Chapter 4 Chassis systems
4.1 Introduction
The vehiclersquo;s chassis system consists of three main areas:
□ Steering system
□ Suspension system
□ Braking system
The way the vehicle responds to the road and driver inputs is all down to the design features of the chassis system, which the vehicle manufacturer has built into the vehicle dynamics. Vehicle fundamentals across the chassis system areas have not changed dramatically since their conception. The main difference in all of the chassis system areas is the inclusion of lighter weight, higher grade and more accurately manufactured materials. Additionally, vehicles today now incorporate a great deal of electronic control systems to improve vehicle safety, handling and refinement.
On earlier vehicles, the driver had full control of all the systems through the inputs through the steering and braking system. Now the vehicle monitors the inputs from the driver to decide what is best for the vehicle and the driver. This can be seen with anti-lock braking systems (ABS), which monitor road wheel speed and vehicle dynamics and make alterations to individual brakes to bring a vehicle back in control of the driver. Earlier vehicles depended on the driver to alter the pressure on the brakes to avoid a skid condition, or the driverrsquo;s skills in preventing a vehicle from sliding off the road. The following section gives a full understanding of the fundamentals of the vehiclersquo;s chassis systems and provides an insight into technology now found on todayrsquo;s vehicles.
4.2 Directional control and stability
The fact that vehicles today often travel at high speeds illustrates the need for good steering, but perhaps even more important is efficient maintenance and fault rectification. Steering fault diagnosis can often place great demands on the technicianrsquo;s basic knowledge, so it is essential in the interests of road safety that they have a thorough understanding of this subject. This is due to the modern vehicle being very dependent on the steering and suspension geometry and set up. Most modern vehicles have settings for front and rear suspension and steering, with many incorporating something called passive steering into the rear suspension. Passive steering is discussed later in this section on page 413 but, in general terms, this enables the rear wheels to take different lines depending on the cornering speeds through deflection in suspension components. For these reasons, it has become very important for the technician to be able to diagnose and repair steering and suspension systems effectively to maintain the vehiclersquo;s dynamics.
Passive steering: when the vehiclersquo;s rear wheels are able to take a different line through suspension deflection or suspension design. Alterations to suspension mounts can create a change to the road wheel alignment as weight is transferred to that wheel. This can improve the handling through adding toe-in to the rear wheels during cornering.
Basic principles
The steering mechanism must enable the driver to:
□ maintain easily the straight-ahead motion of the vehicle, even on uneven surfaces and at high speeds
□ change the path of the vehicle without undue effort.
Swinging-beam system
The geometry of steering may be understood by considering the layout of a vehicle (Figure 4.1). A swinging axle beam, mounted on a turntable (or pivot) on the frame, turns the wheels and allows the vehicle to move around an imaginary centre (Ic). You will see, in the position shown, that all wheels are at right angles to radial lines drawn from Ic, and each wheel forms a tangent to the curved path that the wheel is actually taking. The natural tendency of a wheel is to travel in a straight path, and it is obvious that a curved path will cause greater tyre wear. This wear can be kept to a minimum if misalignment is limited through accurate set-up of the steering system.
Swinging-beam system: a simple steering system consisting of a solid beam axle mounted centrally through a pivot to allow the steered wheels to move.
Ackermann layout
Many of the disadvantages of the swinging-beam system were overcome in 1817 when a Munich carriage builder, named Lankensperger, first introduced the fixed-beam, double-pivot system. In 1818, his agent in England, Rudolph Ackermann, took out a patent on the system, which is known as the Ackermann layout and versions of this are widely used by vehicle manufacturers today.
The steering layout should position the wheels at angles shown in Figure 4.2. In 1878, Charles Jeantaud, a French coachbuilder, demonstrated that this condition must be fulfilled if tyre wear is to be minimised. The diagram shows that the difference in the front wheel angles depends on the ratio T/W (T = track width, W = wheelbase length). The Ackermann layout does not fully achieve the conditions shown by Jeantaud in all wheel positions; normally it is accurate only when the wheels are straight ahead and in one position in each left-turn and right-turn wheel setting.
The main details of the layout are shown in Figure 4.3. Each wheel hub is mounted on a stub axle that swivels on either ball joints or a kingpin to give the steering action. Linkage connecting the two stub axles together comprises two track arms and a track rod. The Ackermann layout is obtained by positioning the kingpin (or swivel joints) and the track rod joint on an imaginary line, which is inclined to the centre line of the vehicle. This means that when a track rod is fitted to the rear of the swivel centres, it is shorter than the distance between swivel centres. Although this is satisfactory on heavy vehicles, it is not used on cars because of the engine position; instead, the track rod is se
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第四章底盘系统
4.1简介
车辆的底盘系统包括三个主要部分:
□转向系统
□悬架系统
□制动系统
车辆对道路和驾驶员输入的响应方式完全取决于底盘系统的设计特性，汽车制造商将其内置到车辆动力学中。底盘系统领域的车辆基本原理自其概念以来没有发生重大变化。所有底盘系统领域的主要区别在于更轻的重量、更高的等级和更精确的制造材料。此外，今天的车辆现在纳入了大量的电子控制系统，以提高车辆的安全性、操控性和精细化。
在早期的车辆上，驾驶员通过转向和制动系统的输入来完全控制所有的系统。现在车辆监控来自驾驶员的输入，以决定什么对车辆和驾驶员是最好的。这可以从防抱死制动系统(ABS)中看出来，该系统监控车轮速度和车辆动态，并对单个刹车进行调整，使车辆重新回到驾驶员的控制之下。早期的车辆依靠驾驶员来改变刹车的压力以避免打滑，或者驾驶员在防止车辆滑出路面方面的技能。下面的部分给出了对车辆底盘系统基础的全面理解，并提供了对当今车辆技术的深入了解。
4.2方向控制与稳定性
如今的汽车经常高速行驶，这一事实说明了良好转向的必要性，但或许更重要的是有效的维护和故障纠正。转向故障诊断往往对技术人员的基础知识要求很高，因此，为了道路安全的利益，他们必须对这一课题有透彻的了解。这是由于现代汽车是非常依赖于转向和悬挂的几何形状和设置。大多数现代汽车的前悬、后悬架和转向系统都有相应的设置，其中很多都将被动转向系统整合到后悬架中。被动转向将在第413页的本节稍后讨论，但一般而言，这使后轮采取不同的路线取决于转弯速度通过偏转悬架组件。由于这些原因，能够有效地诊断和维修转向和悬架系统，以保持车辆的动力学已经成为非常重要的技术人员。
被动转向：当车辆的后轮通过悬架偏转或悬架设计能够走不同的路线时。 悬架安装的变更会在重量转移到车轮上时改变车轮的定位。这可以通过在转弯时在后轮中增加前束来改善操纵性能。
基本原则
转向机构必须使驾驶员能够:
□即使在不平整的路面和高速行驶时，也能轻松保持车辆的直线行驶
□不费力气地改变车辆的行进路线。
摆臂系统
可以通过考虑车辆的布局来理解转向的几何形状（图4.1）。安装在车架上的转盘（或枢轴）上的摆动轴梁使车轮转动，并使车辆绕假想中心（Ic）移动。您将在所示位置看到所有车轮与从假想中心绘制的径向线成直角，并且每个车轮都与车轮实际采用的弯曲路径相切。车轮的自然趋势是沿直线行驶，很明显，弯曲的道路会导致轮胎磨损更大。如果通过精确设置转向系统限制了偏心，则可以将磨损降至最低。
摆臂系统：一种简单的转向系统，包括通过枢轴居中安装的实心横梁轴，以允许转向轮移动。
阿克曼布局
1817年，一位名为兰肯斯珀格（Lankensperger）的慕尼黑马车制造商首次引入了固定梁双枢轴系统，克服了摆动梁系统的许多缺点。1818年，他在英国的代理人鲁道夫·阿克曼（Rudolph Ackermann）取得了该系统的专利，这种专利被称为阿克曼布局，这种版本如今已被汽车制造商广泛使用。
转向布局应按图4.2所示的角度放置车轮。1878年，法国客车制造商查尔斯·尚陶（Charles Jeantaud）证明，要最大程度地减少轮胎磨损，必须满足这一条件。该图显示前轮角度的差异取决于比率T / W（T =履带宽度，W =轴距）。 阿克曼布局无法在所有车轮位置上完全达到Jeantaud所示的条件。通常，只有当车轮笔直并在每种左转和右转车轮设置中处于一个位置时，它才是准确的。
布局的主要细节如图4.3所示。每个轮毂均安装在短轴上，该短轴可在球形接头或主销上旋转以提供转向作用。将两个短轴连接在一起的联动装置包括两个梯形臂和一个横拉杆。通过将主销（或旋转接头）和横拉杆接头定位在假想线上（相对于车辆中心线倾斜）来获得Ackermann布局。这就是说，将一根定位杆安装在旋转中心的后部时，它比旋转中心之间的距离短。尽管这在重型车辆上是令人满意的，但由于发动机的位置，它不能在汽车上使用。取而代之的是，定位杆位于车轮中心的前方。
横拉杆:一个连接转向臂和被操纵车轮的关节，可以输入驾驶员的转向要求，这些允许转向和悬挂系统的旋转和直线运动。
图4.4显示了当横拉杆长度等于旋转中心距离时的转向角。两个车轮将以相同的角度移动。设置摆臂并缩短横拉杆以得到Ackermann布局，将在车轮转动时使角度发生变化。如果将横拉杆向左移动给定的距离，就会看到该动作：左侧的摆臂接近其有效的曲柄角（杆和臂成90°角），这会使摆臂进行较小的角度运动，而在右侧，摆臂会移离有效曲柄角，并增加摆臂和车轮的角度。两个车轮之间的角度差随着轮子的转动而增加。
应该注意的是，该系统的基本特征是梯形臂连接相对于转向转轴的位置，而不是梯形臂的形状。然而，任何由于车辆碰撞而导致的臂部变形都会导致车轮偏转和不正确的角度。可以通过把车轮放在转盘上并测量角度来检查梯形臂的设置，也可以通过检查当一个车轮被操纵通过一个给定的角度时车轮的不平行移动量来检查——在后来的测试里面称为“前展角”。
4.2.1转向过度和转向不足
侧偏角
以前的转向几何是基于使用“硬”轮胎的车辆。现代汽车上使用的低压轮胎在受到侧向力时会走不同的路。图4.5显示了沿方向A行驶的车轮的平面图。
如果有侧向力作用在车轮上，尽管车轮仍指向原始方向，但轮胎的挠曲会导致车轮沿路径B行驶。车轮实际采用的路径与车轮平面（AA）之间的角度称为侧偏角。（该术语具有误导性，因为实际上没有发生滑移：“蠕变角”可能是一个更好的术语，但“侧偏角”是常用的。）
由给定轮胎的胎侧偏斜引起的侧偏角与作用在轮胎上的侧向力成比例。这种说法是正确的，直到失去附着力并且轮胎开始侧滑。在防滑阶段，适用以下条件：
侧偏刚度（N /度）=（侧向力（牛顿））/（侧偏角（度））
轮胎的侧偏刚度（CP）取决于：
1.轮胎压力–上升会提高CP
2.轮胎结构–子午线轮胎的CP值比对角线轮胎高
3.轮胎尺寸–低矮轮胎的壁较小，因此可以获得更高的CP
4.车轮外倾（倾斜）–倾斜车轮使其脱离侧向力会增加CP
5.车轮上的负载–如果负载不同于正常负载，则CP会降低。
（有关轮胎构造的更多详细信息，请参见第449页。）
回正力矩
当侧向力作用于轮胎时，胎壁会偏转以产生侧偏角。观察在这种情况下旋转的车轮，表明轮胎在旋转时离开道路的点处的侧向偏斜更大（图4.5）。这种效果会产生回正力矩（t），该扭矩会试图使车轮转动以使其自身与车轮所沿的实际方向对准。
沿着高度弯曲的道路行驶的车辆的驾驶员会感觉到此扭矩的影响----转向将“拉向一侧”。
扭矩：旋转或扭转力以产生绕轴的旋转。
转向过度和转向不足
轮胎侧偏角会导致转向过度或转向不足，从而影响车辆的转向特性。由风，道路弯度或转向力引起的侧向力会在每个轮胎上产生侧偏角。
当后部侧偏角大于前部侧偏角时（图4.6），车辆将比正常转弯更陡峭----这种情况称为过度转向。为了解决这个问题，驾驶员必须调正方向盘，这是转弯时的一项艰巨任务。当这与急转弯导致转弯力进一步增加这一事实联系在一起时，很明显为什么在大多数情况下都将过度转向视为危险。某些赛车手，例如拉力赛车手，会在使汽车后座转弯以提高弯道出口速度时利用过度转向，但是普通驾驶员不应尝试这样做。混合轮胎装置在前部使用径向帘布层，在后部使用对角帘布层，从而增加了转向过度的效果，因此出于安全原因，使用该轮胎布置是非法的。
过度转向还可能是由于：
□通过增加车辆后部的负载使重心向后移动
□后轮胎充气压力低于建议值
□转弯时从内后轮到外后轮的载荷转移很大。
当前侧偏角大于后侧偏角时，会产生转向不足。这趋向于使车辆远离侧向力而移动，并使车辆采取比正常半径更大的转弯半径。适当程度的转向不足是可取的，但如果转向过度，则会导致“硬”转向。大多数汽车制造商都会将一定程度的转向不足“拨入”生产车辆，因为与转向过度相比，这是一种更安全的状况，并且通过断开电源使前轮胎重新获得抓地力更容易纠正。
4.2.2转向机构
用于连接驾驶员方向盘和车轮的机械装置取决于悬挂系统的类型。现代的布局是从图4.8所示的基本系统发展而来的。如今，这一系统的应用仅限于轻型商用车。
轻型卡车和一些越野车的转向
转向柱以适合驾驶位置的角度设置，包含一根轴（桅杆），该轴通过锥度和键或花键连接到辐条方向盘。在立柱的下端装有转向齿轮箱，这使转向摇臂移动。 摇臂底端的球形接头将其连接到转向直拉杆，该直拉杆推动并膨化安装在转向节上的转向臂。转向节的构造有多种形式。所示的布置称为逆椭圆型。转向节中的磷青铜衬套可实现车轮围绕主销的转向运动，该主销固定在车轴梁中。
在英国，转向箱控制右手边（偏斜）的车轮，另一个车轮的运动是通过转向横拉杆连杆机构实现的。
花键：带有凹槽或狭槽的机械装置。这允许将两个项目连接在一起以使它们作为一个单元旋转。如果未锁定，则某些花键允许旋转运动和滑动运动。
汽车转向
图4.9显示了汽车的典型转向布局。独立悬架对于这种类型的车辆来说很正常，因此，当一个或两个车轮碰到道路颠簸时，为了避免转向几何形状发生变化，就必须使用由两个或三个独立的零件组成的分离式转向杆。齿条齿轮式的转向齿条自然取代了三件式拨杆的中心连杆，并且也不再需要转向直拉杆。这些功能以及相对直接的作用使这种转向装置对汽车和轻型车辆具有吸引力。
车轮的转向运动通常由位于悬架臂外部连接点的大间距球形万向节提供。
所有安装在现代车辆上的转向系统都将配备助力转向（PAS），以减轻驾驶员转向车辆的精力，尤其是较重的车辆或装有宽轮廓轮和轮胎的车辆。助力将有两种形式：
□由发动机或电动泵提供的液压
□由直接安装在立柱或机架组件上的电动机提供的电
4.3外倾角、主销后倾角和主销内倾角
4.3.1中心点转向
图4.11显示了垂直轮和主销的布置。这具有以下缺点：
1.车轮的大张开效果。车轮被力（F）推动，而力（F）与阻力（R）相对。这两个力产生一对力矩（Ftimes;x），当应用前制动器时该对力矩变得非常大。
2.由于主销和车轮中心之间的距离，转向很重。车轮必须绕销钉弧形移动，半径为x。
3.短轴和主销上的弯曲应力较大。
为了克服这些问题，车轮和主销的布置使“偏移”距离（x）减小了。如果消除了偏移（即，车轮的中心线在路面上与主销的中心线相交），则该条件称为“中心点转向”。这可以通过（a）外倾角，（b）主销内倾角或（c）碟形轮来获得。
中心点转向似乎是理想的选择，但是充气轮胎的“散布”效果会导致车轮“摩擦”并造成严重的转向并增加轮胎的磨损。
4.3.2外倾角
车轮外倾角是影响车辆操控性和稳定性的重要因素。有两个外倾角：正外倾角和负外倾角。当观察车辆的前部时，正外倾角很明显，因为前轮将在顶部和底部倾斜。当前轮会倾斜在顶部时，负外倾角很明显。不正确的外倾角设置会影响车辆的轮胎磨损。过多的负外倾角会在轮胎的内边缘产生过多的磨损。过多的正外倾角会导致轮胎在外侧边缘磨损。
外倾角设置对于确保车辆以直线行驶并且在转弯时保持稳定至关重要。如果在车辆的每一侧设置不同的外倾角，这会在车辆向一侧拉动时产生问题----在较大的正外倾角设置下，车辆通常会向车轮侧拉。 许多车辆没有可调节的外倾角，因为这是在车辆设计期间由悬架部件设定的。如果这些车辆需要调整，则必须通过更换可能弯曲或磨损的悬架部件来进行调整。
正外倾角
但是，由于外倾角为正而导致的车轮转角（倾斜）将导致轮胎与路面接触的滚动半径不同。其结果是轮胎的锥面效应，当更多的车辆负载置于该区域时，轮胎的外边缘会磨损。正外倾角还可减少偏移，从而使转向更轻。因此，您会看到一些较重的车辆使用正外倾角。
如前所述，具有正外倾角的一个含义是轮胎在接触路面时的锥面效应。这种圆锥效应将导致车轮尝试以最大正外倾角使汽车远离车轮。因此，当两个车轮都具有相同的正外倾角时，它们都将尝试使转向轮朝相反的方向向外旋转。由于两个车轮将产生相同的力，因此抵消了该力，使车辆沿直线行驶。
由于车轮倾向于尝试向外转动，因此会导致轮胎擦洗并在外侧边缘磨损。 为了试图解决这个问题，具有这种设置的车辆通常前束很小。由于两个车轮的前束量相同，因此可以抵消产生的力。
负外倾角
从正面观察时，车轮在顶部倾斜时会发现负外倾角。负外倾角会在车辆转弯时减小车轮角度，从而在路面上提供更大的轮胎足迹。由于轮胎能够在道路上拥有更大的表面积，因此可以改善车辆在转弯时的稳定性和操控性。与更显着的负外倾角设置相关的问题是，增加的车轮偏移量通常会产生较重的转
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