浅析汽车前轮摆振问题的非故障原因

浅析汽车前轮摆振问题的非故障原因

浅析汽车前轮摆振问题的非故障原因

秦 浩 1董笑鹏

（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467001）

摘 要：汽车前轮摆振往往被当作故障进行理解和处理。从轮胎迟滞特性、陀螺效应等汽车动力学角度分析了前轮摆振的非故障原因，论证了汽车前轮摆振现象的普遍性。

关键词: 前轮摆振；轮胎迟滞特性；陀螺效应

中图分类号：U463.34 文献标识码：A 文章编号：1673-3142（2008）09-0027-03

Analysis of Unfault Factors on Automobile Front Wheels Shimmy

QIN Hao, DONG Xiao-peng

( Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan 467001, China)

Abstract：For a long time, automobile front wheels shimmy is treated as fault to comprehend and deal

with. In this article, the unfault causes of front wheels shimmy are analyzed in view of automobile dynamics such as tire hysteresis, gyroscopic effect, ect. The universality of the phenomenon of automobile front wheels shimmy is demonstrated.

Key words：front wheel shimmy；tire hysteresis；gyroscopic effect

1.前轮摆振

1.1前轮摆振的概念

前轮摆振是指汽车行驶时，前转向轮发生的左右激烈摆动的现象，这一振动不仅有车轮的左右摆动，同时兼有上下跳动，故前轮发生摆动时，不只是转向系在振动，甚至整个汽车都在振动。 通常我们把包含车轮和车桥在内的全部转向装置的振动总称为汽车的前轮摆振。包括：轮胎和悬架相对于车身的横向振动；前轮绕主销的角振动；前桥在汽车纵向垂直平面内绕其中点的角振动。前轮摆振实质上是这三个方面振动的合成。

1.2前轮摆振的后果

前轮摆振会引起方向盘的“弹手”的症状，严重时驾驶员无法控制方向盘。摆振会减少乘员的舒适性，增加司机的疲劳程度，同时导致轮胎异常磨损，整车燃油经济性变坏，并对整车相关零件造成损坏。

2. 前轮摆振的原因

引起前轮摆振的原因很多，如车轮失衡、转向轮定位失准、前桥弯扭变形、转向系间隙过大，轮胎气压过低，减振器失效等均能引起前轮摆振，这些问题通过改进设计、提高制造精度或维修可以得到纠正。因此，长期以来，汽车前轮摆振往往被当成“故障”进行理解和处理。 收稿日期：2008-06-04

作者简介：秦 浩（1973- ），男，河南省舞阳县人，平顶山工业职业技术学院教师，主要从事汽车专业教学和研究工作。

浅析汽车前轮摆振问题的非故障原因

其实前轮摆振的原因是相当复杂的，除去以上故障原因，还有一些由于路面起伏不平和汽车本身动力学特性引起的前轮摆振，如轮胎迟滞特性、陀螺效应、悬架导向杆系的运动等，这些因素即属于非故障原因。这些因素与故障因素相比其影响较小，常常被忽略不计而不为人们重视，但它日积月累引起的系统磨损及疲劳常常是汽车出现前轮摆振和其他故障因素的诱因，从而使整车寿命大打折扣。因此，有必要对前轮摆振的非故障因素进行探讨。

3. 前轮摆振的非故障因素

3.1轮胎迟滞特性

所有的弹性体（包括轮胎）都有这样一种现象：施压负荷后突然撤除载荷，应变不会立即消失，从卸载瞬间到形变恢复需要一定时间，即形变恢复时刻滞后于卸载时刻，这种现象称为迟滞现象。

由汽车理论可知，滚动的轮胎受到侧向力时，轮胎的弹性恢复力产生的合力矩，形成回正力矩。同时，由于主销后倾使回正力矩得到进一步稳定和加强。回正力矩与偏摆方向相反，形成偏摆的阻尼，能使偶然偏摆的车轮回到直线行驶的位置。但是当达到一定车速时，外力引起摆振频率和前轮回正频率一致，且由于轮胎的迟滞特性，前轮回正力矩滞后于干扰摆振力时，回正力矩的方向恰好和摆振方向一致，回正力矩不但不能起到回正作用，相反有增强摆振的趋向，我们称之为负阻尼。当这部分负阻尼较小时，会抵消部分系统固有正阻尼，系统当量阻尼仍然为正，这时系统在外界周期性干扰源作用下产生明显的强迫振动型前轮摆振。当这部分阻尼较大时，即输入能量大于系统内阻尼消耗的能量，会使系统阻尼为负，而发生自激振动型前轮摆振，偶然的激励也会使系统在某一振幅下持续振动，即形成摆振[1]。

试验表明：增大轮胎的侧向刚度，如更换使用扁平胎，可使前轮摆振的幅值有较大下降。

3.2陀螺效应

在道路不平度较大时，高速旋转的车轮平面发生某一偏转，使车轮动量矩矢量方向发生改变，将产生附加力矩（即陀螺力矩）会使转向轮绕主销转动。具体讨论如下：

在平坦道路上，车轮绕水平轴以角速度Ω高速滚动，地面支承力N与车轮重力载荷G平衡，即N＝G，车轮的动量矩矢量方向不变。

当某一车轮遇到地面凸起时（图1），车轮平面的动量矩的方向发生改变，使车轮作微幅高频章动，进而引起车轮绕主销以角速度ω规则进动，陀螺效应使车轮对地面的压力N增大，产生的陀螺力矩M0＝（N-G）l。式中l为N、G对主销中心O点的力臂。

图1 左侧车轮（a）和右侧车轮（b）遇到受到地面凸起时的陀螺效应

当左侧车轮遇到地面凸起时，根据陀螺运动赖柴（Resa1）定理判断矢量ω的方向为竖直向下，即左轮向右偏摆，并通过转向梯形机构带动右侧车轮向右偏摆；当右侧车轮遇到地面凸起时，ω矢

浅析汽车前轮摆振问题的非故障原因

量方向竖直向上，即车轮向左偏摆，并通过转向梯形机构带动左侧车轮向左偏摆。同时，由于前桥和转向轮间的运动耦合，前轮绕主销的振动还会引起车桥的振动。振动的强度取决于陀螺力矩M0。由于Ω>>ω，根据陀螺运动的近似理论，M0的大小由下式决定

M0=IZΩωsinθ

式中IZ ——车轮绕车轮轴线的转动惯量。

θ ——车轮自转轴与主销中心轴（进动轴）之间的夹角。

由上式可知，随着车速Ω、车轮转动惯量IZ和车桥摆动角速度ω的增加，M0增大，摆振增强。受路面因素的影响，这种由陀螺效应引起的前轮摆动是不能避免的，尤其当路面冲击与车桥振动发生共振时，陀螺效应的影响更为明显。

当某一车轮遇到凹坑时可作类似分析（图2）。但因车轮偏摆的方向与车轮前进方向相反，破坏了车轮与地面的纯滚动关系，由于地面摩擦阻力的影响，这种情况下偏摆不甚明显。

图2左侧车轮（a）和右侧车轮（b）遇到凹坑时的陀螺效应

3.3悬架导向杆系的运动

装有纵置钢板弹簧悬架的汽车，板簧在垂直方向上发生变形时，会引起车桥的横向偏摆。如图3a所示，M点为固定吊耳销轴线，N为活动吊耳销轴线，a0为车桥中心，理论分析及试验证实，这种悬架在垂直载荷作用下发生变形时，车桥中心a0将不绕M点摆动，而绕某点Q摆动。当汽车行驶在不平路面上时，由于车轮相对于车架跳动使弹簧压缩或伸张，车桥中心a0将在两个极限位置a1、a1间移动，如果两侧弹簧伸缩情况不一致时，车桥总成将相对汽车车架转动一定角度δ，从而引起车桥上下及前后方向的摆振。

浅析汽车前轮摆振问题的非故障原因

图3 纵置半椭圆板簧引起的车桥转向

车桥转角δ除了与车轮跳动幅度有关外，还和车桥中心a0与车轮摆动中心Q的相对位置有关。增大板簧的曲率半径，提高a0点高度，甚至将车桥固定在板簧上面，使a0点与Q点高度平齐（图3 b），可使转角δ减小，从而减小车桥前后方向的摆振。

对于前独立悬架的汽车，当车轮相对与车架跳动时，导向杆系的运动会使车轮定位参数发生变化，当前束减小或外倾角增加时车轮向外滚动，当前束增加或外倾角减小时车轮向汽车纵向中心线方向滚动，同时主销倾角的变化也会引起回正力矩的变化，因此，当两侧前束变化不一致时，车轮将向某方向滚动形成摆振。

通过合理调整杆系的布置，能使车轮的定位参数的变化量降低到一定范围内，从而减低车轮摆振现象。

4．结论

综上所述，除去故障因素，即使各方面技术状况非常完好的汽车，由于受道路条件和汽车本身动力学特性的影响，依然存在汽车前轮摆振现象。前轮摆振现象只能逐步改善，理论上是无法消除的。因此，任何汽车都存在摆振现象，只是摆振程度轻重不同而已。前轮摆振现象是一种汽车内部故障、动力学特性和外界影响综合作用的结果，反应了汽车的整车稳定性能。

参考文献

[1]郑亮.转向减震器——解决前轮摆振的最有效、最实用的方法[J].城市车辆，2005（4）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ufmj.html