汽车前束原理和调整分析Word文档下载推荐.docx
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以图使之与外倾组成最佳匹配，让汽车在行进时侧向力为零，前轮处于纯滚动状态，前轮磨损最小。
现在的问题是，外倾角是不是影响前束的唯一因素，如果是唯一的，外倾角与前束角应按某一规律一一对应，或者说，能按某一公式计算出来。
然而，并非如此。
（见表一）
由表一可见，二者间毫无规律可循，甚至有同一外倾角，相同级别的汽车却有不同的前束角。
反之，有同一前束角的车，其外倾角却不相同。
至于所谓前束角为外倾角的15-25%的“统计规律”显然是不全面的。
更不用说前轮驱动的汽车了。
实验证明，没有外倾角的非独立悬挂的后轮，在行驶时一般没有侧向力，不需要有前束。
显然，外倾角是前束角的诱导因素，并不是必要因素，更不是唯一因素。
请看表一
摘自人民交通“进口汽车技术性能手册”（82年版）
表一
（二）“前束”是为补偿滚动阻力和空气阻力对前轮的不利影响而设计的。
前桥，车轮及梯形拉杆的结构如图一。
设滚动阻力为PM，空气阻力为PN，C和C1为两前轮理论旋转轴心，A和A1为两主销。
B和B1分别为梯形拉杆两端的球关节。
滚动阻力PM向前轮中心C简化，得一向后的作用力和一力矩，力的大小与PM相等，力矩驱动车轮转动。
PM与本来就作用于C点的空气阻力PN的合力P（P=PM+PN）再向主销A点简化，结果又得一力和一力矩，力的大小与P相等，力矩：
M=Pl=（PM+PN）l（l是C点到A点的距离）
显然，两个主销上所受力矩大小相等，方向相反，如图示：
A和A1所受力矩分别为-M和+M。
由于M的作用，使球销有向后转动的趋势，由于受梯形拉杆的约束，又不得转动。
设梯形拉杆所受的力为PB，球关节中心到A点的距离AG=S，梯形拉杆的梯形底角为b，则有：
PB·
S·
sinb-M=0
即：
sinb-（PM+PN）l=0
由于PB的作用，使球关节中球肖的球面紧贴肖座的球面外侧。
设梯形拉杆两端球关节中球肖球面与球座球面间的间隙分别为a和b，很明显此时两球肖间的距离加大了（a+b）/2，为获得“动态前束”的最佳效果，静态前束势必在原来的基础上加大一个量e1
e1=D（a+b）=R（a+b）（D是车轮直径，R是车轮半径）
S2S
应该说明的是，e1也不是个定值，它将随球关节的结构和其所受力的大小而取一相应的值。
其变化围在0到R（a+b）/S间。
我们知道，任何零件在加工时，都会有偏差，而且由于空间和重量的限制，任何零件的刚度也是有限的。
在-M和PB的相互作用下，各相互关联的零件间可能发生相对位移、扭转和弹性变形，而且这所有的运动的总效果，同样是使前轮前。
为了补偿这一不利效果，又需在原来的基础上将前束加大一个量e2。
总之，不论是弹性变形，还是扭转变形，还是零件间发生位移，都会不同程度地使前桥半轴绕主肖向后旋转一个角度，造成前。
就是因为这些因素的影响，使得有些外倾角很小甚至为零的汽车也仍然需要有一定的前束，这已为事实所证明。
据“国外汽车”杂志1979年第5期“行驶汽车转向轮定位角的测定”一文介绍，联有关部门，使用一种特殊装置，在ΓA3-24《伏尔加》汽车两前轮上测量的结果是：
滚动阻力每增加5kg动态前束值减少0.16mm。
由于滚动阻力与车速有直接联系，一般来说，车速越高，滚动阻力越大，所以同文还说：
和“对ΓA3-24《伏尔加》汽车（主销后倾30’，车轮外倾0°
，前轮前束0+3mm）的试验证明，在平坦的沥青路面上，当车速分别以5km/小时，20km/小时和70km/小时行驶时，前束相应减少了0.2,0.4,和0.8mm，急加速和常速制动时，前速相应减了0.5和0.5-3毫米。
由此，说明有些高级小轿车和载重汽车都有较大的前束值的原因。
如奔驰600，外倾0°
，前束6±
1，红旗外倾0°
，前束5-7。
解决CA10B，外倾1°
前束10。
因为前者普遍采用低压轮胎和超低压轮胎，而且车速很高，最高可达200km/小时。
而后者，往往载荷很大。
这些都会造成较大的滚动阻力，导至前严重，故需用较大前束以补偿。
在前束由来问题上，对于一些高级小轿车或一些汽车工业发达的国家的部分货车，一般地说，仅有此二项。
然而，在我国，由于车轮质量不稳定，特别是在普通货车和吉普车上，车轮的几何精度和平衡精度都极差，质量最差的车轮，其径跳可达2-3mm。
端跳可达5-7mm，动不平衡可达3000克厘米到5000克厘米，这样的车轮在行驶时，对地面产生很大的侧向力，使车轮遭受严重的早期磨损或畸形磨损。
然而，即使在这种情况下，如果适当加大或缩小其前束，仍能使其动态侧向力接近于零，前轮磨损情况就会明显减轻。
实验证明，对于精度高、结构合理的车轮通过调整前束，可以使汽车在行驶时，轮胎与地面间的侧向力为零。
前束也可以控制在一个较小的围。
然而，对于质量较差的前轮，则做不到这一点。
当前轮滚动时，会产生一周期性的脉动的侧向力。
其周期等于车轮转一周所用的时间，其波形为不规则曲线。
对于有些汽车，侧向力波动围最大可达12kg。
其波形如图三所示。
实验结果还证明，其侧向力不但是无规律变化，而且还偏离正常侧向力一个量，这一量的大小，与轮胎支持层的几何形状有关，与其外胎的结构有关。
不同外型和结构的轮胎，装在同一辆汽车上，在具有相同的静态前束的情况下，侧向力会有明显的差异，如采用普通轮胎和子午线轮胎时，其侧向力明显不同，前者小，后者大。
即使是同一类型的轮胎，由于胎面花纹不一样，其侧向力也不一样。
如在对BJ212作前束测试过程中，发现小方块花纹轮胎侧向力大，而连续小细花纹轮胎侧向力小，由此导至前者最佳前束偏大，后者最佳前束偏小，前者最大可达8mm，最小也有1mm。
而后者，最大不过3mm，最小可达-1mm。
至于轮胎是如何影响侧向力进而影响最佳前束值的，下面将进一步论述。
显然，为获得在汽车运行的全过程中，地面对轮胎侧向力总和为零的效果，必须将前束偏离正常前束值一个量。
如在图三中，将零点从原零线移至B点，使其受力图由图三所示的情况变为图四所示的情况。
.这便是我们所要研究的前束的由来之三。
（三）前束是为补偿车轮缺陷而设计的
假设车轮如下图A直立在地面，（零外倾），车轮轮网是一个经精细加工的左右完全对称的有足够刚性的构件，轮胎也是一个高品质的完全均匀对称的橡胶弹性体，那么它的受力就只有汽车自重压力和地面的垂直向上的支反力P和P₂，P=-P₂事实上，车轮在制造过程中，因各种原因。
不可能是上述的那种理想的构件，特别是轮胎，在制造过程中的多个环节都可能使其组织包括帘布和橡胶圆周不均匀和左右不对称。
形成如图B的情况。
图B是车轮的某个断面的情况，假设轮胎右边帘布的厚度a大于左边帘布厚度b，显然，作为充满高压空气的车轮在汽车重力作用下，轮胎受压而变形，由于a>
b至使右边刚性大于左边刚性,从而导致轮胎向右变形,其受地面一向左的侧向力P和地面支反力P₂及汽车压力P。
由于汽车轮胎对地面的压力P不是垂直向下的,而是有一夹角y，此时,其效果相当于车轮对地面有一倾角为y的力。
使车轮附加了一个外倾角,不同轮胎,要求不同的外倾角,也就要求附加一个不同的前束。
前桥有两个前轮，两前轮附加外倾角的共同作用的结果，很明显地需要一合理的附加前束来与之抵消，这一前束的附加值是多大，需实际侧量而定，我们设因车轮缺陷所需的前束能为y₂，其大小和方向都是因车而异，因时而异。
所以出现了图三所示的侧向力无规律（但在一定围）的变化。
导致最佳前束值也因车而异，有的甚至相差很远，这也为实践所证明。
我们在对不同的车（BJ2020）量取动态侧向力为零时的静态前束值时发现可在-2到10间变化。
其中90%的车在3mm.到5mm，这说明当时（83年）国产轮胎质量是极不稳定的。
另有极个别的车，在作动态前束调整时，发现前轮方向跑偏，用上述观点可解释为：
左右车轮因轮胎质量问题，使两边的前轮受同时向左或同时向右的侧向力所至。
由于bj2020的前桥是非独立悬挂的，方向跑偏与定位角无关，所以，凡遇上述情况，更换前轮就不跑偏了。
当然，车速和载荷也是影响前束的因素，一般来讲，车速越高，载荷越大，要求有更大的前束。
但他们都是不确定因素，而且影响不大，所以不在讨论之列
。
综上所述，前束的由来，主要有三。
δ=y+y1+y2其中y1=e1+e2
y为外倾角所导至的前束角。
y1为地面和空气阻力所导至的前束角。
其中，e1为球关节间隙所至，e2为零件变形，位移，扭转等所至。
y2为车轮质量缺陷所至的前束角。
前束的由来尚且有三，影响其大小的因素就更多了，况且汽车在行驶过程中，这些因素又都瞬息万变（虽然局限在一定围）。
所以要对一种汽车规定出一个在任何时候，任何情况下都适合的前束值是很不容易的，或者说是根本不可能的。
因此，我们只能对一种特定的车型在特定的载荷（一般是满载）、特定的轮胎和轮胎气压，特定的车速以及90%的直线行驶工况下规定出一个大多数车都适用的前束值的围，使前束值在此围的汽车都能正常行驶。
如吉普BJ2020，前束值调到4mm，80%的车都能正常行驶。
我们所说的正常行驶，并不是说前轮磨损最小。
而要使前轮在现有条件下磨损处于最小，只有将前束调到最佳值。
这就是我们要讨论的第二个问题—前束的调整。
二、前束的调整
前束的大小，是靠调整梯形拉杆的长短来确定的。
同时，前束的误差又是规定的很严的，往往只有1-2mm。
我曾经对BJ2020各有关零件的尺寸公差及形位公差作过累计，如果向不同方向积累，足可使前束变化3-4mm。
由于影响汽车前束的因素很多，而且这些因素在每一辆车上又不尽相同，往往因车而异，因地而异。
如果调整前束时采用的方法不合理，首先是不容易调到设计规定的前束值。
其次，即使调到了设计规定的前束值，也未必是最合理的前束值或曰最佳前束值，同样不能保证其前轮没有异常磨损。
如果条件允许，应该是每一辆车，都因为本身条件规定一个最佳前束值。
然而，这一条件是无法满足的。
所以，前束调整的问题，对于我们来说曾一度是个十分棘手的问题。
目前，在我国，各汽车制造厂都各自根据自己的条件，采用不同的方法调整前束。
在国外，也不尽相同。
但综合起来，不外以下三种方法。
1．测量“前束角”法
现在有些汽车制造厂就是采用这种方法调前束的。
将前桥固定在装配台架上，在装轮毂轴承之前，以两端转向节轴的两道轮毂轴承为基准，测量其轴心线与前桥总成轴线的夹角，使其一端等于单轮前束角y，然后调整梯形拉杆的长度，使另一端转向节轴的轴线与前桥的中心线的夹角亦等于单轮前束角y，然后紧定梯形拉杆上的卡子使前束角2y固定下来。
用这种方法调整前束，一般地说大部分都可以合乎设计要求，轮胎磨损也基本正常。
这种方法的优点是定位基准选择合理，调整速度快，有较高的合格率。
这种方法的不足是：
（1）定位基准点相隔太近，测量误差大。
（2）拉杆与前桥总成运输不便。
容易碰弯拉杆，破坏前束的准确性。
（3）没有考虑转向机构及车轮对前束的影响。
（4）无法检验。
（5）此法只适用于前桥是非独立悬挂的汽车。
2．“B—A”法
为了克服上述调整法的不足，一些工厂采用另一种方法调整前束。
就是“B—A”法。
为了扩大测量基准，他们将测量前束角转化为直接或间接的测量两前轮任一旋转平面上最后两点间的距离与最前两点间的距离之差。
如图五：
δ=B-A=4RsinY
图五
具体测量方法很多，有用特制的前束尺测量的，也有用钢卷测量的，也有用专门仪器测量的，由于原理极简单，这里不一一介绍了。
用这种方法测量和调整前束，虽然克服了上述缺点，但是又带来了一个无法克服的缺点。
由于是在装上车轮以后测量的，使许多零件的误差和零件间的间隙都带到新的测量基准里来了，所以虽然扩大了测量基准，但是其测量精度不但没有提高，反而有所降低。
实在是一种顾此失彼的作法。
由于在实际生产中，零部件的误差在所难免，特别是车轮外倾角，梯形拉杆球关节间隙以及车轮的几何精度都是很难严格控制的，所以也必然有一部分车前束值超出设计要求的围。
而且由于这种前束值都是用静态的方法测量与调整的，很多变化着的因素都没有考虑，所得前束值绝大部分不是最佳前束值。
例如，在我们过去（75年~80年）的试验中，BJ2020的前束值，只有5-10%在最佳值。
所以前轮必然还会有程度不同的早期磨损和畸形磨损。
为了解决这一问题，我参考国外（日、德、美）有关资料，跳出传统方法的圈子，寻求了一种新的前束调整法。
3．动态调整法
前面已经论述过，汽车前轮轮胎的早期磨损和畸形磨损的根本原因是车轮在行驶过程中有侧向力对轮胎作功，导至轮胎与地面之间有侧向滑移。
很显然，要解决前轮异常磨损的关键在于消除侧向力。
对于前轮来说，要完全做到这一点，几乎是不可能的，前轮与后轮的不同之点就是前轮有个转向问题，前轮在转向时，两轮不可能时刻与后轮绕一共同的迴转中心作纯滚动。
就是在直线行驶时，由于有其他几个定位角（主要是外倾角）的存在，轮胎所受侧向力也不会时刻为零。
但是，我们只要将前束调整得合适，是可以使汽车在百分之九十的直线行驶的时间前轮胎所受侧向力总和为零的。
这样，前轮磨损将会处于最小状态。
即使因为某种原因（主要是车轮的几何精度和平衡精度）。
侧向力不能为零，而只能在零线上摆动，但由于轮胎是有相当弹性的柔韧体，在微小的侧向力作用下，轮胎用本身的弹性变形就可以保持其不与地面产生侧向滑移。
既然没有滑移，就没有侧向力作功，车轮处于纯滚动状态，轮胎没有早期磨损。
要做到这一点，是我国汽车行业现行的静态调整方法所无能为力的。
这就需要采用动态调整法，让前轮转动起来，向前行驶，让影响前束的一切因素都来参加表演，然后用调整拉杆长度的办法，将那些不利因素所产生的侧向力消灭于一个统一体中，此时前束取于最佳值，即动态侧向力为零，侧向滑移亦为零。
前轮处于纯滚动状态，轮胎磨损最小。
根据上述原理，我设计了一台“动态前束调整仪”。
“动态前束调整仪”基本结构如图六。
两平行滚筒2置于一可以左右移动的小车3上，小车上连有拉杆4，由4通过传感器5和拉杆6连接，拉杆6与另一小车7（完全同小车3）铰接。
当汽车两前轮1分别置于两小车的滚筒之上后，开动机器使滚筒旋转，此时，滚筒代替了实际行驶中的路面。
如果前束角不合适，则两小车分别受大小相等方向相反的两个侧向力作用，同时向或向外移动。
由传感器5感受此力的大小和方向，调整前束，使此力为零，或在零上左右摆动。
此时的前束值即为此车的最佳前束值。
对此仪器，我们做了如下试验，简述如下：
1．与日本交通省特许的侧滑仪作对比试验。
日本侧滑仪是专门用以检测汽车前轮定位角的综合性能的仪器，其中主要是检验前束的，它的检验标准是看汽车每向前行驶一公里时，其转向轮侧向（向或向外）滑移的距离（俗称侧滑）。
侧滑为零即为最好，表示前轮无侧向滑移。
侧滑在±
3m/km视为良好，表示前轮无明显早期磨损，而当侧滑超过5m/km时，则被视为不合格。
此时车轮会有严重磨损。
我们用“动态前束调整仪”调整10辆BJ2020汽车前束，使动态侧向力为零。
然后到在日制侧滑仪上做试验，结果全部良好，10辆车中，有5辆侧滑为零，3辆侧滑0.5，两辆侧滑为1。
由此证明，此仪器是完全可行的。
2．量取静态前束值，与设计规定对照：
我们从82年8月开始，分别在不同时期的车中任选200辆BJ2020和BJ2020A及BJ121卡车进行动态前束调整，将侧向力调到零后，再用前束尺取其静态前束值，其结果如表二所示。
由上分布曲线可以看出，前束值在1-6的汽车占87%。
前束值在设计规定值的汽车只有52%。
在200辆车中，前束值最大的车的总号是13882，静态前束值为7.2。
我们曾将其前束值调到设计规定值2毫米。
进行侧滑试验，
结果侧滑为-5m/km。
即表示前束太小，不合格。
即是说，对于此车，因其各方面的具体条件不同，而需要有较大的前束，7.2mm就是此车的最佳前束值。
还有一辆车，其经动态调整前束后，测得其侧向力和侧滑均为零，量得其静态前束为10.2。
这在我厂所产的车里也是少见的。
现已跑完3000km，观察其前轮磨损，几乎与后轮无异。
另外，我们还对几辆前轮磨损严重的旧车用“动态前束调整仪”进行了前束重调，行程4000余公里，前轮均未发现异常磨损。
值得注意的是，这些车中，原来的前束值都基本在设计规定围。
同一类型的车，前束差别如此之大，这是我从没预料的。
为找出其原因，我们作了如下试验。
3．更换梯形拉杆球关节。
仅从图纸公差积累，原BJ2020球关节侧向间隙最大可达0.45mm，影响到前束，能使前束增加2mm左右。
这次我们制造了一种新结构的球关节，将侧向间隙限制在0.1mm之。
我们对前束偏大的车辆12270（前束5.9），换上了特制的新结构拉杆，重调后测得静态前束为4.5，即减小1.4mm。
梯形拉杆球关节间隙对前束的影响在旧车上尤为明显。
经长期使用后，其间隙明显加大使前束减小。
曾对陕汽驻京办事处的一辆BJ2020车号31-13602作过试验，结果发现由此对前束的影响是使之变小了3mm。
但是，由于原结构的球关节有弹簧自动复位，而且间隙也有大有小，所以此间隙不是对所有的车都起作用，而是只对一部分车起作用，如我们对前束为7.2的13860车作了同样试验，就没发现有什么变化。
4．为了找出影响前束的主要因素，我们作了更换前轮的试验，试验证明车轮是影响前束的主要因素。
A仅举一例，经动态调整后，测得车号为13882的车前束为7.2，而车号14215的车前束为零，当两车前轮互换后，经动态重调，重量两车的静态前束值也几乎互换了。
13882变为0而14215则变为6.2了。
B对于上述两辆车，我们在换前轮前后都作了侧滑试验，都在-2.5——+2.5之间。
C从理论上讲，经动态调整后的车辆，其侧滑应为零，但事实并非总是为零，有时还相差很远，最大能到3.5和-3.5。
首先我们怀疑侧滑仪不准，于是用13882车在侧滑仪上往复试了10次，结果都是2.5。
由此证明侧滑仪是准的。
D由于侧滑仪宽度有限，只能检测1/4——1/3个前轮的侧滑，其它部分也是2.5吗，应该不是。
为证实这一观点，我们又以轮胎的不同着地点通过侧滑仪十次,侧滑分别为2.5、1.9、-1.8、09、1.7、-1.4、-2.5、0.7、-2.4、0.3十次侧滑的数据之代数和为-0.1,平均侧滑为-0.01,单位是M/KM.由此证明，我们的猜想是对的——经动态调整后的车辆，其侧滑应为零，至少，其平均侧滑为零
为证明车轮对前束的影响程度，我们任选了一对车轮作为基准前轮，对以下11辆无前驱动的BJ121小卡车先用“动态前束调整仪”调整前束，并量取静态前束值，然后将这11辆车的前轮分别更换成同一对前轮，并用“动态前束调整仪”调整前束，量取静态前束值，其结果如表三。
表三
作分布曲线进行对比如图七。
由上表可见，用原车轮时，前束在0.5——4.3间变化4mm，而当车轮因素消除之后，前束仅在2——3间变化1mm。
5．快速磨损试验。
我们在抽查时，发现一辆车的前束为-1.8。
经复查确认，其侧向力及侧滑均为零，在当时情况下，有的人认为无法理解，应作磨损试验。
图七在有关部门的协助下，我们作了快速磨损试验。
结果证明对于此车，前束为-1.8时，前轮磨损最小。
当前束调到4.3时，前轮磨损增加18%，外侧偏磨增加32%。
到此为止，影响前束的主要因素基本找到，我认为可以得出如下结论：
“动态前束调整仪”其设计思想正确，结构合理，用此仪器调整前束是解决前轮磨损的根本办法。
它不但能调出每辆汽车的最佳前束值，而且能部分弥补前桥车轮及转向系各零件结构和加工精度的不足。
此仪器至今已经使用二十余年了，在使用中，我们认为它有如下优点：
1．与实际使用相符。
调整时，前轮至于滚筒之上，只要转动滚筒，就能再现实际的直线行驶状态。
影响汽车前束的一切因素都参加了调整，一切间隙都朝一定方向消除，无疑调整至侧向力为零时的静态前束值是此车的最佳前束值。
2．调整方便：
汽车开上滚筒后，不需要固定装置和平衡机构，也没有始终保持和操纵方向盘的必要（拧动调整螺母时除外）。
而且前轮至于滚筒上的任何位置都不影响测量和调整精度。
也就是说如果滚筒设计得足够长的话，一台“动态前束调整仪”可以对轮距和轴距不同的多种汽车调整前束。
3．精度高，如果车轮平衡精度和几何精度较高的话，其所测静态前束值的公差完全可以控制在设计规定围以。
4．此调整仪的着眼点在轮胎磨损的根本原因——侧向力，所以在调整时，不必考虑是什么车型，也不必考虑车轮的大小，更不必考虑车轮的结构，材料，气压及外倾角等。
即此仪器可调整任何汽车的前束。
5．不必考虑拉杆和其他转向系零件的位移、形变、扭转和间隙等。
6．此仪器既可作调整前束用，亦可作检验前束用，既可给汽车制造厂用，也可给汽车修理厂和汽车检测场用。
7．用此调整仪调整前束生产效率高，一般不到1分钟，可完成一辆车前束调整的全部工作，而且工人劳动强度低。
8．该仪器还可以测量前轮方向跑偏的程度。
以上8条优点，是任何其他前束调整设备所无法相比的。
如果能在全国各制造厂和修理厂都推广使用，汽车前轮早期磨损和大部分畸形磨损将得以消除，可以大大节省汽车轮胎和汽油消耗。
对环境保护也是很必要的。
三、结束语
我国目前生产汽车的厂家虽然不少，除一汽外，其他各家都是近十几年才逐步发展起来的。
前束的问题，对于小厂，由于其产量小，矛盾不突出，虽然他们那里也有前轮异常磨损问题，但他们一般不将其归结为前束不准。
然而对年产量大于十万辆的厂家，前束的调整和检验必须考虑其效率问题。
而且往往因为工作量大，造成思想松懈，导至前束调不准，而每年因此而造成的损失是大得惊人的。
对环境的污染也是十分严重的。
在我国，过去有很多人对前轮磨损问题作过大量工作，也取得了很大成效，但到目前为止，仍然没能彻底解决。
前轮异
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