客車前輪擺振的故障分析

金懿凡，陳 嘯

(金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215026)

前輪擺振是車輛常見的行駛振動(dòng)問題，是指車輛前輪與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及拉桿組成的系統(tǒng)繞主銷的擺動(dòng)、前橋繞汽車縱軸的振動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。具體表現(xiàn)為客車在干燥平整路面上直線行駛時(shí)方向盤頻繁擺動(dòng)。影響前輪擺振的因素很多，其中前輪定位參數(shù)是最重要的因素之一。某11 m大型客車在干燥、平整路面上以80 km/h及以上車速直線行駛時(shí)，出現(xiàn)方向盤小幅度低頻擺動(dòng)故障。本文對此故障進(jìn)行因素分析和具體診斷。

1 前輪擺振故障因素分析

該車前輪擺振發(fā)生在車速80～100 km/h，擺振的幅值隨著車速的提高而增大。因此可確認(rèn)該擺振是由外界周期變化的激振力作用于系統(tǒng)產(chǎn)生的受迫振動(dòng)。

周期變化的激振力和力矩會(huì)導(dǎo)致前輪發(fā)生擺振，主要有4個(gè)影響因素：① 由車輪的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力的水平分力對主銷中心的力矩；② 車輪的陀螺力矩；③ 懸架與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)干涉；④ 前輪定位參數(shù)不正確導(dǎo)致的輪胎側(cè)向力不平衡。其中前兩項(xiàng)因素導(dǎo)致的前輪擺振會(huì)隨著車速的升高而增大，因而這兩項(xiàng)因素引起的擺振常常出現(xiàn)在車輛高速行駛過程中。另外，由于車輛在高速行駛時(shí)的側(cè)向附著力相對于低速行駛時(shí)會(huì)減小，使得輪胎在相同的側(cè)向力作用下，輪胎側(cè)偏角相比低速行駛時(shí)偏大。因此，當(dāng)前輪定位參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時(shí)，更容易產(chǎn)生前輪擺振，且擺振的幅值會(huì)隨著車速的提高而增大。

2 前輪擺振故障具體因素診斷

本文采用排除法進(jìn)行具體因素診斷。

2.1 排除車輪動(dòng)不平衡因素

采用德國HOFMANN 980L型動(dòng)平衡機(jī)對車輛前軸的兩個(gè)輪胎重新進(jìn)行動(dòng)平衡測試。根據(jù)企業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，動(dòng)不平衡量應(yīng)小于等于50 g。將重新做完滿足動(dòng)平衡要求的兩個(gè)輪胎安裝到車輛前軸上。經(jīng)路試，故障依然存在。因此，排除由于車輪不平衡質(zhì)量過大引起前輪擺振。

2.2 排除車輪的陀螺力矩因素

汽車行駛時(shí)，可把轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪看成是一個(gè)轉(zhuǎn)子，而繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向節(jié)視為該轉(zhuǎn)子的框架，從而構(gòu)成一個(gè)二自由度的陀螺。如果車輪行駛在波形路面上(如搓板路)，則車輪持續(xù)上下跳動(dòng)，其陀螺力矩將使其持續(xù)不停地?cái)[振。故障車輛是在平整路面行駛時(shí)出現(xiàn)前輪擺振故障，故可排除由于車輪的陀螺力矩引起前輪擺振。

2.3 排除懸架與轉(zhuǎn)向桿系運(yùn)動(dòng)干涉的因素

該車型為板簧懸架，對板簧懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)向縱拉桿的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行復(fù)核，校核結(jié)果為前軸上跳時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉量最大值為3 mm，前軸下跳時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)干涉量最大值為4.6 mm，干涉量符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，由于該車型擺振故障發(fā)生在平整路面上中高速直線行駛時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)向和懸架的相對運(yùn)動(dòng)量較小，故可以排除懸架與轉(zhuǎn)向桿系運(yùn)動(dòng)干涉導(dǎo)致前輪擺振。

2.4 初步判定為前輪定位參數(shù)不正確的因素

該車的前輪定位參數(shù)的設(shè)計(jì)值為：主銷內(nèi)傾角7°、主銷后傾角3°、車輪外傾角1°、前輪前束值1～3 mm。在對該車輛進(jìn)行前輪定位參數(shù)檢測中發(fā)現(xiàn)前輪前束值為0，與設(shè)計(jì)要求不符, 其他參數(shù)都相符。

對該車進(jìn)行前輪擺振測試，加速度傳感器布置在方向盤上，如圖1所示。試驗(yàn)工況為車輛在干燥平整路面上40～100 km/h的勻加速行駛，記錄測試點(diǎn)加速度值。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表1中第2列所示。

圖1 前輪擺振測試

圖2 三種不同前束值的方向盤振動(dòng)時(shí)域圖

表1 車速100 km/h時(shí)方向盤測點(diǎn)的振動(dòng)最大加速度g

根據(jù)圖2方向盤振動(dòng)時(shí)域圖可以看出，高速行駛時(shí)方向盤振動(dòng)加速度隨著車速的提高明顯增大，在車速達(dá)到100 km/h時(shí)方向盤的振動(dòng)加速度最大，高速穩(wěn)定性較差。因此，初步判定前輪擺振是由于定位參數(shù)設(shè)置不正確導(dǎo)致的。

2.5 故障因素的確認(rèn)及消除

將該車的前輪前束調(diào)整為+1.5 mm，再次進(jìn)行前輪擺振測試，試驗(yàn)方法與前次相同，試驗(yàn)結(jié)果如圖2及表1中第3列所示。結(jié)果顯示，前束值調(diào)整為+1.5 mm后，高速行駛時(shí)方向盤振動(dòng)明顯降低。

為進(jìn)一步了解前輪不同前束值對于前輪擺振的影響，再將該車輛的前輪前束調(diào)整為+5 mm(由于該車設(shè)計(jì)的理論前束值范圍為+1 mm至+3 mm，且過大的前束值會(huì)導(dǎo)致前輪胎異常磨損，故+5 mm的前束值僅用作測試研究，不作為正常車輛設(shè)置使用)，再次進(jìn)行前輪擺振傳遞測試。試驗(yàn)方法與前兩次相同，試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表1中第4列所示。

與0前束對比可以發(fā)現(xiàn)，+5 mm前束在高速下振動(dòng)明顯更小，原因是更大的束角帶來更大的車輪側(cè)向力矩，使得車輛高速穩(wěn)定性更好。但是更大的車輪側(cè)向力矩使得任意車速下車輪的陀螺力矩都更大，使得車輛在中低速時(shí)的表現(xiàn)與+1.5 mm前束相比有明顯差距，方向盤振動(dòng)反而更大。

2.6 前輪前束的影響機(jī)理

前輪前束對于轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向拉桿繞主銷擺動(dòng)的振動(dòng)系統(tǒng)的影響體現(xiàn)為改變了作用于輪胎上的側(cè)向力。由于車輪外傾角和前輪前束的存在，輪胎胎面與地面并不是完全平行的，故車輛未受到外界側(cè)向力作用且在平整路面直線行駛時(shí)輪胎上一直存在一個(gè)由外傾角和前束角產(chǎn)生的常側(cè)向力。因此，前輪前束值設(shè)置不當(dāng)會(huì)改變車輪外傾角與前束角的匹配關(guān)系，使得作用于輪胎上的常側(cè)向力大小發(fā)生變化，最終體現(xiàn)為擺振系統(tǒng)的剛度和阻尼的變化，從而導(dǎo)致擺振系統(tǒng)的振動(dòng)特性發(fā)生變化，在某些工況下便會(huì)出現(xiàn)前輪擺振。所以，車輛前輪擺振對于前輪前束值的設(shè)置較為敏感。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了某大型客車前輪擺振故障的排除過程。通過前輪擺振測試確認(rèn)了前輪前束值設(shè)置不正確是導(dǎo)致前輪擺振故障發(fā)生的原因，為前輪擺振故障的排除提供了一種解決思路。