一般采用的γ角不超过～。
3.3 前轮外倾角
前轮外倾角α是通过车轮中心的汽车横向平面与车路平面的交线与地面垂线之间的夹角，如图2a所示。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，其变化量控制在以内。
3.4 车轮前束
车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了消除车轮外倾带来的这种不良后果，在安装车轮时，使汽车两前轮的中心面不平行，两轮前边缘距离小于后边缘距离，前后边缘距离之差称为前轮前束。
3.5 前轮接地点侧向滑移量
为保证汽车转向车轮无横向滑移的直线滚动，要求车轮外倾角和车轮前束有适当配合，当车轮前束值与车轮外倾角匹配不当时，车轮就可能在直线行驶过程中不作纯滚动，产生侧向滑移现象。这种滑移现象过于严重时，将破坏车轮的附着条件，使汽车丧失定向行驶能力。
前轮接地点侧向滑移量随车轮上下跳动位移的变化关系曲线，它近似是单调增减的曲线。整个跳动范围内，前轮接地点侧向滑移量的变化范围-7.510～20.125。其变化趋势是合理的，但是变化量较大，对轮胎的寿命不利。
四、结论
本文以MSC.ADAMS为仿真平台，建立某小型车双横臂独立前悬架模型，分析前轮上下跳动对主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角以及前束角的影响.最终结果表明，该车型前轮上下跳动时，主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角及前束角的变化趋势均较为合理，满足要求；但是前轮接地点侧向滑移量的变化范围较大，加剧了轮胎的磨损，有待改进。
参考文献
[1] 李军，邢俊文，谭文洁.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002，07
[2] 郑凯，胡仁喜，陈鹿民.ADAMS2005机械设计高级应用实例.北京：机械工业出版社，2006，01
[关键词]汽车；前轮定位参数；前悬架
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0266-02
一、车轮定位参数的意义
在汽车行业迅猛发展的今天，汽车前轮定位参数的确定仍然是困扰汽车企业设计的难题。过去对前轮定位参数设计往往采用模拟或通过试验的方法来确定，不仅耗费大量的人力、物力，而且产品的设计周期长，确定的数值也不够准确，给设计带来一定的盲目性。而前轮定位参数设计是否合理，将直接影响到车辆的很多重要性能。例如主销后倾角和内倾角将直接影响到车辆的回正性、直线行驶稳定性和高速制动时方向稳定性和转向的轻便性；前轮的外倾角和前束值的合理匹配将直接影响到前轮的侧滑和异常磨耗，同时也间接地影响车辆的动力性和燃油经济性；后倾角和前束值设计得是否合理还将直接影响到前轮的摆振，导致车辆操纵稳定性变坏，增加了有关零部件载荷，从而降低行驶安全性与可靠性，摆振严重时会影响到车辆的平顺性和安全性。
车轮定位参数主要是指主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束角。车轮定位参数是悬架系统诸多几何参数中最为重要的一组参数，直接影响悬架系统特性，与汽车操纵稳定性的多种评价指标都密切相关。合理的定位参数可以保证车辆的直线行驶稳定性、转向轻便性以及避免车辆跑偏和轮胎的过度磨损。
二、前悬架模型的建立
本论文将使用ADAMS/View创建汽车的双横臂式前独立悬架模型。依据各个构件的位置和长度，根据定好的点的坐标创建设计点。给点命名的时候，应使名称表示该点的意义。在点的基础上，创建各个构件（part），包括主销（kingpin）、上横臂（UCA）、下横臂（LCA）、拉臂（Pull_arm）、转向拉杆（Tie_rod）、转向节（Kunckle）、车轮（Wheel）测试平台（Test_Patch）以及弹簧（Spring）等物体，如图1所示。
图1是简化的前悬架刚性铰链连接模型，此时不考虑左右车轮之间的运动关系；在独立悬架模型中，一个转向轮上下跳动，不影响另一个轮，所以只建立了1/2前独立悬架模型。该悬架在仅考虑前悬架自身的前提下，与车架的连接部分，均以大地代替车架；上、下横臂的一端通过转动销与车架相连，简化为一转动铰链；另一端通过球头销与主销两端相连，简化为一球铰链。转向拉杆的一端通过球头销与车架相连，简化为一球铰链；转向拉杆的另一端与拉臂以球头销相连，简化为一球铰链。减震弹簧上端与车架连接，下端与上横臂连接。此外，为了消除冗余自由度，车轮相对于轮轴的转动自由度也被固定铰链代替。整个悬架放置在测试台架上，在测试台架和车轮的接触点施加竖直方向的运动，通过仿真运动，测得悬架特性参数的变化曲线。
三、前轮定位参数运动学仿真分析
在测试平台上对双横臂式独立悬架进行车轮垂直上下跳动时的运动学仿真，分析车轮定位参数、前轮接地点侧向滑移量等随车轮跳动的变化关系。车轮从静平衡位置开始，上下跳动范围为[100mm，-100mm]，分析时取纵向坐标为车轮中心跳动行程，横向坐标分别为主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角、车轮前束和前轮接地点侧向滑移量等变数。
3.1 主销内倾角
在设计转向桥时，主销在汽车的横向平面内，其上部向内倾斜一个β角称为主销内倾角，如图2a所示。
主销内倾角β有使车轮自动回正的作用，如图2b所示。当转向轮在外力作用下由中间位置偏转一个角度时，车轮的最低点将陷于路面以下。但实际上车轮下边缘不可能陷入路面一下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度。这样，汽车本身的重力有使转向轮回到原来中间位置的效应。
此外，β角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离c减小（图2a），从而可减小转向时驾驶员加在转向盘上的力，使转向操纵轻便，。但c值也不宜过小，否则在转向时车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与路面间将产生较大的滑动，因而增加了轮胎与路面间的摩擦阻力。不仅使转向变得沉重，而且加速了轮胎的磨损。
3.2 主销后倾角
设计转向桥时，使主销在汽车的纵向平面内，其上部有向后的一个倾角γ，即主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，如图3所示。
主销后倾角γ能形成回正的稳定力矩。当主销具有后倾角γ时，主销轴线与路面的交点a将位于车轮与路面接触点b的前面.当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转，将使汽车行驶方向向右偏离。这时由于汽车本身离心力的作用，在车轮与路面接触点b处，路面对车轮作用着一个侧向反作用力。反力对车轮形成绕主销轴线作用的力矩L，其方向正好与车轮偏转方向相反。在此力矩作用下，将使车轮回到原来的中间位置，从而保证汽车稳定直线行驶，故此力矩称为稳定力矩。稳定力矩的大小取决于力臂L的数值，而力臂L又取决于后倾角γ的大小。现在一般采用的γ角不超过～。
3.3 前轮外倾角
前轮外倾角α是通过车轮中心的汽车横向平面与车路平面的交线与地面垂线之间的夹角，如图2a所示。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，其变化量控制在以内。
3.4 车轮前束
车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了消除车轮外倾带来的这种不良后果，在安装车轮时，使汽车两前轮的中心面不平行，两轮前边缘距离小于后边缘距离，前后边缘距离之差称为前轮前束。
3.5 前轮接地点侧向滑移量
为保证汽车转向车轮无横向滑移的直线滚动，要求车轮外倾角和车轮前束有适当配合，当车轮前束值与车轮外倾角匹配不当时，车轮就可能在直线行驶过程中不作纯滚动，产生侧向滑移现象。这种滑移现象过于严重时，将破坏车轮的附着条件，使汽车丧失定向行驶能力。
前轮接地点侧向滑移量随车轮上下跳动位移的变化关系曲线，它近似是单调增减的曲线。整个跳动范围内，前轮接地点侧向滑移量的变化范围-7.510～20.125。其变化趋势是合理的，但是变化量较大，对轮胎的寿命不利。
四、结论
本文以MSC.ADAMS为仿真平台，建立某小型车双横臂独立前悬架模型，分析前轮上下跳动对主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角以及前束角的影响.最终结果表明，该车型前轮上下跳动时，主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角及前束角的变化趋势均较为合理，满足要求；但是前轮接地点侧向滑移量的变化范围较大，加剧了轮胎的磨损，有待改进。
参考文献
[1] 李军，邢俊文，谭文洁.ADAMS实例教程.北京：北京理工大学出版社，2002，07
[2] 郑凯，胡仁喜，陈鹿民.ADAMS2005机械设计高级应用实例.北京：机械工业出版社，2006，01