第四节 车桥
一、车桥的功用和类型
车桥通过悬架与车架（或承载式车身）相连，两端安装车轮。它的功用是传递车架（或承载式车身）与车轮之间各方向的作用力及其产生的力矩。车架受到的垂直载荷通过悬架和车桥传到车轮，车轮上的驱动力、滚动阻力、制动力和侧向力及其产生的弯矩、扭矩通过车桥传递给悬架和车架。
根据车辆悬架类型以及传动系统的不同，车桥的类型可分为以下几种。
1）按悬架的结构不同，可将车桥分为整体式车桥和断开式车桥，如图1-10所示。整体式车桥的中部是刚性实心或空心梁，与非独立悬架配合使用；断开式车桥为活动关节式结构，与独立悬架配合使用。
2）按车桥上车轮的作用不同，可将车桥分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥、支持桥。其中，转向桥和支持桥都属于从动桥。一般汽车多以前桥为转向桥，而以后桥或中、后两桥为驱动桥。有些现代轿车和越野汽车的前桥则为转向驱动桥；还有单桥驱动的二轴汽车（6×2汽车）的中桥（或后桥）为驱动桥，后桥（或中桥）为支持桥。只起支承作用的车桥称为支持桥。挂车的车桥就是支持桥。支持桥除不能转向外，其他功能和结构与转向桥相同。
图1-10 整体式和断开式车桥
a）整体式车桥 b）断开式车桥
二、转向桥
转向桥通常位于汽车前部，能使装在其两端的车轮偏转一定的角度，以实现汽车转向。同时还要承受车架与车轮之间的作用力及其产生的弯矩和转矩。转向桥通常位于汽车前部，因此也常称为前桥。
汽车转向桥的结构大致相同，主要由前轴、转向节、主销和轮毂组成。转向桥既可以与独立悬架匹配，又可以与非独立悬架匹配。
1.与非独立悬架匹配的转向桥
图1-11所示为东风EQ1090E型汽车转向桥。
（1）前轴 前轴是转向桥的主体，一般由中碳钢经模锻而成，如图1-12所示。前桥采用工字形断面，以提高抗弯强度；接近两端逐渐过渡为方形，以提高抗扭刚度。中部加工出两处用以支承钢板弹簧的弹簧座（图1-12上未画出），其上钻有4个安装U形螺栓（俗称骑马螺栓）的通孔和1个位于中心的钢板弹簧定位凹坑。中部向下弯曲，使发动机位置得以降低，从而降低汽车重心，扩展驾驶人视野，并减小传动轴与变速器输出轴之间的夹角。前轴两端各有一个加粗部分，呈拳形，称为拳部，其中有通孔，主销即装入此孔内。用带有螺纹的楔形锁销将主销固定在拳部孔内，使之不能转动。
（2）转向节 转向节是一个叉形部件，如图1-13所示。上下两叉制有同轴销孔，通过主销与前轴的拳部相连，使前轮可以绕主销偏转一定的角度而使汽车转向。为了减小磨损，转向节销孔内压入青铜衬套，衬套上的润滑油槽在上面端部是切通的，用装在转向节上的油嘴注入润滑脂润滑。为使转向灵活、轻便，在转向节下耳与前轴拳部之间装有推力滚子轴承。在转向节上耳与拳部之间装有调整垫片，以调整其间的间隙。在左转向节的上耳上装有与转向节臂制成一体的凸缘，在下耳上则装有与转向梯形臂制成一体的凸缘，此两凸缘上均制有一矩形键，因此在左转向节的上耳、下耳上都有与之配合的键槽。转向节通过矩形键及带有锥形套的双头螺栓与转向节臂及梯形臂相连。
图1-11 东风EQ1090E型汽车转向桥
1—紧固螺母 2—锥套 3—转向节臂 4—密封垫 5—主销 6—左转向节总成 7—衬套 8—左转向节 9—左转向梯形臂 10、13—双头螺柱 11—楔形锁销 12—调整垫片 14—前轴 15—油嘴 16—右转向节上盖 17—右转向节 18—推力轴承 19—右转向梯形臂 20—限位螺栓 21—轮毂盖 22—衬垫 23—锁紧螺母 24—止动垫圈 25—锁紧垫圈 26—调整螺母 27—前轮毂外轴承 28—螺母 29—螺栓 30—车轮轮毂 31—检查孔螺塞 32—制动鼓 33—前轮毂内轴承 34—轮毂油封外圈 35—轮毂油封总成 36—轮毂油封内圈 37—定位销
（3）主销 主销的作用是铰接前轴与转向节，使转向节能绕着主销摆动，使车轮偏转实现转向。主销有实心圆柱形、空心圆柱形、圆锥形和阶梯形，如图1-14所示。
图1-12 前轴
图1-13 转向节
图1-14 主销的形式
a）实心圆柱形 b）空心圆柱形 c）圆锥形 d）阶梯形
图1-15 轮毂
（4）轮毂 车轮轮毂通过两个圆锥滚子轴承支承在转向节轴颈上，如图1-15所示。轴承的松紧度可用调整螺母加以调整。轮毂外端用冲压的金属罩盖住。转向节上还装有限位螺栓，与前轴上的限位凸台相配合，可以限制并调整转向轮的最大偏转角。
2.与独立悬架匹配的转向桥
图1-16所示为JL6360型微型客车断开式转向桥。断开式转向桥在轿车和微型客车上得到了广泛采用，与独立悬架相配置，组成了性能优良的转向桥。由于它有效地减少了非簧载质量，降低了发动机的重心高度，从而提高了汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。
断开式转向桥与非断开式转向桥一样，在具有承载传力功用的同时，还具有转向的功能，所不同的是断开式转向桥与独立悬架相匹配。这种组成与非断开式相比有较大的不同，主要是断开式车桥与转向节连接为活动关节式结构，非断开式车桥则通过主销与转向节连接。
图1-16 JL6360型微型客车断开式转向桥
1、5—前轮 2—上支点 3—缓冲弹簧 4—减振器 6—纵拉杆 7—横向稳定杆 8—左梯形臂 9—横拉杆 10—悬臂总成 11—右梯形臂 12—中臂 13—主转向臂
三、转向轮定位
转向桥在保证汽车转向功能的同时，应使转向轮有自动回正作用，以保证汽车稳定直线行驶。为了保持汽车直线行驶的稳定性、转向的轻便性，减小轮胎与机件间的磨损，转向轮、转向节和前轴三者之间与车架必须保持一定的相对位置，这种具有一定相对位置的安装称为转向轮定位。即当转向轮在偶遇外力作用发生偏转时，一旦作用的外力消失，转向轮能立即自动回到原来直线行驶的位置。
转向轮的定位参数有主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。
1.主销后倾角
主销装在前轴上，当汽车水平停放时，在汽车的纵向垂面内，其上端略向后倾斜，这种现象称为主销后倾。主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角（γ）叫主销后倾角，如图1-17所示。主销后倾的作用是形成回正力矩，保证汽车直线行驶的稳定性，并使汽车转向后回正操纵轻便，即在动态下车轮有自动回正作用，并且车速越高，回正作用越大。
图1-17 主销后倾角示意图
主销倾斜后，主销轴线的延长线与地面的交点a位于车轮与路面的接触点b前面，汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而偏转（图1-17中所示为向右偏转），汽车行驶方向将向右偏离。由于汽车本身离心力的作用，转向后地面作用在车轮上的侧向力FY对主销形成一个转矩MFY，其方向正好与车轮偏转方向相反。在此力矩作用下，使车轮回复到原来的中间位置，从而保证汽车直线行驶的稳定性。但此力矩不能过大，否则在转向时为了克服此力矩，驾驶人需在转向盘上施加较大的力，使转向沉重。
主销后倾角越大、车速越高，回正力矩越大，转向轮偏转后自动回正的能力愈强。主销后倾角一般不超过2°～3°，主销后倾角一般是将前轴连同悬架安装在车架上，使前轴向后倾斜而形成。此外，有些汽车由于采用超低压轮胎，弹性增加，转向时因轮胎弹性变形而使轮胎与路面的接触点后移，使回正力矩增加，故主销后倾角可以减小，甚至为负值（即主销前倾）。
2.主销内倾角
主销内倾角指主销在汽车的横向平面内，其上部向内倾斜一个角β，即主销轴线与地面垂直线在汽车横向平面内的夹角，如图1-18所示。主销内倾的作用是使前轮自动回正，转向轮转向操纵轻便并能减小转向盘上的冲击力。
如图1-18a）所示，主销内倾后，主销轴线的延长线与地面的交点至车轮中心平面与地面交点之间的距离c缩短，转向时，路面作用在转向轮上的阻力对主销轴线产生的力矩减小，从而可减少转向时驾驶人施加在转向盘上的力，使转向操纵轻便。
图1-18 主销内倾角
如图1-18b）所示。当转向轮在外力作用下绕主销旋转、偏离中间位置时，假设旋转180°，车轮的最低点将陷入路面以下h处，即车轮有向下陷入地平面的倾向，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面之下，而是车轮连同整个汽车前部被向上抬起相应高度。一旦外力消失，转向轮就会在汽车重力的作用下力图自动回正到旋转前的中间位置。主销内倾角越大或前轮转角越大，则汽车前部抬起越高，前轮的自动回正作用越明显，但转向时，车轮在滚动的同时将与路面产生较大的滑动，增加轮胎与路面的摩擦阻力，使转向轮的轮胎磨损增加且转向沉重，一般主销内倾角控制在5°～8°为宜。
主销后倾和主销内倾都有使汽车转向自动回正、保持直线行驶位置的作用。但主销后倾的回正作用与车速有关，而主销内倾的回正作用几乎与车速无关。因此，高速时主销后倾的回正作用起主导地位，而低速时则主要靠主销内倾起回正作用。此外，直行时前轮偶尔遇到冲击而偏转时，也主要依靠主销内倾起回正作用。
3.车轮外倾角
转向轮安装在转向节上时，其旋转平面上端向外倾斜，这种现象称为转向车轮外倾。前轮旋转平面与纵向垂直平面之间的夹角α称为车轮外倾角，如图1-19所示。前轮外倾的作用是提高前轮工作的安全性和操纵轻便性。
由于主销与衬套之间，轮毂与轴承之间等都存在间隙，若空车时车轮的安装垂直于地面，则满载时，车桥将因承载变形而可能出现车轮内倾，使汽车轮胎的磨损加速。另外，路面对车轮的垂直反作用力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向轮毂外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低了使用寿命，严重时使车轮脱出。因此，为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷，安装车轮时预先使车轮有一定的外倾角，以防止车轮出现内倾。前轮外倾角大虽然对安全和操纵有利，但是过大的外倾角将使轮胎横向偏磨增加，油耗增多，一般前轮外倾角在1°左右。
前轮外倾角是由转向节的结构确定的。当转向节安装到前轴上后，转向节轴颈相对水平面向下倾斜，从而使前轮安装后出现前轮外倾。
图1-19 车轮外倾角
4.前轮前束
安装车轮时，两前轮的中心平面不平行，其前端略向内侧收束，这种现象称为前轮前束。两前轮前端距离B小于后端距离A，A-B的差值称为前轮前束值，如图1-20所示。前轮前束的作用是使车轮在每一瞬间的滚动方向接近于正前方，消除汽车行驶过程中因前轮外倾而产生的不良后果，保证车轮不向外滚动，防止车轮侧滑和减轻轮胎的磨损。
图1-20 前轮前束
由于前轮外倾，汽车行驶时，两个车轮的滚动类似于两个锥体的滚动，其轨迹不再是直线而是逐渐向各自的外侧滚开，如图1-21所示。但因受车桥和转向横拉杆的约束，两侧车轮不可能向外滚开，这样，车轮在路面上滚动行驶的同时又被强制地拉向内侧，产生向内的侧滑，从而加剧轮胎的磨损。有了前束，车轮滚动的轨迹是向内侧偏斜，只要前束值与车轮外倾角配合适当，车轮向内、外侧滚动的偏斜量就会相互抵消，使车轮每一瞬间的滚动方向都朝着正前方，从而消除了侧滑，减轻了轮胎的磨损。
图1-21 前轮外倾产生的车轮运动示意图
前轮前束可通过改变横拉杆的长度来调整。调整时，根据各厂家规定的测量位置，使两轮前后距离差（A-B）符合规定的前束值。测量位置除图1-20所示的位置外，还可取两车轮轮毂内侧面处的前后差值，也可以取两轮胎中心平面处的前后差值。一般前束值为0～12mm。
四、四轮定位
随着道路条件的改善，现代轿车的行驶速度愈来愈高，现在有许多高档轿车设置四轮定位，不仅要求前轮定位，还需要有后轮定位。其原因是对前轮驱动汽车和独立后悬架汽车，如果后轮定位不当，即使前轮定位良好，也会有不良的操纵性和轮胎早期磨损。
为了防止高速行驶时汽车出现“激转”及自动转向现象，在结构设计上应确保汽车具有不足转向特性。汽车后轮具有一定程度的外倾角和前束可使后轮获得合适的侧偏角，提高高速行驶的操纵稳定性。四轮定位的优点包括以下几点：增强驾驶舒适感，减少燃油消耗，延长轮胎使用寿命，保证车辆直线行驶的稳定性，降低底盘悬挂配件的磨损，提高汽车行驶的安全性。
1.后轮外倾角
像前轮外倾角一样，后轮外倾角也对轮胎的磨损和操纵性有影响。理想状态是4个车轮的外倾角均为零，这样轮胎和路面接触良好，从而得到最佳的牵引性能和操纵性能。为了对车辆加载后悬架下沉产生的载荷进行补偿，采用独立后悬架的大多数车辆常有一个较小的正后轮外倾角。
2.后轮前束
如同前轮前束一样，后轮前束也是后轮定位的一个重要项目。如果前束不当，后轮轮胎也会被擦伤，另外会引起转向不稳定及制动效能降低等不良后果。
对于前轮驱动的车辆，前轮宜正前束，后从动轮宜负前束；后轮驱动的车辆则相反，前轮宜负前束。独立悬架的后驱动轮应尽可能为负前束。如果后轮前束不符合技术要求，就会被增加轮胎的磨损并影响转向稳定性，其影响程度与前轮前束的影响程度相同。
3.驱动力作用线
如果两后轮相互平行与整车平行，那么驱动力的作用线将垂直于后轴并与车辆纵轴线重合。但如果一个或两个后轮前段偏里或偏外，或者一个车轮相对于另一个略微后缩，驱动力的作用线就要偏离中心线，从而产生一个驱动力偏离角并使车辆朝与偏离角相反的方向偏行。
例如驱动力的作用线偏右时，汽车向左跑偏。驱动力偏离角的出现使得车辆在冰、雪或湿滑路面上的方向稳定性变差。在车辆制动或急剧加速时，它有时会使车辆跑偏。用于转向控制的前轮要克服后轮的这种作用，从而使磨损加剧。
五、转向驱动桥
前轮驱动和全轮驱动的汽车的前桥既是转向桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。转向驱动桥的作用是既可使车轮偏转，起转向桥的作用，与转向系统配合实现汽车转向，又可使车轮被驱动，起驱动桥的作用，增大汽车的驱动力，提高汽车的通过性。
结构特点如下：
1）具有与驱动桥相同的主减速器和差速器。
2）与转向轮相连的半轴分成内外两段（内半轴和外半轴），其间用万向节（一般多用等角速万向节）连接。
3）主销分制成两段（或用球头销代替），转向节轴颈部分做成中空的，以便外半轴穿过其中。
转向驱动桥如图1-22所示，由主减速器、差速器、半轴和桥壳组成。
图1-22 转向驱动桥
1—主减速器 2—主减速器壳 3—差速器 4—内半轴 5—半轴套管 6—万向节 7—转向节轴颈 8—外半轴 9—轮毂 10—轮毂轴承 11—转向节壳体 12—车轮13—主销 14—主销轴承 15—球形支座
目前，许多现代轿车采用了发动机前置前驱动的形式，其前桥既是转向桥又是驱动桥，如图1-23所示。车桥上端通过左、右悬架与承载式车身相连接，下端通过左、右下摆臂与固定在车身上的副车架相连接。车轮轴承壳与下摆臂之间通过可移动球形接头连接，从而使前轮固定。可通过下摆臂上的长孔调整车轮外倾角。为了减小车辆转向时的车身倾斜，在副车架与下摆臂之间装有横向稳定器。此种类型的转向驱动桥多采用麦弗逊式独立悬架，其特点是结构简单，布置紧凑，具有良好的接近性，便于维修，而且转弯直径小，机动性好。
图1-23 桑塔纳2000轿车的转向驱动桥（主减速器和差速器未画出）
1、11—悬架 2—前轮制动器总成 3—制动盘 4、8—下摆臂 5—副车架 6—横向稳定器 7—传动半轴总成 9—球形接头 10—车轮轴承壳 12—转向横拉杆 13—转向装置总成
六、支持桥
图1-24 支持桥
转向桥和支持桥（图1-24）都属于从动桥。有些单桥驱动的三轴汽车，往往将后桥设计成支持桥。挂车上的车桥也是支持桥。发动机前置前驱动轿车的后桥也属于支持桥。