客車制動(dòng)跑偏問(wèn)題的研究與優(yōu)化

司宗正　趙興旺　周寶　高云慶　裴冠茹

摘 要：行駛穩(wěn)定性是影響汽車的安全行駛的重要特性之一，本文針對(duì)某客車新車型在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的典型的制動(dòng)跑偏現(xiàn)象，開(kāi)展了問(wèn)題成因的探究及排查分析，并提供了優(yōu)化方法和技術(shù)解決方案，為類似車型的底盤(pán)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制動(dòng)跑偏問(wèn)題解決提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：行駛穩(wěn)定性 客車 制動(dòng)跑偏

汽車行駛穩(wěn)定性是影響車輛安全性、舒適性的重要指標(biāo)[1]。汽車在直線行駛過(guò)程中，方向盤(pán)在無(wú)轉(zhuǎn)角或力矩輸入情況下，車輛行進(jìn)方向產(chǎn)生改變。為保持車輛的直線行駛，駕駛員需對(duì)方向盤(pán)施加附加力。但當(dāng)駕駛員的手離開(kāi)方向盤(pán)后，車輛不能自主保持直線行駛狀態(tài)，反映出汽車的行駛穩(wěn)定性能力不足。

制動(dòng)方向穩(wěn)定性是行駛穩(wěn)定性主要特性之一，若制動(dòng)時(shí)發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力，則汽車將偏離原來(lái)的行駛路徑[2]。GB 7258《機(jī)動(dòng)車安全運(yùn)行技術(shù)條件》規(guī)定，機(jī)動(dòng)車在平坦、硬實(shí)、干燥和清潔的道路上行駛，不得有方向盤(pán)擺振、路感不靈、跑偏或其它異?，F(xiàn)象[3]。

跑偏可能導(dǎo)致車輛失控，在緊急制動(dòng)或高速行駛時(shí)尤為危險(xiǎn)。因此，深入研究客車制動(dòng)跑偏的機(jī)理、系統(tǒng)性地解決制動(dòng)跑偏問(wèn)題，具有重要的意義和價(jià)值。

1 研究背景

在某客車新車型的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證過(guò)程中，出現(xiàn)了直線行駛不穩(wěn)定和嚴(yán)重的制動(dòng)跑偏問(wèn)題現(xiàn)象，且隨著車輛制動(dòng)力的變大，跑偏的趨勢(shì)會(huì)越發(fā)明顯。具體故障表現(xiàn)為：以90kM/h為初始速度開(kāi)展緊急制動(dòng)，直至車速降到0時(shí)，車輛相對(duì)于初始位置，橫向方向最多可跑偏一個(gè)車道。

2 主要原因分析

行駛跑偏是復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題，相關(guān)的成因較多。有車輛自身的原因，如輪胎氣壓、轉(zhuǎn)向回正性能差、重心不居中導(dǎo)致的左右載荷分布不均、四輪定位參數(shù)偏差、制動(dòng)力左右偏差等。也有還有一些外界因素，如路面不平度、側(cè)向風(fēng)干擾等[4]。不少故障車輛制動(dòng)跑偏伴隨著有直行跑偏的情況，因此解決車輛的制動(dòng)跑偏問(wèn)題前，首先要排除車輛直行跑偏因素的干擾影響。

2.1 輪胎相關(guān)因素

氣壓不一致將使左右車輪滾動(dòng)半徑、滾動(dòng)阻力不一致，導(dǎo)致跑偏。左右側(cè)輪胎磨損程度的不一致，向滾動(dòng)半徑小的一側(cè)跑偏。當(dāng)胎面磨損嚴(yán)重時(shí)，輪胎的抓地力會(huì)下降，制動(dòng)時(shí)胎面好的地面反力較大，向胎面較好的一側(cè)跑偏。不同輪胎的錐度效應(yīng)力大小有差異，不同錐度輪胎在車輛上的裝配方向應(yīng)有工藝作業(yè)要求，否則錐度將影響車輛的直線行駛能力。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正能力差

具體表現(xiàn)為：方向盤(pán)向左打，松手后仍向左跑偏；方向盤(pán)向右打，松手后仍向右跑偏。同時(shí)方向盤(pán)回正差，駕駛員松手后，車輛的殘余橫擺角速度大。

造成該現(xiàn)象的主要因素有：四輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的回正力矩不足、轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力矩過(guò)大、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與內(nèi)飾件干涉導(dǎo)致的干摩擦、主銷內(nèi)部滾針軸承或止推軸承損壞卡滯、轉(zhuǎn)向直拉桿及轉(zhuǎn)向橫拉桿球頭銷的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩過(guò)大等。

2.3 四輪定位參數(shù)偏差

前懸架車輪定位參數(shù)，尤其是車輪前束角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角的影響尤為明顯。此外，主銷內(nèi)傾角衍生出的輪胎接地點(diǎn)主銷偏置距，對(duì)制動(dòng)時(shí)的行駛穩(wěn)定性也有顯著的影響，如圖1所示。如果左右側(cè)的主銷偏置距差異過(guò)大，制動(dòng)時(shí)作用于左右車輪的轉(zhuǎn)向力矩M1=F1*a與M2=F2*b無(wú)法達(dá)到平衡，對(duì)制動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，車輛將會(huì)向主銷偏置距大的一側(cè)跑偏。

2.4 重心及前后軸不對(duì)中

車輛各制動(dòng)力產(chǎn)生的合力與行駛的方向相反，理想情況下，其等效作用點(diǎn)應(yīng)與車輛的質(zhì)心位置重合。但在真實(shí)的場(chǎng)景中，制動(dòng)力合力很難與車輛的質(zhì)心重合。

如果整車重心位置與車輛XZ平面偏置距大，在車輛的制動(dòng)過(guò)程中，即使左右制動(dòng)力均衡，制動(dòng)合力與橫向偏置距共同作用而產(chǎn)生導(dǎo)致跑偏的橫擺力矩。當(dāng)此力矩超過(guò)車輛極限的穩(wěn)定能力時(shí)，車輛就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)跑偏的現(xiàn)象。此外，前后軸中心平面不重合，也會(huì)導(dǎo)致跑偏問(wèn)題的發(fā)生。

2.5 制動(dòng)力偏差

左右側(cè)制動(dòng)力偏差大，會(huì)導(dǎo)致跑偏。另外，即使技術(shù)設(shè)計(jì)要求完全相同，不同制造批次之間的制動(dòng)摩擦片及制動(dòng)盤(pán)因?yàn)樵牧?、生產(chǎn)制造公差等一致性的差異，如果混裝將會(huì)導(dǎo)致車輛不同程度的制動(dòng)跑偏。

左右側(cè)制動(dòng)間隙不等，也會(huì)導(dǎo)致跑偏。未制動(dòng)時(shí)的自由狀態(tài)下，左右側(cè)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙值差異大、制動(dòng)管路壓力不一致將導(dǎo)致建壓速度不一致，導(dǎo)致左右車輪不能同步產(chǎn)生相同的制動(dòng)力。間隙大的一側(cè)制動(dòng)時(shí)反應(yīng)慢，間隙小的一側(cè)制動(dòng)時(shí)反應(yīng)快，車輛向制動(dòng)響應(yīng)快的一側(cè)跑偏。

2.6 干涉轉(zhuǎn)向

車輛行駛時(shí)懸架上下運(yùn)動(dòng)，前束由轉(zhuǎn)向桿系和懸架構(gòu)件的復(fù)合牽連運(yùn)動(dòng)作用而發(fā)生變化，前束的變化在客車行業(yè)也稱為干涉轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)向拉桿上的球頭銷，既固定在懸架的轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，同時(shí)又是轉(zhuǎn)向直拉桿的一部分，如圖2所示。該球頭銷隨懸架運(yùn)動(dòng)做相應(yīng)位移的同時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿又限制了球頭銷作相應(yīng)的移動(dòng)，致使轉(zhuǎn)向節(jié)臂球頭相對(duì)于主銷在車輛的X方向做前后移動(dòng)，繼而引起轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，輪胎將產(chǎn)生一個(gè)側(cè)偏力[5]，導(dǎo)致車輛產(chǎn)生較明顯的跑偏。

在制動(dòng)工況下，后軸負(fù)載向前軸轉(zhuǎn)移且制動(dòng)力越大軸荷轉(zhuǎn)移越多。前軸軸荷的增量，導(dǎo)致前懸架彈簧壓縮量的進(jìn)一步增加，車輪相對(duì)于車身向上跳動(dòng)。在跳動(dòng)過(guò)程中，車輪運(yùn)動(dòng)軌跡受懸架導(dǎo)向桿系和轉(zhuǎn)向系的約束，繼而觸發(fā)干涉轉(zhuǎn)向，使車輛跑偏。

懸架導(dǎo)向桿軸向剛度不足或橡膠襯套剛度過(guò)小，汽車制動(dòng)時(shí)桿系和襯套發(fā)生彈性變形，繼而導(dǎo)致懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向系發(fā)生柔性的運(yùn)動(dòng)干涉，導(dǎo)致車輪的偏轉(zhuǎn)，使汽車跑偏。懸架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)的措施，減少或消除制動(dòng)及驅(qū)動(dòng)時(shí)的懸架變形[6]。

3 實(shí)車情況排查

針對(duì)上述導(dǎo)致制動(dòng)跑偏的主要原因，開(kāi)展系統(tǒng)性地研究。針對(duì)該車型制定跑偏的相關(guān)因素，逐一排查并鎖定問(wèn)題的根本原因。

3.1 輪胎排查

對(duì)跑偏車輛的車輪情況，進(jìn)行了全面確認(rèn)：輪胎與輪輞的配合，符合輪胎供應(yīng)商的安裝標(biāo)識(shí)要求，未發(fā)現(xiàn)輪胎內(nèi)外側(cè)反裝的現(xiàn)象。輪胎氣壓經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，均在理論設(shè)定的公差范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)超差的情況，且左右側(cè)車輪的靜力半徑未出現(xiàn)明顯異常?；谝陨吓挪榻Y(jié)果，可以排除車輪導(dǎo)致的跑偏。

3.2 轉(zhuǎn)向系異常排查

制作輔助工裝，測(cè)量轉(zhuǎn)向及懸架系統(tǒng)的干摩擦力矩，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果判斷無(wú)異常。進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)向直拉桿、懸架轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿等位置的球頭，以及主銷、轉(zhuǎn)向搖臂等部位的軸承進(jìn)行檢測(cè)，啟動(dòng)及旋轉(zhuǎn)摩擦力矩均正常，未發(fā)現(xiàn)異常。查驗(yàn)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與底盤(pán)周邊、內(nèi)飾件等配合部位的間隙情況，未發(fā)現(xiàn)有干涉摩擦的情況。通過(guò)以上的排查，可排除轉(zhuǎn)向系異常導(dǎo)致的車輛跑偏。

3.3 四輪定位參數(shù)排查

車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角有著關(guān)鍵的作用，四輪定位角度的公差范圍也很重要[7]。一般情況下控制在±30′范圍內(nèi)，可保證車輛不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的跑偏現(xiàn)象。

將跑偏的故障車輛重新上檢測(cè)線，做四輪定位參數(shù)測(cè)量。經(jīng)復(fù)測(cè)，前后懸架車輪前束角左右偏差為5′，主銷后傾角左右偏差均為26′、主銷內(nèi)傾角左右偏差20′，符合設(shè)計(jì)的公差要求。但上推力桿與下推力桿的長(zhǎng)度差異較大，導(dǎo)致在制動(dòng)時(shí)，車輪向上跳動(dòng)過(guò)程中，主銷后傾角有較明顯的衰減。

3.4 重心及前后軸對(duì)中性排查

經(jīng)確認(rèn)圖紙，設(shè)計(jì)方案無(wú)問(wèn)題。對(duì)跑偏客車的重心進(jìn)行了測(cè)量，重心在Y向的偏差在設(shè)計(jì)許可的范圍內(nèi)，實(shí)車狀態(tài)符合設(shè)計(jì)需求，無(wú)明顯的導(dǎo)致跑偏的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 制動(dòng)力偏差排查

車輛在測(cè)試評(píng)價(jià)前，已通過(guò)了短里程的制動(dòng)器磨合，可以排查磨合不良導(dǎo)致跑偏的情況。調(diào)取車輛過(guò)檢測(cè)線時(shí)的制動(dòng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了復(fù)測(cè)，結(jié)論為左右及前后軸制動(dòng)力偏差值、制動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間均符合設(shè)計(jì)要求。此外，對(duì)車輛是否存在拖剎的現(xiàn)象也進(jìn)行了排查，未發(fā)現(xiàn)異常。綜上，可排除制動(dòng)器相關(guān)因素導(dǎo)致的車輛跑偏。

3.6 干涉轉(zhuǎn)向排查

經(jīng)設(shè)計(jì)校核和實(shí)車狀態(tài)確認(rèn)，實(shí)車狀態(tài)與設(shè)計(jì)圖紙要求一致?；谠撥囆驮O(shè)計(jì)圖紙，測(cè)量懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)，利用ADAMS搭建該車型的動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

通過(guò)摸底分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)布置不合理，存在明顯的轉(zhuǎn)向干涉情況，且推力桿系的襯套剛度設(shè)定不合理，需優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)分析結(jié)果開(kāi)展進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該狀態(tài)將導(dǎo)致車輛向右跑偏，與故障車輛實(shí)際表現(xiàn)一致。

4 方案制定與問(wèn)題解決

針對(duì)已排查出的干涉轉(zhuǎn)向問(wèn)題，借助仿真手段探索解決方案并驗(yàn)證方案的有效性。進(jìn)一步結(jié)合故障車型實(shí)際情況，本著最少改動(dòng)量的原則，制定可行的技術(shù)改進(jìn)方案。

結(jié)合仿真分析結(jié)果，對(duì)上推力桿前襯套硬點(diǎn)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂球頭硬點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后的硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比如表1所示。

除優(yōu)化懸架相關(guān)的硬點(diǎn)坐標(biāo)外，在兼顧底盤(pán)濾振舒適性，并充分考慮襯套耐久可靠性、橡膠硫化的工藝性等因素的前提下，通過(guò)調(diào)整橡膠原材料硬度、優(yōu)化球頭內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將上下推力桿前后點(diǎn)襯套的徑向剛度由40kN/mm加大至90kN/mm。

該客車車型為整體式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，左右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)橫拉桿連接。懸架上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，左右轉(zhuǎn)向前輪朝同向偏轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)向干涉量較大將導(dǎo)致跑偏，因此前束變化量越小越好。

通過(guò)仿真分析可以看出，20000N緊急制動(dòng)力作用下，轉(zhuǎn)向輪前束由原狀態(tài)的0.95°優(yōu)化至0.1°，改進(jìn)效果顯著，對(duì)制動(dòng)跑偏量的遏制有較大貢獻(xiàn)。優(yōu)化前及優(yōu)化后前束特性對(duì)比，如圖4所示。

此外，隨著推力桿襯套剛度的提升，在制動(dòng)力下橡膠襯套彈性變形量顯著降低，進(jìn)而使主銷后傾角在緊急制動(dòng)工況下的衰減量同步得到改善，如圖5所示，有利于提升制動(dòng)工況整車保持直行的能力。

按照仿真優(yōu)化輸出的改進(jìn)技術(shù)方案，制作了轉(zhuǎn)向節(jié)臂、推力桿總成等改進(jìn)樣件。更換優(yōu)化部件后，參照GB 12676《汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》[8]，對(duì)實(shí)車開(kāi)展對(duì)比測(cè)試評(píng)估改進(jìn)效果。車輛從90Km/h制動(dòng)到靜止?fàn)顟B(tài)，跑偏量由原狀態(tài)的2m減小為0.2m，未偏出所在車道。實(shí)車表現(xiàn)與設(shè)計(jì)優(yōu)化后的理論研究結(jié)果一致，效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合具體的客車車型，以實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中典型的制動(dòng)跑偏疑難技術(shù)問(wèn)題為例，系統(tǒng)、深入研究了與客車制動(dòng)跑偏強(qiáng)相關(guān)的主要因素、導(dǎo)致跑偏問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理、故障排查思路和方法，并提供了具體的解決思路及最終技術(shù)方案，為客車底盤(pán)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作、制動(dòng)跑偏問(wèn)題的解決，提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚謝鈞，陳德玲，趙軍峰.輕型客車跑偏問(wèn)題的分析與改進(jìn)[J].客車技術(shù)與研究，2016.2.

[2]余志生.汽車?yán)碚揫M].5 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.5.

[3]公安部交通管理科學(xué)研究所.機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件：GB/ 7258- 2012[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[4]阿達(dá)姆·措莫托.汽車行駛性能[M].北京：科學(xué)普及出版社，1992.

[5]安部正人.車輛操控動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2012.06.

[6]劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].5 版.北京：清華大學(xué)出版社，2001.7.

[7]Jornsen Reimpell.Automotive Chassis[M]. SAE International. 2001.5.

[8]GB 12676-1999，汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.